Von der Sicherheitsforschung und Wehrtechnik bis zum Meteoritenimpakt
Neue Untersuchungsmöglichkeiten im neuen Hochleistungslaserlabor am Fraunhofer EMI
Leistungsfähige Laser haben sich im Bereich der industriellen Materialbearbeitung zu unentbehrlichen Werkzeugen entwickelt, mit welchen Prozesse wie Schweißen, Schneiden oder Bohren schnell und mit hoher Präzision durchgeführt werden können. Neben diesen etablierten Verfahren werden am Fraunhofer EMI auch neue Einsatzmöglichkeiten von Hochleistungslasern untersucht. Das Spektrum reicht von neuen Anwendungen in der Sicherheitsforschung über wehrtechnische Anwendungen bis hin zu Untersuchungen der Vorgänge in geologischen Materialien bei Meteoritenimpakt. Dabei spielt die Fähigkeit von Laserstrahlung, Energie über große Distanzen gerichtet zu transportieren, eine Rolle. So wurde bereits gemeinsam mit internationalen Partnern im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte das Potenzial des Lasers für die sichere Entschärfung von Sprengsätzen auf Entfernung demonstriert. Der Vorteil bei der Anwendung des Lasers besteht darin, dass die Entschärfung durchgeführt werden kann, ohne dass sich Personen in der Nähe der Sprengsätze aufhalten müssen. Das Verfahren trägt daher in besonderem Maße zur Erhöhung der Sicherheit von Entschärferteams bei. Zusätzlich werden am Fraunhofer EMI Softwaretools für die Bewertung der Sicherheit beim Lasereinsatz entwickelt, mit denen Einsatzkräfte mögliche Gefährdungsbereiche identifizieren und vorab Maßnahmen für eine sichere Laseranwendung vorbereiten können. Mit der Einrichtung eines neuen Laserlabors im Neubau des Fraunhofer EMI in Freiburg sind nun die Forschungsmöglichkeiten für die Entwicklung neuer Anwendungen leistungsfähiger Laser erheblich erweitert worden. Dies betrifft insbesondere die Fähigkeit, die teilweise sehr komplizierten Vorgänge bei der Laserwirkung in Abhängigkeit von den Strahlparametern im Labor mit spezieller Hochgeschwindigkeitsmesstechnik im Detail zu untersuchen. Diese Beobachtungen können zur Entwicklung von Computermodellen für die Vorhersage des Prozessverlaufs bei der Laserwirkung benutzt werden. Für die experimentellen Untersuchungen stehen neben einem Hochleistungslaserlabor und einem Pulslaserlabor mit dazugehörigem Kontrollraum auch ein Applikationslabor zur Vorbereitung von Proben und zur Entwicklung und Erprobung neuer Messtechnik zur Verfügung.
Als Beispiel für die bei der Laserwirkung in Abhängigkeit von den Strahleigenschaften auftretenden Prozesse zeigen die Abbildungen 1a und 1b zwei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Metallproben während der Lasereinwirkung mit unterschiedlichen Prozessparametern. Die obere Aufnahme zeigt die Vorgänge bei einer Laserleistung von fünf Kilowatt mit einem Strahldurchmesser von 28 Millimetern. Im Hochgeschwindigkeitsvideo kann zunächst der schnelle Abtrag einer dünnen Schicht der Oberfläche, gefolgt vom Aufschmelzen des Materials im Bereich des Laserstrahls beobachtet werden. Im Gegensatz dazu ist der Energieeintrag im unteren Bild mit einer Laserleistung von zehn Kilowatt und einem Strahldurchmesser von 2,6 Millimetern räumlich wesentlich stärker konzentriert und führt zu einem schnellen Anstieg der Temperatur über den Siedepunkt des Metalls hinaus, gefolgt von der Entstehung einer expandierenden Dampf- beziehungsweise Plasmawolke, die durch den Laserstrahl weiter aufgeheizt und dabei teilweise ionisiert wird.