Faserlaser: Aufbau, Vorteile, Hersteller

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aktualisiert am 15.04.2021 - 09:50:39

Faserlaser sind Glaslaser mit Lichtwellenleiter-Eigenschaften, ein Festkörperlaser bei dem die Laserstrahlung durch eine laseraktive Faser geleitet und verstärkt wird.

Synonym(e): Ytterbium Faserlaser, engl. Fiber Laser





Was ist bzw. kann ein Faserlaser?

Wie haben Experten interviewed (siehe Video). Die Kernaussagen sind:

"Was ist ein Faserlaser?" Experten antworten: Klaus Löffler (TRUMPF), Linda Pabst (Laserinstitut), Eva Schmitt (Rofin), Josef Utz (KUKA), Helge Kügler (Bremer Institut), Stephan Kukla (KEYENCE)
  • die Hauptdomäne ist die mobile Anwendung, weil alles im Glas ist. Z.B. fürs Laserschweißen.
  • dominierend im Single-Mode-Bereich.
  • Die abgefahrenste Anwendung, die haben wir mit einer Kombination zwischen Faser- und Kurzpuls-Laser. Zum Beispiel indem wir in den Himmel strahlen, die Lichtwellenlänge in grün ändern und dann die Wolken anstrahlen, dadurch herausfinden wollen, wie sich die Wetterformation in Zukunft ändert.
  • Einen kleinen Beschriftungslaser gibt es mittlerweile in China für 86,40 €. Das ist ein Direktdioden-Beschriftungslaser.
  • eine Zukunftstechnologie, weil die breitbandig überall eingesetzt werden kann. Es sind hohe Strahlqualitäten möglich und auch sehr hohe Leistungen umsetzbar.
  • sind eine wichtige Ergänzung zu den CO2-Lasern. Sie bearbeiten vor allen Dingen hochreflektive Materialien wie Kupfer und Messing und sind einfach für Scanner-Anwendungen einzusetzen, weil sie die flexible Faser haben. Faser sind für die Anwender nichts, die organische Materialien schneiden oder bearbeiten wollen, wie z.B. Holz oder Glas. Der Faserlaser hat seine Domäne eher bei den Metallen.
  • ist sehr gut geeignet für Schneideapplikationen, weil ich durch eine sehr hohe Strahlqualität einfach einen sehr präzisen Strahl habe und dadurch wenig Material herauslösen muss.
  • man muss man unterscheiden, ob man von fasergeführten Lasern spricht oder von einem Lasergenerator, der über eine Faser generiert wird.
  • auch gerne für Lötapplikationen verwendet.
  • Faserlaser erreichen häufig nicht ganz die Strahlqualität und die Markierqualität, die sie mit einem Hybridlaser erzeugen können.

Physikalische Werte

Der wichtigste physikalische Wert bei einem Laser, stellt das Strahlparameterprodukt (SPP) dar. Damit lassen sich Strahlqualität und Fokussierbarkeit messen. Es werden mehrere Angaben gemacht:

  1. Angabe in Länge x Winkel
  2. Winkelangabe in mm x mrad (mrad bezeichnet dabei den Radiant, auch bekannt als Bogenmaß)

Faserlaser in der Industrie

Faserlaser Laserschneiden von Blech mit Festkörperlasermaschine
Laserschneiden von Blech mit einer Festkörperlasermaschine

Dieser Industrielaser ist eine Ergänzung zum CO2 Laser. Durch seine Eigenschaften ist er für eine Nische im Dünnblechbereich prädestiniert. Er ermöglicht hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und filigranes Schneiden durch geringe Fokusdurchmesser. Mit der verfügbaren Leistung der Laser erhöht sich die schneidbare Blechdicke (siehe Blechbearbeitung) und die Schneidgeschwindigkeit. In der Mikrosystemtechnik und in der Medizintechnik ermöglicht sein Einsatz innovative Anwendungen.

