Sicherheits- und Verteidigungsforschung im neuen Hochleistungslaserlabor

Von der Sicherheitsforschung und Wehrtechnik bis zum Meteoritenimpakt

Neue Untersuchungsmöglichkeiten im neuen Hochleistungslaserlabor am Fraunhofer EMI

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Abbildung 1a: Hochgeschwindigkeitsaufnahme von einer Metallprobe während der Laserbestrahlung. Frontalansicht einer Bestrahlung mit einer Leistung von fünf Kilowatt und einem Strahldurchmesser von 28 Millimetern.

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Abbildung 1b: Hochgeschwindigkeitsaufnahme von einer Metallprobe während der Laserbestrahlung. Seitenansicht einer Bestrahlung mit zehn Kilowatt und einem Strahlungsdurchmesser von 2,6 Millimetern.

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.

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Abbildung 2: Die Entstehung einer Dampf- beziehungsweise Plasmawolke beeinflusst die Energieübertragung vom Laserstrahl auf die Metallprobe und führt bei hohen Laserintensitäten zu einer Abnahme der effektiven Absorptivität.

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Abbildung 3: Simulation des zeitlichen Temperaturverlaufs an der Rückseite einer Metallplatte während der Lasereinwirkung.

Generell ist für alle Arten von Laseranwendungen die Frage nach dem Energietransfer vom Laserstrahl an die bestrahlte Probe von grundlegendem Interesse. Physikalisch wird der Anteil der übertragenen Energie als effektive Absorptivität bezeichnet. Exemplarische Laboruntersuchungen am Fraunhofer EMI haben gezeigt, dass die effektive Absorptivität bei Laserintensitäten, wie sie im statischen Versuch in Abbildung 1a vorlegen in der Größenordnung von 60 Prozent liegen kann. Die Messreihe in Abbildung 2 zeigt jedoch, dass bei sehr hohen Intensitäten unter Umständen deutlich geringere Werte gemessen werden. Die Ursache für die Abnahme liegt in der Wechselwirkung des Laserstrahls mit der expandierenden Dampf- beziehungsweise Plasmawolke, in der ein Teil der eintreffenden Laserenergie absorbiert wird. Dies führt zu einer Abnahme der Leistung des Laserstrahls an der Oberfläche der Probe und damit auch zu einer Verringerung der Heizrate. In den neu eingerichteten Laboren können die Dynamik dieser Prozesse sowie die intensitätsabhängigen Materialparameter mit neuer Messtechnik wissenschaftlich untersucht und die daraus gewonnenen Erkenntnisse für die Optimierung von Laserprozessen genutzt werden.

Darüber hinaus finden die aus derartigen Untersuchungen bestimmten Materialeigenschaften auch Anwendung in Computersimulationen, welche am EMI für die Berechnung thermischer Prozesse bei der Laserwirkung entwickelt werden. Damit kann zum Beispiel die Erwärmung eines Werkstücks bei der Laserbearbeitung in Abhängigkeit der Laserparameter unter Berücksichtigung von Energieeinkopplung, Wärmeleitungsprozessen sowie Phasenübergängen (Schmelzen und Verdampfen des Materials, siehe auch Abbildungen 1a und 1b) für spezifische Materialien und Probengeometrien berechnet werden. Als einfaches Beispiel zeigt Abbildung 3 den zeitlichen Temperaturverlauf während der Laserbestrahlung an der Rückseite einer Metallplatte, bei dem unter anderem auch der Einfluss des Phasenübergangs auf den Temperaturanstieg bei Aufschmelzen der Probe sichtbar wird. In Abbildung 4 wird anhand eines zylindrischen Probenkörpers illustriert, dass die Temperaturverteilung auch in komplizierten Geometrien mit gekrümmten Oberflächen modelliert werden kann.

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Abbildung 4: Simulationsergebnisse zur Einwirkung eines intensiven Laserstrahls auf einen zylindrischen Probenkörper aus zwei Perspektiven. Links: Temperaturverteilung an der Oberfläche, rechts: Temperaturverlauf im Innern der Probe.