DC- und RF-Laserröhren - ein technischer Vergleich

Bei der Anschaffung eines CO₂ Lasers ist wesentlich, welche Art von CO₂ Laser im System verbaut ist. Soll der CO₂ Laser mittels Gleichstrom (DC) oder Radiofrequenz (RF) betrieben werden? Beide Systeme haben ihre ganz eigenen, spezifischen Vor- und Nachteile – und bringen deutliche Preisunterschiede mit sich. Doch wie genau unterscheiden sich bei beiden Systeme eigentlich? Wo liegen die Stärken, wo die Schwächen und natürlich: Welches System eignet sich wofür? Erfahren Sie hier alles über die Unterschiede zwischen DC und RF Laserquellen.

Typisch für Gleichstrom- beziehungsweise DC-Laserquellen ist die Fertigung der Laserröhre aus Glas. In der Glasröhre des DC Lasers befindet sich eine Mischung aus unterschiedlichen Gasen: Stickstoff (mit Abstand höchster Anteil der Gasmischung), Kohlendioxid (als laseraktives Medium), Helium (zum effektiveren Abtransport der Verlustwärme), oft noch Wasserstoff und Xenon. Durch das Anlegen einer Hochspannung an die Elektroden der Röhre beginnt Strom zu fließen. Die Elektroden müssen als Durchführungen durch den Glaskörper ausgeführt sein. Diese Durchführungen sind Schwachstellen des Lasers, da bei Temperaturschwankungen die Dichtheit nur schwer zu gewährleisten ist. Dies, da sich Metalle bei steigender Temperatur stärker ausdehnen als Glas. Glas und Metall üben also bei höheren Temperaturen einen steigenden Druck aufgrund der thermischen Expansion aufeinander aus. Die Dichtung wird daher hohen Kräften ausgesetzt und kann beim Abkühlen (nach vielen thermischen Lastzyklen) eine Leckage zeigen.

Durch den fließenden Strom kommt es zu einer Gasentladung bzw. zur Anregung des Stickstoffes. Dies ist immer der erste Schritt (auch beim RF CO₂ Laser) zur Erzeugung des Laserstrahles. Jeder CO₂ Laser hat natürlich auch einen Endspiegel und einen Auskoppelspiegel und ist als Resonator aufgebaut.

Energietransfers beim Betrieb eines CO₂ Lasers, modellhaft besteht ein Molekül aus Atomen, die über Federn miteinander verbunden sind, CO₂ ist ein dreiatomiges Mokekül – es besteht aus 2 Sauerstoffatomen und einem Kohlenstoffatom, ein Stickstoffmolekül besteht aus 2 Stickstoffatomen, Schritt 1) ist das Anlegen der Hochspannung an die Elektroden (DC Laser) ODER das Ansteuern der Antennen (RF Laser), alle Prozesse danach sind für DC und RF ident

Bezeichnend für DC-Lasermaschinen ist die Kühlung mittels Wasser, was einen überaus ruhigen Betrieb der Geräte ermöglicht. Durch die Wasserkühlung erzielt man darüber hinaus eine konstante Temperierung des Lasers – was die Lebensdauer der ansonsten doch recht empfindlichen Geräte wesentlich verlängert. Apropos Lebensdauer: Die durchschnittliche Lebenserwartung einer DC Laserröhre liegt bei rund zwei Jahren. Ist die Röhre defekt, muss sie ersetzt werden. Die geringe Lebenserwartung wird durch einen überaus günstigen Anschaffungspreis ausgeglichen. Der große Vorteil von DC-Systemen liegt in den niedrigen Investitionskosten. Die etwas geringere Strahlqualität im Vergleich zu RF angeregten Lasern spielt beim Schneiden von Textilien, Leder und Folien eine meist zu vernachlässigende Rolle. Geringe Leistungen unter 20 % der Nominalleistung lassen sich bei DC-Geräten hingegen nicht zuverlässig kontrollieren bzw. emittieren. In diesem Bereich ist ein RF-Laser aktueller Bauart klar im Vorteil, der Leistungsverläufe mit hoher Linearität von etwa 2% - 100% ermöglicht.