Die speziellen Eigenschaften des Laser

  • Elektrisch-optische Wirkungsgrade bis > 30 %
  • Herausragende Strahlqualität (M² < 1,1 beim Singlemode-Faserlaseraufbau, M² < 1,2 bei Doppelmantelfasern)
  • Kompakter, unempfindlicher und wartungsfreier Aufbau
  • Hohe Lebensdauer von mehr als 20.000 Stunden
  • Pulsbetrieb bis in den fs-Bereich mit hoher Spitzenintensität

Aufbau und Funktionsweise

Ein Faserlaser besteht aus einer oder mehreren Pump-Laserdioden, einer Einkoppeloptik (diskret oder an den Mantel angespleißte fasergekoppelte Diodenlaser) und einem Resonator aufgebaut.

Die Strahlung wird über die Einkoppeloptik des Diodenlasers in seine Faser eingespeist. Durch Totalreflexion wird das Licht im Core geführt. Die Laserverstärkung findet in der Faser (dem Wellenleiter) statt, die das aktive Medium enthält. Zur effizienten Einkopplung des Pumplichts haben sich Doppelcladding-Fasern durchgesetzt. Der laseraktive Kern (bestehend aus dotiertem Quarzglas) wird dabei von einem zweiten, höher brechenden Kern ummantelt, durch welchen die Strahlung von Hochleistungsdioden eingekoppelt wird. Dadurch wird eine lange Wechselwirkungsstrecke der Kernfaser erreicht. Erbium ist das häufigste Dotierungselement für den laseraktiven Faserkern, gefolgt von Ytterbium und Neodym.

Faserlaser sind oft eine Kombination aus Seedlaser und Faserlaserverstärkern (EDFAs oder YDFAs). So wird das Ausgangssignal eines Laseroszillators stufenweise verstärkt. Rückkopplungen durch hohe Gains werden durch Faraday Isolatoren verhindert. Die Verstärkung wird durch die Zerstörschwelle der Endverstärkerfaser limitiert. Sie liegt bei Singlemode-Fasern bei 10kW und bei Multimode-Fasern bei 50kW.

Durch die Geometrie der Faser bestimmt sie die Strahleigenschaften und -qualität, dank des großen Verhältnisses zwischen Oberfläche und Volumen ist für eine gute Wärmeabfuhr gesorgt, weswegen selten eine aktive Kühlung benötigt wird.

Faserlaser Arten

Festkörperlaser

Statt einem Laserkristall und Spiegeln wird bei einem Faserlaser-oszillator eine dotierte Faser mit eingebrachten Fiber Bragg Gittern (FBG) verwendet. Die FBG reflektieren selektiv die Laserwellenlänge. Der direkte Vorteil liegt darin, dass ohne zu justierende Spiegel eine hohe Stabilität entsteht. Zudem werden bis zu 70% des Pumpdiodenlichts in beugungsbegrenztes Laserlicht übertragen.

Dauerstrich Faserlaser

sind Laser die entweder als Hochleistungslaser in der Materialbearbeitung (Schneiden, Schweißen von Metallen) oder als Kleinleistungslaser beispielsweise in der Telekommunikation oder Biotechnologie eingesetzt werden.

Gepulste Faserlaser / MOPAs

Durch Modenkopplung oder Güteschaltung werden Faserlaser für den Pulsbetrieb eingesetzt. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz als MOPA (Master Oscillator Power Amplifier), welche sich besondern für die Materialbearbeitung im Nanosekunden-Bereich durchsetzen. Ihr Vorteil liegt darin, dass die Pulsdauer durch den Seedlaser und nicht durch die Faserverstärker definiert wird. Der Seedlaser kann dabei eine Laserdiode oder auch eine cw-Diode mit elektrooptischem Schalter sein.

