Was bedeutet „Pulsdauer“?

Pulsdauer (engl. pulse duration, häufig in ns, ps oder fs) ist die Zeitlänge eines einzelnen Laserimpulses. Ein Faserlaser kann statt eines dauernden Strahls viele kurze Lichtblitze senden. Wie lang jeder Blitz dauert, ist die Pulsdauer. Kurz heißt: Energie kommt sehr schnell auf eine kleine Stelle → hohe Spitzenleistung; lang heißt: Energie wird über längere Zeit verteilt → mehr Wärmeeinfluss im Material.^[1]

Warum ist die Pulsdauer beim Faserlaser so wichtig?

Beim Faserlaser bestimmt die Pulsdauer wie die Energie ins Material gelangt:

• Kürzere Pulse (z. B. 10–50 ns oder noch kürzer) liefern bei gleicher Pulsenergie eine höhere Spitzenleistung. Das begünstigt schnelles Abtragen und klare Kanten.^[10]
• Längere Pulse (z. B. 150–500 ns) wirken wärmer: Das Material erhitzt stärker, Schmelz- und Wärmeeinflusszone (HAZ) werden größer. Das kann für Tiefengravur nützlich sein, muss aber sauber parametriert werden.^[3]

Die optimale Pulsdauer hängt von Material, Prozess (Markieren vs. Tiefengravur) und Ziel (Kontrast, Tiefe, Kantenqualität) ab.^[2]

Grundbegriffe: Pulsenergie, Spitzenleistung, Frequenz (ohne Formelkram)

Für das Verständnis reichen drei Beziehungen:

1. Pulsenergie E_p ≈ P_avg / f. (Bei bekannter mittlerer Leistung P_avg und Pulsfrequenz f verteilt sich die Energie auf die Pulse.)
2. Spitzenleistung P_peak ≈ E_p / τ. (Je kürzer die Pulsdauer τ, desto höher die Spitzenleistung bei gleicher Pulsenergie.)
3. Duty Cycle ≈ τ × f. (Anteil der Zeit, in der der Laser „an“ ist.)

Merksatz: Kürzerer Puls → höhere Spitzenleistung → oft sauberere Abtragung bei gleicher mittlerer Leistung. Diese Zusammenhänge sind Standard in Laser-Tutorials (Thorlabs, RP Photonics).^[4][5]

Wärme & Material: was die Pulsdauer bewirkt

Während des Pulses wird das Material erhitzt. Längere Pulse geben dem Material mehr Zeit, Wärme seitlich zu leiten (thermische Diffusion) → größere Wärmeeinflusszone (HAZ), potenziell Schmelzgrate oder Verfärbungen. Kürzere Pulse deponieren Energie schneller als die Wärme sich ausbreiten kann → präziser Abtrag, oft höherer Wirkungsgrad. Studien und Übersichten zeigen: Kürzere Pulsdauern steigern meist die Abtragseffizienz und reduzieren die HAZ.^[6][11][12]

Typische Bereiche der Pulsdauer

• Nanosekunden (ns): gebräuchlich bei industriellen Yb-Faserlasern (Markieren, Gravieren, Reinigen). Viele Quellen bieten Bereiche von ca. ~1–500 ns (teils bis 2000 ns) und Frequenzen von kHz bis MHz.^[7][8]
• Pikosekunden (ps) & Femtosekunden (fs): Ultrakurzpulse mit extrem hoher Spitzenleistung und sehr kleiner HAZ – ideal für Mikrobearbeitung empfindlicher Werkstoffe, aber teurer/komplexer.^[9]

Für viele Metallgravuren liefern ns-MOPA-Faserlaser bereits sehr gute Ergebnisse und bieten ein breites Stellfeld (Pulsdauer, Frequenz).

MOPA-Faserlaser: Pulsdauer aktiv einstellen

Beim MOPA-Faserlaser erzeugt der Master-Oszillator das Pulssignal, die Verstärkerstufe macht es stark. Vorteil: Pulsdauer (z. B. 2–500 ns), Pulsfrequenz (z. B. 20 kHz–1 MHz) und Ausgangsleistung sind gezielt einstellbar. Damit lässt sich die Spitzenleistung formen und die Wärmeeinbringung genau dosieren – z. B. für farbige Anlässe (Edelstahl/Titan) oder Tiefengravuren ohne übermäßige HAZ.^[2]

Praxis: Wie setze ich die Pulsdauer sinnvoll ein?