RF-Laser werden durch von Antennen abgestrahlte Leistung mit Energie versorgt ("gepumpt"). Da sich die Anregungsfrequenz (typisch: 86 MHz und 48 MHz) im Bereich der Radiofrequenzen befindet, steht "RF" für "radio frequency". Die Radiofrequenz sorgt für Anregung der Stickstoffmoleküle (Vibration). RF Laser lassen sich mit deutlich höheren Wiederholraten (wie viele Pulse werden in einer Sekunde abgegeben) im Vergleich zu DC Lasern betreiben (maximal 50 kHz – 150kHz für RF, maximal wenige kHz für DC). Dies ermöglicht schnelle Gravuren / Beschriftungen, bei denen jedes kontrastierende Pixel einen einzelnen Laserpuls benötigt. Wird der Laserresonator als Aluminiumoxid-Keramik ausgeführt, so hat dies den Vorteil, dass dieses Material einen vernachlässigbaren Wellenwiderstand für die Anregungsfrequenz hat. Der Resonator kann also verlustarm gepumpt werden. Da die Antennen außerhalb des Resonators sind, gibt es im Resonator auch keine Durchführungen, die problematisch für die Gasdichtheit sind.

RF-Laserquellen können mit hoher Wiederholrate betrieben werden und haben eine geringe Leistungsdrift im Betrieb. Darüber hinaus haben sie höhere Strahlqualität.

Muss beispielsweise Papier beschriftet werden, wird die Leistung auf einen niedrigen Wert eingestellt. Die durchschnittliche Lebensdauer von RF-Laserröhren liegt bei einem Erwartungswert von etwa sechs Jahren. Danach wird ein Austausch gegen eine neue oder aufbereitete Laserquelle nötig. Bei Keramikröhren ist Verunreinigung des Gasgemisches durch von außen einströmende Luft selten bis nie der Fall. Oft kann die volle Laserleistung durch Nachstellen der Leistungselektronik (Frequenz für den Antennentreiber nachjustieren) oder durch Austausch eines defekten Boards (Defekt typischerweise eines Leistungsverstärkers) wieder erreicht werden.

Wie so oft im Leben gibt es auch auf die Frage, welche Laserquelle nun die bessere ist, keine eindeutige Antwort. DC-Laserquellen sind die eindeutig günstigere Wahl, wenn man die Anschaffungskosten vergleicht. Allerdings ist hier auch bereits nach nur zwei Jahren ein Austausch angesagt, während RF-Laserquellen fast dreimal so lange im Einsatz verbleiben können.

Der Grund für die eklatanten Unterschiede in der Haltbarkeit liegt im verwendeten Material der Laserröhren. Bei DC-Systemen setzt man hier auf vergleichsweise sprödes, bruchempfindliches Glas, während bei RF-Systemen ein deutlich robusterer Aufbau aus Metall und Keramik zum Einsatz kommt.

Neben den Anschaffungskosten spielt aber vor allem der spätere Einsatzzweck die wichtige Rolle. Sollen häufig Materialien mit eher geringer Präzisionsanforderung geschnitten werden, empfiehlt sich ein Laser mit DC-System. Diese Systeme haben sich für die Textilindustrie in Niedriglohnländern bewährt, weil ein größerer Schnittspalt (wegen der geringeren Strahlqualität) irrelevant ist. Die geringe Lebensdauer und auch nicht vorhersehbare Maschinenstillstände machen DC Systeme allerdings untauglich für automatisierte Fertigungslinien.

RF Laser: Hier kann von etwa 2% - 100% Leistung reproduzierbar abgerufen werden. Für die Gravur filigraner Elemente, in der Medizin- oder Kosmetikbranche ist dies unabdingbar. Hier kann die Leistung des Lasers präzise auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst und vor allem im niedrigen Leistungsbereich optimal kontrolliert werden. So lassen sich präziseste Gravuren anfertigen oder unerwünschte Körperbehaarung leicht und schmerzfrei entfernen.