Der Raman-Faserlaser

basiert auf dem nichtlinearen Raman-Effekt. Über eine Faserstrecke wird auf ein eingekoppeltes Signallicht die Energie eines ebenfalls eingekoppelten Pumplichts übertragen. Durch die Interaktion mit Molekülen wird die Pumpfrequenz auf ein energetisch höheres Energieniveau angehoben. Somit wird verglichen mit dem vorherigen Zustand eine Inversion erzeugt. Die Strahlung wird mit der Frequenz der ersten Stokeslinie durch den Effekt der stimulierten Emission verstärkt. Sie erhält dadurch eine mit dem Pumplicht vergleichbare Leistung. Als aktives Medium werden Glasfasern oder Kristalle verwendet, wodurch sich ein Raman-Frequenzversatz von ca. 10–15 THz ausbildet. Dadurch besitzt das Ausgangslicht eine ca. 60 nm längere Wellenlänge (bei 1000 nm).

Einsatzbereiche

Faserlaser werden zum Laserschneiden verwendet und können Materialien mit einer Dicke bis 20 mm bearbeiten. Da sie sehr robust sind, eignen sie sich besonders für raue Umgebungen und werden auf großen Maschinen eingesetzt.

Faserlaser der ACI Laser GmbH
Faserlaser der ACI Laser GmbH

Einsatzgebiete im Überblick:

  • Datenübertragung in Glasfaserkabeln in der Informationstechnologie
  • Medizintechnik
  • Beschriftung und Kennzeichnung verschiedener Metall- oder Plastikprodukte
  • Schweißen und Löten
  • Schneiden von Baustahl bis 20 mm, Edelstahl bis 10 mm, Aluminium bis 8 mm
  • Härtung von Metallflächen
  • Laserbeschriften z.B. für Gravuren
  • Laserschweißen

Vorteile

Da der Laserstrahl direkt in der Faser erzeugt wird, bietet der Faserlaser den Vorteil einer hohen Strahlqualität. Weitere Vorteile von Faserlasern sind:

  • Elektrisch optische Wirkungsgrade > 30%
  • Hohe Effizienz des Koversionsprozesses
  • Gute Kühlung durch große Oberfläche
  • Kompakter und Wartungsfreier Aufbau / erschütterungsunempfindlich
  • Effektive Fertigungstechnologie
  • Hohe Strahlqualität der Laserstrahlung, M² < 1,2
  • Wesentlich höhere Strahlqualität als diodengepumpte konventionelle Festkörperlaser
  • Strahlqualität der emittierten Strahlung bis zu 4x besser als die eines Nd:YAG-Lasers
  • Ermöglicht verschiedene Verfahren wie Laserschweißen, Laserschneiden (bspw. Autogenschneiden) oder Laserbeschriften

Nachteile

Trotz der enormen Fortschritte, die die Faserlasertechnologie in den letzten Jahren hatte, hat sie noch immer Nachteile, die den Faserlaser davon abhalten CO2- und andere Laser zu ersetzen. Nachteile des Faserlasers sind:

  • Diodenlaser hoher Strahlqualität erforderlich
  • Keine gute Wirkung von frequenzselektiven Elementen
  • Keine hohe Güte des Resonators
  • Hoher Anteil verspäteter spontaner Emission
  • Begrenzte Spitzenleistung durch kleinen Querschnitt
  • Hohe Schutzmaßnahmen (der Augen) erforderlich

Faserlaser und CO2-Laser im Vergleich

Vorteile gegenüber CO2-Lasern

  • Wirkungsgrade > 30% ca. dreimal so gut wie CO2 Laser
  • bis zu 85% höhere Effizienz gegenüber CO2 Laser
  • benötigt kein Gas
  • geringerer Kühlaufwand
  • kleiner als CO2-Laser
  • geringer Wartungsaufwand (bis zu 20.000 € Einsparung im Jahr)
  • verlustarme Weiterleitung über weite Strecken aufgrund der Wellenlänge möglich
  • höhere Schnittgeschwindigkeit durch bessere Einkopplung des Strahls durch die Wellenlänge
  • durch dünne Schnittspalten für das Abtragen und Schneiden feiner Figuren geeignet
  • Vorteile im Cladding (Ummantelung des Kerns)