• Feine Markierung, scharfe Kanten: kürzere Pulse (kleinere τ) → höhere Spitzenleistung, weniger Aufheizung, guter Kontrast.^[10]
• Tiefengravur: Oft mittlere/längere Pulse und niedrigere Frequenz, damit pro Puls mehr Energie im Werkstück ankommt; dabei HAZ beachten und mit Scangeschwindigkeit, Hatch und Fokus gegensteuern.^[6]
• Dünne/empfindliche Schichten (Lack, Oxid, Folien): kürzere Pulse, hohe Spitzenleistung, aber geringe mittlere Leistung → selektiver Abtrag ohne Grundmaterial zu schädigen.

Daumenregeln für Galvo-Markierung:

• Pulsdichte entlang der Bahn ≈ f / v (Pulse pro mm bei f=kHz und v=mm/s). Mehr Pulse pro mm → mehr Energie pro Strecke.
• Energie pro Fläche (Fluenz) steigt mit Pulsenergie, Pulsdichte und kleinerem Spot. Zu viel Fluenz → Schmelzgrat; zu wenig → schwacher Kontrast.

Parameter immer systematisch testen (Matrix aus Pulsdauer, Frequenz, Leistung, Geschwindigkeit, Hatch).^[4]

Häufige Irrtümer

• „Mehr Watt reicht“: Für Markier-/Gravierqualität zählen Pulsdauer, Pulsenergie, Frequenz und Fokus – nicht nur die Nennleistung.
• „Kürzer ist immer besser“: Sehr kurze Pulse (ps/fs) liefern minimale HAZ, sind aber teurer/komplexer. Für viele Metalle sind ns-MOPA ein optimaler Kompromiss.
• „Ein Wert für alles“: Unterschiedliche Metalle/Oberflächen (glänzend, eloxiert, beschichtet) reagieren sehr verschieden – Werte stets materialbezogen ermitteln.

Mini-Formelkarte (optional)

• E_p approx P_{avg}/f (Pulsenergie)
• P_{peak} approx E_p/tau (Spitzenleistung, stark vereinfacht)
• Duty Cycle approx tau cdot f

Diese Näherungen helfen beim Abschätzen, wie sich Pulsdauer auf Spitzenleistung und Wärmeeinbringung auswirkt.^[5]

Weiterführende Hinweise

Für tieferes Verständnis (Modellierung, Messmethoden, reale Datenblätter) lohnt ein Blick in Fach-Tutorials und Herstellerseiten. Dort finden sich Beispiele für erlaubte Pulsdauern, Frequenzen und typische Anwendungen – von Markieren bis Reinigen.^[1][7]

Quellen

1. RP Photonics – Pulse Duration (Grundlagen & Begriffe)
2. IPG Photonics – Fiber Lasers 101 (Pulsbetrieb: Energie, Peak, Dauer)
3. SPIE – Ablationswirkungsgrad vs. Pulsdauer
4. Thorlabs – Puls-Laser: Leistung/Energie/Spitzenleistung (Rechenhilfen, PDF)
5. RP Photonics – Pulse Characterization (Messung & Beziehungen)
6. Spectroscopy – fs vs. ns Pulsdauer in der Ablation (Übersicht)
7. IPG – Infrared Nanosecond Fiber Lasers (0,15–2000 ns; 2–10 000 kHz)
8. IPG – Green/Visible Nanosecond Fiber Lasers (bis 1 ns, bis 1 kW)
9. Coherent – Laser Marking (Kurzpulse & hohe Peakleistungen)
10. IPG – Nanosecond Fiber Lasers (Anwendungen & Eigenschaften)
11. Advanced Engineering Materials 2023 – Effizienz & Pulsdauer bei Stahl
12. MDPI 2024 – Metallbearbeitung mit fs-Lasern (Nonlinearität & HAZ)