Lichtes Kraftpaket

Wenn Sie Ihre Taschenlampe nur für eine Sekunde anschalten und in den Himmel richten, erreicht ihr Strahl bereits den Mond. Wie schnell müssten Sie die Lampe an- und ausschalten, damit ihr Strahl kürzer wäre als die Dicke eines menschlichen Haares? Mit dem Daumen ist es jedenfalls nicht zu schaffen. Ultrakurze Strahlen oder Pulse dieser Größenordnung werden von sogenannten Femtosekundenlasern emittiert, die das gebündelte Laserlicht in komprimierte Wellenpakete von hoher Energie aufteilen. Mit ihnen lässt sich jedes Material – von der Hornhaut des menschlichen Auges bis zur superharten Keramik – mikrometergenau bearbeiten. Der französische Hersteller von Präzisionsgeräten ISP System produziert die Aktoren, mit denen die Prismen, Spiegel und Filter in solchen Hochleistungslasern exakt ausgerichtet werden, damit die Lichtpulse in der richtigen Stärke an die richtige Stelle gelangen. Für den zuverlässigen Antrieb sorgen dabei die Schrittmotoren von FAULHABER.

Stimulierte Strahlung

Wie ein Laser funktioniert, erklärt im Prinzip schon das Wort, denn es ist ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission). Etwas vereinfacht erklärt wird das Licht im Laser durch Energiezufuhr und optische Tricks verstärkt und gebündelt. So kommt der feine aber kräftige Strahl zustande, der CDs und Strichcodes auslesen, Krebsgeschwüre behandeln oder Metall schweißen kann. Für die optischen Tricks werden unter anderem Prismen, Filter und Spiegel benötigt, die den Strahl zerlegen, auf bestimmte Wellenlängen konzentrieren und zur Verstärkung viele Male zwischen zwei Spiegeln hin- und herlaufen lassen. Während der konstante Strahl etwa eines Laserpointers vergleichsweise schwach ist, wird die Energie in gepulsten Lasern durch die Manipulation der Frequenzen und die Verzögerung des Lichtlaufs in kleinen Paketen hochgradig komprimiert.

Kürzer geht es kaum

In der Forschung werden bereits Laser eingesetzt, deren Pulse sich im Bereich von Attosekunden (0,000 000 000 000 000 001 Sekunden = 10-18 sec) bewegen. Mit ihren ultrakurzen Pulsen kann man selbst extrem schnelle dynamische Vorgänge im Atomkern beobachten. Für den Einsatz in der Industrie oder in der Medizin dürfen die Pulse den Bruchteil eines Wimpernschlages länger sein. Eine Femtosekunde (10-15 sec) ist der billiardste Teil einer Sekunde. In diesem Bruchteil eines Wimpernschlags durchmisst das Licht gerade einmal eine Strecke von 0,3 Mikrometern – ein menschliches Haar ist etwa zweihundertmal so dick. Femtosekundenlaser sind heute Stand der Technik und werden in vielen Bereichen verwendet. Dazu gehören unter anderem die Multiphotonmikroskopie, die Mikrochirurgie, die Bearbeitung von feinsten Strukturen zum Beispiel in der Medizintechnik, die chemische Analyse oder die fälschungssichere Mikromarkierung.
Der Femtosekundenlaser kann bis zu hundert Millionen Laserpulse pro Sekunde erzeugen. Wo diese Pulse auftreffen, hat die beschossene Materie keine Zeit zu schmelzen – sie geht unmittelbar in den gasförmigen Zustand über und kann einfach abgesaugt werden. So lassen sich feinste Schichten auf wenige Millionstel Millimetern (Nanometer) genau abtragen. Dabei entstehen keine gratbildenden Schmelzreste, und das benachbarte Material erwärmt sich praktisch nicht. Materialeigenschaften wie Homogenität, Absorptionsfähigkeit, Verdampfungstemperatur oder Härte spielen praktisch keine Rolle – mit dem Laser kann man auf praktisch alles feuern.