Nachteile gegenüber CO2-Lasern

  • ungeeignet zum Schneiden von Acryl oder Polycarbonat
  • eingeschränkter Einsatz bei Holz und Stoff
  • durch die Wellenlänge höhere Schutzmaßnahmen (der Augen) erforderlich
  • Dickeneinsatz begrenzt, da zu wenig Material durch die schmale Schnittspalte ausgeblasen wird

Marktübersicht

Für jeden Anwendungsbereich werden andere Faserlaser mit unterschiedlichen Leistungen und Modulationsraten benötigt für die es Anbieter gibt:

  • TRUMPF bietet Laser zum Schneiden, Schweißen und Beschriften. Die Besonderheiten der Faserlaser von TRUMPF sind schmale Schnittfugen und schlanke Schweißnähte. Trumpf bietet Unterstützung bei der Prozessoptimierung durch eine ausführliche Beratung zu Faserlasern. Weitere Services von Trumpf sind z. B. Monitoring und Analyse, um weitere Potenziale beim Faserlaser-Einsatz zu erkennen.
  • Bystronic bietet High-End-Faserlaser von 3 bis 12 Kilowatt an. Die Faserlaser stehen für präzise Technologie, einen stabilen Schneidprozess bis in höchste Laserleistungen und für ein breites Anwendungsspektrum. Ob Aluminium, Buntmetall oder Stahl: der Bystronic Schneidkopf überzeugt mit höchster Präzision in dünnen und dicken Blechen und Profilen, über den Blechdickenbereich von 3 bis 30 Millimeter. Zudem bietet Bystronic passende Automationslösungen wie Be- und Entladesysteme, Sortierlösungen, unterstützende Software und individuell konfigurierbare Lagersysteme an.
  • Trotec ist Anbieter von Lasermaschinen mit Faserlasern. Hierzu zählen bspw. die MOPA Laser, die auch Metalle oder Kunststoffe beschriften lassen. Dabei können dank verstellbarer Pulsadern die MOPA Laser Faserlaser und Festkörperlaser (nd-Laser) simulieren.
  • IPG Photonics: Lasern, unterschiedlicher Leistungen bis 5 kW mit Single Mode oder bis zu 50 kW mit Multi Mode erreichen. Valentin P. Gapontsev ist der bekannte CEO und Chairman.
  • Jenoptik bietet Faserlaser mit einer Ausgangsleistung von 10 bis 3000 Watt und Modulationsraten bis 10 kHz zum Schneiden, Schweißen und für die Mikromaterialbearbeitung sowie Markierung an.
  • Rofin: 100 bis 8000 Watt Leistung. Diese sollen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, sowie servicefreundliche, modular aufgebaute Pumpeinheiten auszeichnen.
  • ALLTEC/FOBA: Die Faserlaser von FOBA werden zur Beschriftung und Teilemarkierung eingesetzt. Der Hersteller bietet Laserkomponenten und Komplettsysteme mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Leistung zwischen 2 und 50 Watt an. Die Systeme zeichnen sich durch einen kamerabasierten Markierprozess aus, bei dem die Lage des Produkts kontrolliert und die Markierung dadurch passgenau aufgebracht werden kann.
  • Fanuc stellt Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1,070 μm her. Somit eignen sich die Faserlaser von Fanuc besonders für das Schneiden von dünnen Blechen.
  • beLaser :Insbesondere bei Beschriftungsanwendungen kommen Faserlaser zum Einsatz. Neben festen Pulsweiten für klassische Markierprozesse, werden pulsweitenmodulierbare Faserlaser beispielsweise für die Schwarzmarkierung von eloxierten Aluminium verwendet.

