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So funktioniert ein Nd:YAG Laser

Bei einem Nd:YAG-Laser (kurz für Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) handelt es sich um einen Festkörperlaser, der Wellenlängen von 1064 nm im Infrarotbereich emittiert. Er hat einen ähnlichen Anwendungsbereich wie ein CO2-Laser, aber eine zehnmal kleinere Wellenlänge.

Durch die geringere Wellenlänge kann mit einem Nd:YAG-Laser eine deutlich höhere Auflösung als mit einem CO2-Laser erreicht werden, da der Laser auf eine kleinere Fläche fokussiert werden kann. Dies ist besonders für Anwendungen im Bereich der Lasermarkierung wichtig, wo es auf Präzision ankommt.

Die Auflösung kann durch Frequenzvervielfachung noch erhöht werden: die Wellenlänge wird z.B. bei Frequenzverdopplung auf 532 nm halbiert und befindet sich dann im Bereich von sichtbarem grünem Licht (siehe Infografik 1). Handelsübliche grüne Laserpointer sind zum Beispiel frequenzverdoppelte Nd:YAG-Laser. Bei CO2-Lasern sind dagegen keine Frequenzvervielfachungen möglich.

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Infografik 1: Frequenzbereich ND:YAG-Laser

 

Der Preis der höheren Auflösung ist jedoch eine niedrigere Bearbeitungsgeschwindigkeit; der Laser benötigt mehr Zeit zum Beschriften. Es muss je nach Anwendungsfall abgewägt werden, ob höhere Präzision oder höhere Geschwindigkeit benötigt werden.

Nd:YAG-Laser sind teurer als CO2-Laser und je nach Bauart höchstens genauso energieeffizient wie diese. Dafür kann im gepulsten Betrieb eine deutlich höhere Energie pro Puls erzielt werden, und diese auch viel genauer fokussiert werden.

Funktionsweise

In einem Nd:YAG-Laser ist ein Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall verbaut. Im Gegensatz zu CO2-Lasern handelt es sich hierbei also nicht um ein Gas, sondern um einen Festkörper. Yttrium-Aluminium-Granat wird künstlich hergestellt und ist ein Kristall mit einer regelmäßigen Struktur. Diese wird dotiert, d.h. es wird eine kleine Anzahl Neodym-Atome in die Kristallstruktur eingesetzt. Die Neodym-Atome sind es, welche die interessanten optischen Eigenschaften von Nd:YAG bewirken.

Innerhalb eines Atoms können die Elektronen auf verschiedene sogenannte Energieniveaus angeregt werden, d.h. durch Zuführen von Energie bzw. Licht “springen” sie auf ein höheres Niveau und “fallen” später wieder herunter (siehe Infografik 2). Beim Übergang auf ein niedrigeres Energieniveau wird Licht ausgesendet – in diesem Fall z.B. Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Wie man in der Grafik sieht, gibt es verschiedene weitere mögliche Übergänge, die andere Wellenlängen aussenden, in der Lasertechnik wird jedoch üblicherweise der 1064 nm-Übergang verwendet.

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Infografik 2: Energieniveau ND:YAG-Laser

 

Der Vorgang, die Neodym-Atome anzuregen, wird Pumpen genannt. Hierbei wird Licht auf den Nd:YAG-Kristall gesendet. Das Licht kann entweder aus einer Gasentladungslampe oder aus einem Diodenlaser stammen. Der Nachteil an einer Gasentladungslampe ist der niedrige Wirkungsgrad von nur etwa 3 bis 5%, da nur ein geringer Teil des Lichtes die richtige Wellenlänge zum Anregen der Atome hat. Bessere Effizienz (25 bis 50%) erreicht man mit Diodenlasern, die nur die passende Wellenlänge (in diesem Fall 808 nm) emittieren.

Einsatzbereiche

Nd:YAG-Laser eignen sich durch ihr hohes Auflösungsvermögen besonders für Aufgaben, die eine hohe Präzision erfordern. Das Laserbeschriften ist eine davon, insbesondere für detailliertere Motive, wie sie beispielsweise in der Werbeindustrie auftreten, oder für sehr kleine Motive, etwa bei der Beschriftung von kleinen Bauteilen. Sie werden auch zum Präzisionsschneiden und zum Bohren von sehr kleinen Löchern verwendet und haben sogar Anwendungen in der Medizin.

Auch für die Bearbeitung von reflektierenden Oberflächen, wie beispielsweise Metalle, sind Nd:YAG-Laser geeignet. Metalle können mit CO2-Lasern nur schlecht bearbeitet werden, da die meiste Strahlung reflektiert wird. Durch die kürzere Wellenlänge von Nd:YAG-Lasern haben diese eine größere Wirkung auf das Metall. Dagegen eignen sie sich weniger für die Beschriftung von organischen Materialien, wie Kunststoff, Holz oder Textilien.

Eine interessante Anwendung von Nd:YAG-Lasern ist die Glasinnengravur, also das Gravieren von dreidimensionalen Bildern in einen durchsichtigen Glasbaustein. Glas ist für das Licht von Nd:YAG-Lasern durchsichtig, so dass das Licht im Normalfall dem Glas keinen Schaden zufügt. Erst wenn das Licht an einem bestimmten Punkt fokussiert wird, auf den einzelne Pulse mit hoher Energie gesendet werden, wird dort die Struktur des Glases verändert. Bei Tageslicht sehen wir dann die Struktur, die aus vielen einzelnen, weiß erscheinenden Punkten besteht.