Antriebsvarianten

Diese „kalte Bearbeitung“ hinterlässt keine Rückstände und beeinträchtigt die Qualität des Werkstücks nicht. Es kommt nur auf die richtige Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie, Taktfrequenz und der richtigen Fokussierung an, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Und hier kommen die Aktoren von ISP System ins Spiel. Sie bewegen die Prismen, Filter und Spiegel im Innern des Lasers, die dem Lichtpuls seine genau definierte Qualität verleihen. Drei verschiedene Antriebsarten kommen dafür in Frage: elektromagnetisch, piezoelektrisch oder mechanisch. „In manchen Einsatzgebieten, wie etwa der Forschung, können die ersten beiden Antriebsarten ihre besonderen Stärken ausspielen, doch im industriellen Alltag sind mechanisch angetriebene Aktoren in vielerlei Hinsicht überlegen“, sagt Sébastien Theis von ISP System und fügt einschränkend hinzu: „Sofern die Qualität der Geräte stimmt und erstklassige Motoren verwendet werden. Sie müssen nämlich sehr genau arbeiten, ihre Steuerung darf aber nicht zu komplex sein.“

Der Laser wird für CEM-Tests im Versuchslabor eingesetzt.

Überlegene Mechanik

In eben diesem Punkt haben piezoelektrische und elektromagnetische Antriebe einen entscheidenden Nachteil: Sie erreichen ihre hohe Präzision nur in einem geschlossenen Regelkreis. Das heißt, dass eine Messeinheit (Sensor) nötig ist, welche die Bewegung erfasst, die Werte an die Steuerung übermittelt, die wiederum die Bewegung nachregelt. Der geschlossene Regelkreis bedeutet eine relativ große Komplexität und erfordert zusätzliche Elektronik. Das macht die Lösung nicht nur teurer, sondern auch wesentlich komplexer und klobiger.
Schrittmotoren können dagegen auch im offenen Regelkreis zuverlässig betrieben werden, kommen ohne Sensor aus und sind schon deshalb kompakter. „Der Motor selbst zählt die Schritte mit, daraus lässt sich eine genaue Positionsbestimmung ableiten. Dank der Qualität der FAULHABER-Motoren können wir uns darauf verlassen, dass kein Schritt verlorengeht, solange keine Hindernisse im Weg sind. Es genügt aber selbst dann, den Antrieb in die Nullposition zurückzufahren, um eine sichere Kalibrierung zu bekommen,“ erklärt Sébastien Theis.

Unbeirrbar auch ohne Strom

Ein weiterer Vorteil des Schrittmotors ist, dass er seine Position auch ohne Stromzufuhr verlässlich hält. Das ist beim Betrieb in der geschlossenen Laserbox deshalb von Bedeutung, weil jeder Laserpuls mit einer elektromagnetischen Entladung einhergeht. Ein geschlossener Regelkreis aus Aktor, Sensor und Steuerung kann nur bei Stromzufuhr funktionieren. Die Entladung kann dann in einer solchen Einheit Störungen verursachen. Das wiederum kann dazu führen, dass etwa ein Kippspiegel aus seiner vorgegebenen Position gerät. Für die Präzision des Lasers wäre das fatal, etwa wenn er zur Korrektur der Hornhaut eines kurzsichtigen Auges eingesetzt wird. Mit dem stromlos feststehenden Schrittmotor ist diese Störung zum Glück ausgeschlossen.
Neben diesen bauartbedingten Eigenschaften und der hohen Qualität gab es weitere Gründe, warum man sich bei ISP System für Motoren von FAULHABER entschieden hat: „Wir haben keinen zweiten Hersteller gefunden, dessen Produkte sich so leicht und schnell an unsere Anforderungen hätten anpassen lassen. Wir können aus einer unvergleichlich breiten Palette von Motoren und Getrieben auswählen. Darüber hinaus ist FAULHABER in der Lage, Motoren nach unseren Anforderungen spezifisch zu entwickeln. Dank kurzer Lieferzeiten können wir sehr schnell auf die Wünsche unserer Kunden reagieren. Und wir haben immer hochkompetente Ansprechpartner, die unsere Technologie kennen und zu ihrer Weiterentwicklung beitragen,“ erläutert Sébastien Theis.

Femtosekundenlaser sind heute Stand der Technik und werden in vielen Bereichen verwendet.
Bis zu hundert Millionen Laserpulse pro Sekunde