Pulsdauer beim Laser: Pulsenergie, Spitzenleistung und Wärmeeintrag
Die Pulsdauer beschreibt, über welchen Zeitraum ein einzelner Laserpuls wirkt. Sie beeinflusst, wie schnell Energie in das Material eingebracht wird. Für eine belastbare Prozessbeschreibung genügt dieser Wert allein jedoch nicht: Ein kurzer schwacher Puls und ein kurzer energiereicher Puls besitzen zwar dieselbe Dauer, können aber völlig unterschiedliche Ergebnisse erzeugen.
Pulsdauer, Wiederholrate und Belichtungszeit unterscheiden
Die Pulsdauer gehört zum einzelnen Puls. Die Wiederholrate gibt an, wie viele Pulse pro Sekunde auftreten. Die Verweil- oder Belichtungszeit beschreibt dagegen, wie lange eine Stelle insgesamt bearbeitet wird. Während dieser Zeit können zahlreiche Pulse auf denselben Bereich treffen. Eine in der Software eingestellte Bearbeitungszeit ist deshalb nicht automatisch die optische Pulsdauer.
Übliche Zeiteinheiten sind Millisekunden, Mikrosekunden, Nanosekunden, Pikosekunden und Femtosekunden. Eine Nanosekunde entspricht 10⁻⁹ Sekunden, eine Pikosekunde 10⁻¹² Sekunden. Eine Verwechslung dieser Einheiten verändert das Ergebnis einer Leistungsrechnung um den Faktor 1.000. Angaben sollten daher einschließlich Einheit und Messdefinition dokumentiert werden.
Was FWHM bedeutet
Reale Pulse besitzen häufig keine rechteckige Form. Die optische Leistung steigt an, erreicht ein Maximum und fällt wieder ab. Als Pulsdauer wird oft die volle Breite bei halber Maximalleistung angegeben, abgekürzt FWHM. Schwache zeitliche Ausläufer können außerhalb dieses Bereichs liegen und trotzdem Energie enthalten.
RP Photonics unterscheidet deshalb mehrere Definitionen der Pulsdauer. Zwei Datenblattwerte sind nur sinnvoll vergleichbar, wenn klar ist, welche Definition und Pulsform zugrunde liegen. Die elektrische Ansteuerdauer einer Quelle muss ebenfalls nicht exakt mit der optisch gemessenen Breite übereinstimmen.
Praxisbeispiel: Gleiche Energie, andere Spitzenleistung
Für einen ideal rechteckigen Puls gilt P = E / τ. In einem eigenen Rechenbeispiel werden 0,10 mJ Energie in 100 ns abgegeben. Das entspricht 0,00010 J / 0,00000010 s = 1.000 W. Wird dieselbe Energie in einem ideal rechteckigen Puls von 20 ns abgegeben, ergibt sich 5.000 W.
Die Energie ist in beiden Fällen gleich, wird im zweiten Fall aber in einem Fünftel der Zeit eingebracht. Diese Rechnung ist keine Maschineneinstellung und keine Zusage über den Materialabtrag. Bei einem zeitlich gaußförmigen Puls und einer als FWHM angegebenen Dauer beträgt die Spitzenleistung näherungsweise 0,94 × E / τ. Für die genannten 100 ns wären das rund 940 W. Pulsform und zeitliche Ausläufer dürfen daher nicht stillschweigend ignoriert werden.
Mittlere Leistung und Pulsabstand
Bei gleichartigen Pulsen mit der Energie E und der Wiederholrate f ergibt sich die mittlere Leistung aus Pmittel = E × f. Für 0,10 mJ und 20 kHz sind das 2 W. Der zeitliche Abstand zwischen den Pulsanfängen beträgt 1 / 20.000 s = 50 µs. Diese 50 µs sind der Wiederholabstand, nicht die Pulsdauer von 100 ns.
Wenn eine Quelle ihre mittlere Leistung bei steigender Wiederholrate konstant hält, kann die Energie des einzelnen Pulses sinken. Andere Quellen oder Betriebsarten verhalten sich anders. Ein Versuch, bei dem zugleich Wiederholrate und Pulsdauer geändert werden, ist deshalb nur mit Kenntnis der tatsächlichen Pulsenergie sinnvoll auszuwerten.
Animation: Vier Größen getrennt betrachten
Station 1 von 4
Die Rechtecke sind idealisierte Pulse; reale Dauerangaben können sich auf die halbe Maximalhöhe beziehen.
- Die Rechtecke sind idealisierte Pulse; reale Dauerangaben können sich auf die halbe Maximalhöhe beziehen.
- Die zeitlich integrierte optische Leistung ergibt die Pulsenergie.
- Bei gleicher Energie besitzt ein kürzerer Rechteckpuls eine höhere Leistung. Die Skizze zeigt nur das Prinzip.
- Die Wiederholrate bestimmt den Abstand der Pulsanfänge; sie ist nicht die Pulsdauer.
Eigene Prinzipskizze. „Weiter“ zeigt die Stationen einzeln. „Start“ spielt sie automatisch ab; „Pause“ hält die Animation an. Die Schaltflächen sind auch mit der Tastatur bedienbar.
Warum auch Fokus und Überlappung zählen
Die gleiche Pulsenergie wirkt auf einer kleineren Fläche konzentrierter. Für eine vereinfachte gleichmäßig beleuchtete Kreisfläche mit 50 µm Durchmesser beträgt die Fläche etwa 1,963 × 10⁻⁵ cm². Mit 0,10 mJ ergibt sich eine mittlere Energie pro Fläche von rund 5,09 J/cm². Das ist ein eigenes Geometriebeispiel, kein zulässiger Bearbeitungswert. Ein realer Strahl besitzt eine räumliche Verteilung; eine Angabe zum Strahldurchmesser braucht ebenfalls eine Definition.
Zusätzlich beeinflussen Scangeschwindigkeit und Wiederholrate den räumlichen Pulsabstand. Bei angenommenen 500 mm/s und 20.000 Pulsen/s beträgt er 500 / 20.000 = 0,025 mm. Mehrfaches Überfahren und benachbarte Linien verändern die Gesamtbelastung weiter. Ein nur auf die Pulsdauer reduzierter Vergleich lässt diese Einflüsse aus.
Kurze Pulse sind nicht pauschal wärmefrei
TRUMPF erläutert für Ultrakurzpulslaser, dass die kurze Wechselwirkungszeit eine Bearbeitung mit geringem Wärmeeinfluss ermöglichen kann. Daraus folgt keine allgemeine Garantie für einen kalten Prozess. Material, Absorption, Pulsenergie, Wiederholrate und Überlappung entscheiden mit darüber, wie viel Wärme sich über viele Pulse ansammelt.
Für einen Prozessvergleich werden deshalb neben der Pulsdauer mindestens Wellenlänge, Energie beziehungsweise Leistungsangabe, Frequenz, Fokus, Geschwindigkeit und Anzahl der Überfahrten festgehalten. Bewertet werden beispielsweise Abtragstiefe, Randzone, Verfärbung und die geforderte Maßhaltigkeit. Die freigegebene Betriebsart und das Schutzkonzept der Anlage bleiben verbindlich; wie bei einer Laser-Durchreiche darf eine Parameterbetrachtung nicht von der sicheren Anlagenkonfiguration getrennt werden.
Quellen
Geprüft am 28. Oktober 2026. Zahlenbeispiele sind eigene, vereinfachte Rechenbeispiele.