Faserlaser
Das aktive Medium des Lasers ist der dotierte Kern einer Glasfaser. Durch seine Eigenschaften ist er u.a. im Dünnblechbereich prädestiniert, denn er ermöglicht hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und filigranes Schneiden durch geringe Fokusdurchmesser. Mit der verfügbaren Leistung erhöht sich die schneidbare Blechdicke und die Schneidgeschwindigkeit. In der Mikrosystemtechnik und in der Medizintechnik ermöglicht sein Einsatz innovative Anwendungen.
Die Eigenschaften:
- Elektrisch-optische Wirkungsgrade bis > 30 %
- Herausragende Strahlqualität (M² < 1,1 beim Singlemode-Faserlaseraufbau, M² < 1,2 bei Doppelmantelfasern)
- Kompakter, unempfindlicher und wartungsfrei
- Hohe Lebensdauer von mehr als 20.000 Stunden
- Pulsbetrieb bis in den fs-Bereich mit hoher Spitzenintensität
Was ist bzw. kann ein Faserlaser?
- Dominierend im Single-Mode-Bereich.
- Die abgefahrenste Anwendung, die haben wir mit einer Kombination zwischen Faser- und Kurzpulslaser. 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 €.
- Eine Zukunftstechnologie, weil die breitbandig überall eingesetzt werden kann.
- Sie bearbeiten vor allen Dingen hochreflektive Materialien wie Kupfer und Messing und sind einfach für Scanner-Anwendungen einzusetzen. Faser sind für die Anwender nichts, die organische Materialien schneiden oder bearbeiten wollen, wie Holz oder Glas.
- Ist sehr gut geeignet für Schneideapplikationen.
- 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.
- Erreichen häufig nicht ganz die Strahlenqualität 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:
- Angabe in Länge x Winkel
- Winkelangabe in mm x mrad (mrad bezeichnet dabei den Radiant, auch bekannt als Bogenmaß)
Aufbau, Prinzip & Funktionsweise
Der Laser besteht aus
- einer oder mehreren Pump-Laserdioden (Pumpdioden)
- einer Einkoppeloptik (diskret oder an den Mantel angespleißte fasergekoppelte Diodenlaser) und
- einem Resonator
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. Sie liegt bei Singlemode-Fasern bei 10kW und bei Multimode-Fasern bei 50kW.
Durch die Geometrie der Faser bestimmt sie die Strahleigenschaften und Strahlqualität. Dank des Verhältnisses zwischen Oberfläche und Volumen ist für eine gute Wärmeabfuhr gesorgt, weswegen selten eine aktive Kühlung notwendig ist.
Faserlaser Arten
- Festkörper-Laser: Statt einem Laserkristall und Spiegeln wird bei einem Faserlaser-oszillator eine dotierte Faser mit eingebrachten Fiber Bragg Gittern verwendet. Diese reflektieren selektiv die Laserwellenlänge. Dadurch entsteht ohne zu justierende Spiegel eine hohe Stabilität. Zudem werden bis zu 70 % des Pumpdiodenlichts in beugungsbegrenztes Laserlicht übertragen.
- Dauerstrich Faserlaser: Werden entweder als Hochleistungslaser in der Materialbearbeitung (Schneiden, Schweißen von Metallen) oder als Kleinleistungslaser beispielsweise in der Telekommunikation oder Biotechnologie eingesetzt.
- Gepulste Faserlaser / MOPAs: Durch Modenkopplung werden sie im Pulsbetrieb eingesetzt. MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) sind für die Materialbearbeitung im Nanosekunden-Bereich geeignet. Dieser Pulsdauer wird durch den Seedlaser (eine Laserdiode oder auch eine cw-Diode mit elektrooptischem Schalter) und nicht durch die Faserverstärker definiert.
Einsatz
Faser Laser 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.
Einsatzgebiete im Überblick:
- Datenübertragung in Glasfaserkabeln in der Informationstechnologie
- Medizintechnik (siehe auch Anbieter und Hersteller im Bereich 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
- Faserlaser Beschriftung z. B. für Gravuren
- Laserschweißen (ein bekanntes Schweißverfahren)
- Faserlasern keramischer Substrate
Vorteile
Da der Laserstrahl direkt in der Faser erzeugt wird ergibt sich daraus eine hohe Strahlqualität sowie:
- Elektrisch optische Wirkungsgrade > 30 %
- Hohe Effizienz des Koversionsprozesses
- Gute Kühlung durch große Oberfläche
- Kompakter und Wartungsfreier Aufbau / erschütterungsunempfindlich
- Effektive Fertigungstechnologie
- Hohe Strahlqualität M² < 1,2
- Wesentlich höhere Strahlqualität als diodengepumpte konventionelle Festkörperlaser
- Strahlqualität der emittierten Strahlung bis zu 4x besser als die eines Nd:YAG-Lasers
Nachteile
- Diodenlaser hoher Strahlqualität erforderlich
- Keine gute Wirkung von frequenzselektiven Elementen
- Keine hohe Güte des Resonators
- Hoher Anteil verspäteter spontaner Emission
- Begrenzte Laserleistung durch kleinen Querschnitt
- Hohe Schutzmaßnahmen (der Augen) erforderlich
Der Unterschied zum CO2-Laser
Die Vorteile des Faserlasers:
- Wirkungsgrade > 30 % ca. dreimal so gut / bis zu 85 % höhere Effizienz
- benötigt kein Gas
- geringerer Kühlaufwand
- ist kleiner
- geringer Wartungsaufwand (bis zu 20.000 € Einsparung im Jahr)
- verlustarme Weiterleitung über weite Strecken aufgrund der Wellenlänge möglich
- höhere Schnittgeschwindigkeit mit hoher Schnittqualität
- Besseres im Cladding (Ummantelung des Kerns)
Die Nachteile des Faserlasers:
- ungeeignet zum Schneiden von Acryl oder Polycarbonat
- eingeschränkte Anwendung bei Holz und Stoff
- durch die Wellenlänge höhere Schutzmaßnahmen (der Augen) erforderlich
- Dickeneinsatz begrenzt
Quellen
