Fluenz (Energie pro Fläche bei Lasern)
Fluenz (Energie pro Fläche bei Lasern)
Was bedeutet Fluenz?
Fluenz (engl. Fluence) beschreibt, wie viel Energie pro Fläche ein Laserstrahl auf ein Material überträgt. Sie wird meist in Joule pro Quadratzentimeter (J/cm²) angegeben.
Man kann sich die Fluenz als die Energiedichte eines einzelnen Laserimpulses vorstellen – also wie konzentriert die Energie auf der Oberfläche ankommt. Je höher die Fluenz, desto stärker ist die Wirkung: Gravur, Schmelze, Verdampfung oder sogar Plasmaentstehung.
Die Formel für Fluenz
Die Fluenz ergibt sich aus der Pulsenergie geteilt durch die bestrahlte Fläche:
F = E / A
F = Fluenz (J/cm²)
E = Pulsenergie (Joule)
A = Fläche (cm²)
Beispiel:
Ein Laser mit 0,5 mJ Pulsenergie trifft auf eine Fläche von 0,001 cm² → Fluenz = 0,5 / 0,001 = 500 J/cm².
Fluenz und Leistungsdichte – der Unterschied
- Fluenz (J/cm²) = Energie pro Fläche (typisch für gepulste Laser)
- Leistungsdichte (W/cm²) = Leistung pro Fläche (typisch für Dauerstrichlaser)
Ein Dauerstrichlaser (CW) liefert eine konstante Energieabgabe über Zeit, während ein gepulster Laser in sehr kurzen, intensiven Energieblitzen arbeitet. Daher ist Fluenz besonders wichtig bei gepulsten oder MOPA-Lasern.
Warum Fluenz so wichtig ist
Die Fluenz bestimmt, ob das Material nur erwärmt, verfärbt oder tatsächlich abgetragen wird. Es gibt für jedes Material eine sogenannte Abtragsschwelle – die minimale Fluenz, ab der Materialabtrag beginnt.
- Zu geringe Fluenz → keine Gravur, nur Erwärmung oder Anlassfarbe.
- Genau richtig → saubere Gravur oder Markierung.
- Zu hohe Fluenz → Material spritzt, brennt oder verformt sich.
Die Abtragsschwelle hängt stark vom Material und der Wellenlänge ab. Metalle benötigen oft höhere Fluenzwerte als Kunststoffe oder organische Stoffe.
Fluenz und Pulsdauer
Bei gepulsten Lasern hängt die Wirkung stark von der Pulsdauer ab:
- Lange Pulse (ns–µs): Mehr Wärme → größere Schmelzzone, weichere Gravuren.
- Kurzpulse (ps–fs): Extrem hohe Fluenz → Material verdampft direkt, kaum Wärmeleitung.
Die Kombination aus Pulsenergie und Pulsdauer bestimmt also, ob der Laser eher thermisch (durch Hitze) oder ablativer (durch Verdampfung) wirkt.
Beispiel: Unterschiedliche Fluenz bei CO₂- und Faserlasern
| Laserart | Typischer Strahldurchmesser | Pulsenergie | Fluenzbereich | Typische Wirkung |
|---|---|---|---|---|
| CO₂-Laser | ~100 µm | 0,1–1 mJ | 10–100 J/cm² | Schmelzen, Schneiden, Gravieren (thermisch) |
| Faserlaser (MOPA) | ~30 µm | 0,01–0,5 mJ | 50–1000 J/cm² | Ablation, Anlassfarben, Tiefengravur |
| UV-Laser | ~15 µm | 0,005–0,1 mJ | 10–500 J/cm² | Feinmarkierung, Mikrostrukturierung |
Abtragsschwellen verschiedener Materialien
| Material | Laserart | Abtragsschwelle (J/cm²) |
|---|---|---|
| Aluminium | Faserlaser (1064 nm) | ~1–2 J/cm² |
| Edelstahl | Faserlaser | ~0,5–1,5 J/cm² |
| Kupfer | Faserlaser | ~2–4 J/cm² |
| Holz | CO₂-Laser (10,6 µm) | ~0,1–0,3 J/cm² |
| Acryl | CO₂-Laser | ~0,2–0,5 J/cm² |
| Kunststoff (schwarz) | Faser oder UV | ~0,05–0,2 J/cm² |
Diese Werte sind Richtgrößen. In der Praxis hängt das Ergebnis zusätzlich von Fokus, Geschwindigkeit, Frequenz und Air-Assist ab.
Wie man die Fluenz beeinflussen kann
- Laserleistung: Höhere Leistung = höhere Pulsenergie → höhere Fluenz.
- Fokusgröße: Kleinerer Fokus → höhere Energiedichte → höhere Fluenz.
- Frequenz: Niedrigere Pulsfrequenz = mehr Energie pro Puls → höhere Fluenz.
- Geschwindigkeit: Langsameres Scannen = mehr Pulse pro Fläche → effektive Fluenz steigt.
Diese Parameter wirken zusammen – in LightBurn oder EZCAD kann man sie gezielt kombinieren, um die gewünschte Gravurtiefe zu erreichen.
Fluenz und Tiefengravur
Für [[Tiefengravur (3D-Gravur mit dem Laser)|Tiefengravuren]] ist eine hohe Fluenz entscheidend. Nur wenn die Energie pro Fläche über der Abtragsschwelle liegt, kann Material Schicht für Schicht verdampft werden. Ist die Fluenz zu niedrig, wird das Material nur erwärmt, aber nicht wirklich abgetragen.
Bei Faserlasern kann man durch niedrige Frequenz und hohe Leistung die Pulsenergie erhöhen und damit die Fluenz gezielt steigern.
Gefahren durch zu hohe Fluenz
- Materialschäden: Schmelzspritzer, Mikroexplosionen, ungleichmäßige Gravuren.
- Optikschäden: Wenn Fokuslinse oder [[Schutzlinse (Protective Window / Cover Lens)]] die Energie nicht aushält, kann sie einbrennen.
- Brandgefahr: Besonders bei CO₂-Lasern in Holz oder Papier → Überhitzung.
- Laserstrahlreflexionen: Durch Oberflächensprünge oder Ablation → gefährlich für Laserschutzbrille und Optiken.
Kurz zusammengefasst
Fluenz ist die Energie pro Fläche – also wie konzentriert der Laser seine Energie auf das Material bringt. Sie bestimmt, ob der Laser etwas nur erwärmt, verfärbt oder wirklich abträgt. Hohe Fluenzwerte sind nötig für Tiefengravuren oder präzise Schnitte, während zu niedrige Werte keine Wirkung zeigen. Die Fluenz hängt direkt von Pulsenergie, Fokusgröße und Frequenz ab und ist eine der wichtigsten Größen für jede professionelle Laserbearbeitung.