Faserlaser kaufen / Preise

Gebrauchte Faserlaser
Natürlich ist es auch möglich gebrauchte Faserlaser zu kaufen. Allerdings ist hier abzuwägen, ob ein auf den ersten Blick gutes Preis-Leistungsverhältnis auch mittelfristig sinnvoll ist. Dafür ist es wichtig zu wissen, welche Geräte im Bereich Faserlaser auch nach Jahren noch zuverlässig sind und präzise Ergebnisse liefern und welche mittelfristig wirtschaftliche Einbußen mit sich bringen. Die meisten Angebote für gebrauchte Faserlaserfinden sich auf maschinensucher.de, cameo-laser.de oder sk-laser.de. Der Kauf gebrauchter neuer Technologie sollte allerdings gut überlegt sein. Mögliche Risiken wie Service-, Garantie- und Gewährleistungsfragen sollten unbedingt bedacht werden.


Je nach Größe, Leistung, Eigenschaften und Hersteller unterscheidet sich der Preis eines Faserlasers. Ein kleiner Beschriftungslaser aus China erhält man bereits für 86,40 Euro. Dieser Wert steigt bei komplexeren Systemen auf bis zu 1 Million Euro an.

Die Geschichte

Der US-amerikanische Physiker Elias Snitzer gilt als Begründer der Faserlaser-Technologie. Schon im Jahr 1961 erkannte er die Vorteile der Strahlausbreitung in Glasfasern. Im Laufe seiner Forschungsarbeiten beschrieb er 1988 erstmals einen mantelgepumpten Faserverstärker.

Die optische Leistung konnte immer weiter gesteigert werden. Erste kommerzielle Geräte auf erbium-dotierter Basis im Watt-Bereich waren um 1990 verfügbar.

Forschung

Forschungspreise auf dem Gebiet Faserlaser:

  • 1999: Thüringer Forschungspreis für angewandte Forschung. Fünf Physiker erhalten ihn gemeinsam für die Entwicklung eines Faserlasers, der erstmals Leistungen über 10 Watt erzeugt und sehr flexibel, zum Beispiel in der Druckindustrie, eingesetzt werden kann. Die Preisträger: Dr. Holger Zellmer (Uni Jena), Dr. Johannes Kirchhof, Dr. Sonja Unger und Volker Reichel (IPHT Jena) sowie Jörn Bonse (BAM Berlin).
  • 2004: Andreas Tünnermann, Stefan Nolte und Holger Zellmer erhalten den zweiten Preis des Berthold Leibinger Innovationspreises für „Hochleistungs-Faserlaser und deren Anwendungen“
  • 2009: Charles K. Kao erhält den Nobelpreis für Physik „für seine bahnbrechenden Erfolge auf dem Gebiet der Lichtleitung mittels Faseroptik für optische Kommunikation“.
  • 2015: Prof. Dr. Andreas Tünnermann hat für die Fortsetzung seiner Arbeiten in der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Faserlaser ein Forschungsstipendium - einen sog. "Advanced Grant" - des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) erhalten. Zwei Millionen Euro stehen ihm in den nächsten fünf Jahren für seine weitere Forschung zur Verfügung.

Forschungsprojekte

Das Fraunhofer Institut ILT arbeitet an folgenden Faserlaser-Themen im Rahmen von Forschungsprojekten:

  • Faserlaser mit Grundmode-Strahlqualität für den Dauerstrichbetrieb
  • Gepulste Faserlaser und Faserverstärker
  • Simulation und Auslegung von Strahlquellen
  • Faserlaserkomponenten – Aufbau- und Verbindungstechnik
  • Pumptechnologie

Die SLV GmbH Halle arbeitet in der Forschung viel mit einem Ytterbium-Faserlaser (kurz: YLS). Einsatz finden Ytterbium-Faserlaser v.a. bei Applikationsuntersuchungen von SLV Halle.


Kann man auch mal "so sehen"; Faserlaser Cartoon: Faserlaser als Schlüsselfinder, Faserlaser als Drachenbezwinger, Faserlaser als Alienbesieger ...

