Laser und Impakt: Einrichtung eines neuen Labors für Hochleistungslaseranwendungen

Das Fraunhofer EMI richtet ein neues Labor für Anwendungen in der Lasertechnologie mit leistungsstarken Lasern ein. In dem Labor können neuartige Pulslaseranwendungen sowie Dauerstrichlaseranwendungen entwickelt und getestet werden. Hintergrund ist die dramatische Leistungssteigerung von kommerziell verfügbaren kompakten diodengepumpten Lasern, insbesondere auch mechanisch sehr robusten und einfach einzusetzenden Faserlasern. So hat das Leistungsvermögen von Faserlasern seit dem Jahr 2000 um Größenordnungen zugenommen und liegt nun bei weit über zehn Kilowatt.

Daher hat sich der Einsatz von Lasern beispielsweise im Bereich Maschinenbau und Materialbearbeitung massiv ausgeweitet mit neuen Bearbeitungsverfahren wie Lasercuttern zum Trennen von Werkstoffen oder dem Laserschweißen zum Verbinden von Werkstoffen. Bei all diesen etablierten Formen der Materialbearbeitung wird der Laser auf kurze Entfernungen eingesetzt. Es sind jedoch Laserausführungen mit hoher Strahlqualität, insbesondere Single-Mode-Faserlaser, verfügbar, die einen Einsatz fokussierter Laserwirkung über große Entfernungen zulassen und somit neue Anwendungsweisen ermöglichen. So wurde am Fraunhofer EMI bereits im Rahmen des EU-Sicherheitsforschungsprojekts Encouter untersucht, ob auf Abstand eingesetzte Laserstrahlung geeignet ist, improvisierte Sprengsätze in zivilen Umgebungen neutralisieren zu können. Für einen derartigen Einsatz sind neben der Wirkung auf Explosivstoffe auch Aspekte einer sicheren Einsatzweise mitzubetrachten.

Diesen Trend zur technologischen Verfügbarkeit derartig leistungsstarker Festkörperlaser hat Fraunhofer EMI zum Anlass genommen, im Jahr 2012 die Gruppe Lasertechnologie zu gründen und Anwendungsmöglichkeiten für solche Laser zu betrachten. Eine Anwendung dieser Lasertechnologie stellt auch der 3D-Druck von metallischen Bauteilen dar, die mithilfe sogenannter Lasersinteranlagen hergestellt werden und vom Fraunhofer EMI seit 2013 mitbetrachtet wurde. Dieses Thema hat in der Zwischenzeit eine derart große Nachfrage erfahren, dass zum 1. Januar 2017 aus der Gruppe Lasertechnologie eine zusätzliche Gruppe Additive Design and Manufacturing hervorgegangen ist, die ihre 3D-Druckanlagen in Zukunft in einem als 3D-Druckzentrum konzipierten Labor betreiben kann.

Demgegenüber ermöglicht das neue Hochleistungslaserlabor allgemein die Untersuchung von Fragestellungen zur Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Werkstoffen und Materialien. In den Experimenten erfolgt mit dem Laserstrahl ein gerichteter Energieeintrag in das Target. Mit den verfügbaren leistungsstarken Dauerstrichlasern kann bei Bestrahlungsdauern in der Größenordnung von Sekunden ein Energieeintrag erreicht werden, der mit der kinetischen Energie von Projektilen verglichen werden kann, wie sie von Laborbeschleunigern im Institut bei einem Impakt erreicht werden. Um deutlich zu machen, dass eine derart intensive Einwirkung nicht mehr mit der Bestrahlung eines Objekts, beispielsweise mit einem Laserpointer, ohne Veränderung des Materials verglichen werden kann, kann stattdessen von einem »Laserimpakt« gesprochen werden. Bei dem physikalischen Prozess ist jedoch zu beachten, dass zwar mit Dauerstrichlasern eine hohe Energie in ein Target eingekoppelt wird, jedoch kein Impulseintrag erfolgt, der sonst für die starken mechanische Kräfte bei einem Projektilimpakt verantwortlich ist. Der Laserstrahl trägt lediglich eine vergleichbar hohe Energiemenge als thermische Energie an der Grenzfläche zum Target ein. Je nach Targetmaterial setzen Prozesse wie Ablation, Wärmeleitung, Entfestigung, Aufschmelzen, chemische Reaktionen usw. ein. Nach einer Entfestigung und einem Aufschmelzen können sonst bei einem kinetischem Impakt zu vernachlässigende Kräfte wie Schwerkraft und eine Anströmung das Verhalten des Materials bestimmen.

Je nach Struktur und Aufbau des Targets kann über relativ lange Einwirkdauern bei Dauerstrichlasern eine komplexer Ablauf der Effekte resultieren und stellt qualitativ neue Herausforderungen an Modelle und Simulationen zur Beschreibung derartiger Prozesse.

Im Unterschied zu einem Impaktvorgang ist interessant, dass bei einem Dauerstrichlaserexperiment die Wechselwirkung mit dem Target die Energieeinkopplung bereits während der Bestrahlungsdauer beeinflussen kann. So kann es zum Beispiel, wie in Abbildung 1 gezeigt, zur Bildung einer Plasmadampfwolke an der Oberfläche des Targets kommen, die einen Teil des Laserstrahls absorbiert. Daher ist bereits darauf zu achten, mit welchen Modellen der Energieeintrag zu beschreiben ist.

Bei Pulslasern nutzt man die Bildung einer Plasmadampfwolke und die resultierenden Effekte bereits seit vielen Jahrzehnten experimentell, um Stoßwellen zu erzeugen. Häufig werden hierfür Laser mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden eingesetzt. Der Energieeintrag erfolgt an der Oberfläche des Targets. Das Targetmaterial verdampft und wird in den Plasmazustand überführt, bei dem das Material in teilweise ionisiertem Zustand vorliegt. Es kann ein kurzes Plasmaleuchten beobachtet werden, ähnlich wie das Leuchten eines Impaktplasmas, wie man es oft gut bei dem Hypervelocity-Impakt von Projektilen beobachten kann. In Abbildung 2 wird die Wirkung eines derartigen Laserpulses mit einem Impaktexperiment verglichen.

Ein nützliches Instrument für die wissenschaftliche Analyse der bei diesen Versuchen ablaufenden Prozesse ist die Messung des Zustands der freien Elektronen im Plasma. Am EMI war bereits für den Hypervelocitiy-Impakt ein Beobachtungsansatz zur Messung von Elektronentemperatur und -dichte entwickelt worden. Dieses Experiment konnte erfolgreich auf die Vermessung von laserpulsgeneriertem Plasma übertragen werden. 

 

Wie sehr eine Laserpulswirkung einer Impaktwirkung ähneln kann, wird auch in einem Versuch deutlich, in dem die Laserstrahlung in an Grenzschicht zwischen dem Medium Wasser und einem Metall eingekoppelt wurde, (Vgl. Abbildung 3). Allgemein können Pulslaser eingesetzt werden, um in Laserstoßwellenexperimenten das Verhalten von Materialien bei hohen dynamischen Kompressionslasten zu untersuchen. Von Fraunhofer EMI wurden bereits erste Versuche durchgeführt, wie auch Dauerstrichhochleistungslaser in neuen interdisziplinären Forschungsansätzen zur Charakterisierung von transienten und damit nur sehr eingeschränkt zugängliche Schmelzzuständen eingesetzt werden können.