Literatur

  • Zellmer, Holger; Note, Stefan; Tünnermann, Andreas: Faserlaser | Kompakte Kurzpulsquellen mit hoher Pulsenergie und mittlerer Leistung eignen sich für die Materialbearbeitung und eröffnen völlig neue Anwendungen. In: Physik Journal 4, 2005, Nr. 6, S. 29-34
  • Wilken, Tobias: Fiber-based frequency comb system | " In dieser Arbeit wurde ein Yb-Faserlaser entworfen und erstmals zu einem Frequenzkamm inklusive Detektion und Stabilisierung der Offset-Frequenz weiterentwickelt." In: Calibrating Astronomical Spectrographs with Frequency Combs, 10. 11. 2010, S. 31-76
  • Graf, Thomas: Faserlaser | Anschauliche Einführung in die Grundlagen der Lasertechnik. In: Laser: Grundlagen der Laserstrahlquellen, März 2009, S. 151
  • Ebert, Robby: Schweißen mit 3 kW Monomode-Faserlaser | Anlage zur Lasermikrostrukturierung sowie zum Schneiden und Schweißen mit einem 3 kW Monomode- Laser Stand: 21.07.2015
  • Himmer, Thomas: Hochwertig schneiden mit CO2- d Faserlasern | "Faserlaser sind Strahlquellen hoher Leistungsdichte, die das Potential flexibler CNC-Laserschneidsysteme voll zur Geltung bringen." In: Laser + Blech InForm, 3/2007, S. 50-53
  • Bierlich, Jörg u.a.:Entwicklung optischer Großkernfasern für Ytterbium-Faserlaser hoher Pulsenergie, Zur Erhöhung der effektiven Pumplichtabsorption befasst sich die Studie mit der Realisierung und Charakterisierung von optischen Großkernfasern. In: DGaO-Proceedings 114, 22.05.2013
  • F. Schneider: 'Hochgeschwindigkeitsschneiden von Automobilstählen mit Faserlaser In: Jahresbericht 2008, S. 67

Patente

Rund um das Thema existieren auch eine Menge Patente:

Faserlaser-Anordnung hoher Strahlleistung
Die Erfindung betrifft eine Faserlaser-Anordnung hoher Strahlleistung, bestehend aus mehreren kontinuierlich arbeitenden kohärenten Einzelfaserlasern, denen die von einem gemeinsamen in logitudinalem Mode betriebenen Master-Oszillator erzeugte Pumpenergie über einen Faser-Splitter verzweigt verteilt zuführbar ist, wobei jedem Einzelfaser-Laser ein integrierter elektrooptischer Phasenschieber zugeordnet ist, welche über eine Regelelektronik derart steuerbar sind, dass durch geeignete Verschiebungen der optischen Phasen in einzelnen Phasen der Faserlaser-Anordnung eine Kompensation atmosphärischer Turbulenzeffekte auf dem Ausbreitungsweg der Laserstrahlung zu einem Ziel (24) erfolgt, um eine optimale Fokussierung der gesamten Laserstrahlung auf dem entfernten Ziel zu erhalten.
Verbessertes Hochleistungsfaserlasersystem mit schnellem parrallelen Wellenfrontsensor
Mantelgepumpte Faserlaser
Optischer Faserlaser
Verfahren zur Herstellung eines optischen Lichtleiterlasers, wobei das Verfahren den Schritt des Bestrahlens eines optischen Lichtleiters ...
Faserlaser mit Achtercharakteristik für ultrakurze Impulserzeugung
Faserlaser-Anordnung hoher Strahlleistung
Die Erfindung betrifft eine Faserlaser-Anordnung (10) hoher Strahlleistung, bestehend aus mehreren kontinuierlich arbeitenden kohärenten Einzelfaserlasern ...
Weitere Faserlaser-Patente
Es existieren noch viele weitere Patente. Neben den entsprechenden Patent-Datenbanken ist ein erster Ansatz eine Suche in Google und Bing nach 'Faserlaser Patente'.

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