Faserlaser.

• Definition: Festkörperlaser, bei denen das Laserlicht in optischen Glasfasern geführt wird, die typischerweise mit seltenen Erden dotiert sind.
• Stärken: Herausragende Präzision, hohe Effizienz, Vielseitigkeit und Robustheit.
• Anwendungen: Feine Gravuren und Markierungen
• Vorteile: Kompakte Bauweise, energieeffizient, lange Lebensdauer, geringer Wartungsaufwand, berührungsloser Prozess
• Einschränkungen: Weniger geeignet für organische Materialien wie Holz, transparente Materialien (z. B. klares Glas) oder bestimmte Kunststoffe

Die Lasertechnologie hat die Materialbearbeitung in der Fertigung und im Design grundlegend verändert. Unter den verschiedenen Lasertypen zeichnen sich Faserlaser durch ihre Präzision, Effizienz und Flexibilität bei der Markierung aus. Dieser Leitfaden erklärt die Funktionsweise von Faserlasern, ihre Vorteile, typische Einsatzbereiche sowie wichtige Sicherheitsaspekte, die bei der Auswahl eines neuen Lasers zu beachten sind.

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Ein Faserlaser ist ein Festkörperlaser, bei dem sowohl das Laserlicht als auch das Pumplicht in optischen Glasfasern geführt werden. Das aktive Medium des Lasers ist der innere Querschnitt der Glasfaser, der häufig mit einem seltenen Erdelement wie Ytterbium dotiert ist.

Im Detail liefern Laserdioden die Energie, indem sie Licht (z. B. mit Wellenlängen von 915 nm, 977 nm oder 1064 nm) über optische Fasern in die dotierte Glasfaser einspeisen. Diese Fasern werden durch Spleißen – ein Glas-Schweißverfahren – miteinander verbunden, wodurch offene Strahlwege für Pump- oder Laserlicht vermieden werden. Das macht Faserlaser besonders widerstandsfähig gegenüber Verunreinigungen und Vibrationen.

Die meisten Faserlaser für Gravur- und Markieranwendungen sind gepulste Faserlaser, oft mit einem sogenannten MOPA-Design (Master Oscillator Power Amplifier). Diese Verstärkung in einer einzigen Durchlaufphase innerhalb einer aufgewickelten Faser ermöglicht einen großen Verstärkungsbereich und hohe Leistung auf kleinem Raum.

Gepulste Faserlaser verfügen typischerweise über eine Spitzenimpulsleistung von 10 kW bis 20 kW und eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 10 W bis 100 W. Damit eignen sie sich hervorragend für eine Vielzahl präziser Anwendungen. Ihre hohe Strahlqualität und exzellente Fokussierung ermöglichen zahlreiche Einsatzmöglichkeiten:

• Komplexe Gravuren und Markierungen: Faserlaser sind besonders leistungsfähig bei der Erstellung dauerhafter, kontrastreicher Markierungen auf Metallen, bestimmten Kunststoffen und Keramiken. Die Gravur und Markierung feinster Muster in hoher Auflösung ist problemlos möglich – ideal für Designs, Texte, Logos oder Seriennummern. Auch Tiefengravuren stellen dank der hohen Leistungsdichte kein Problem dar. Deshalb reicht das Anwendungsspektrum der von Trotec hergestellten Faserlaser von der Schmuckindustrie bis hin zur Automobilbranche.

• Weitere Einsatzbereiche von Faserlasern: Darüber hinaus können bestimmte Faserlaser auch zum Schweißen oder zur Oberflächenreinigung eingesetzt werden. Sie finden zunehmend Anwendung in weiteren industriellen Bereichen.

Bei der Auswahl eines Lasersystems stößt man auf verschiedene Technologien – die richtige Wahl für den jeweiligen Anwendungsfall kann herausfordernd sein. Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Unterschiede:

Faserlaser vs. CO₂-Laser

• Geschwindigkeit & Materialien: Mit einer Wellenlänge von 1,064 µm erzeugen Faserlaser einen extrem kleinen Fokusdurchmesser. Dadurch ist ihre Intensität bei gleicher durchschnittlicher Ausgangsleistung bis zu 100-mal höher als die eines CO₂-Lasers. Faserlaser sind daher ideal für das Anlassen von Metallen, Metallgravuren und kontrastreiche Kunststoffmarkierungen.
  CO₂-Laser hingegen arbeiten mit längeren Wellenlängen und eignen sich hervorragend zum Schneiden, Gravieren und Markieren nichtmetallischer Materialien wie Holz, Acryl, Leder, Papier, Textilien und Glas.
• Präzision & Strahlqualität: Faserlaser bieten in der Regel eine höhere Präzision und feinere Strahlqualität, was zu glatteren Schnittkanten bei Metallen führt.
• Wartung & Lebensdauer: Faserlaser haben eine längere Lebensdauer und benötigen weniger Wartung, da sie berührungslos arbeiten und keine Verschleißteile enthalten.

Faserlaser vs. Nd:YAG-Laser

• Anwendungsbereiche: Gepulste Faserlaser haben klassische YAG-Laser in vielen Bereichen ersetzt, insbesondere bei der Markierung und Gravur. Sie sind besser geeignet für industrielle Metallbearbeitung und schnelle Produktionsprozesse.
• Pulsleistung: YAG-Laser können höhere Spitzenleistungen (30–100 kW) erreichen, verglichen mit 10–20 kW bei Faserlasern.
• Benutzerfreundlichkeit: Faserlaser punkten mit kompakter Bauweise, hoher Robustheit, langer Lebensdauer und besserer Wirtschaftlichkeit.

Faserlaser vs. Diodenlaser

• Material- und Anwendungsvielseitigkeit: Faserlaser arbeiten typischerweise bei 1064 nm – eine Wellenlänge, die von Metallen stark absorbiert wird. Sie sind daher ideal für die Markierung von Metallen und bestimmten Kunststoffen.
  Diodenlaser arbeiten meist bei 450 nm (blaues Licht) oder im Bereich von 808–980 nm (Infrarot), je nach Typ. Blaue Dioden eignen sich gut für organische Materialien wie Holz, Leder und einige Kunststoffe – und können auch bestimmte Metalle markieren. Diodenlaser bieten daher eine größere Materialvielfalt, während Faserlaser auf spezielle Anwendungen in Metall- und Kunststoffmarkierung fokussiert sind.
• Tiefengravur auf Metallen: Faserlaser sind für Tiefengravuren auf Metallen geeignet – Diodenlaser erreichen diese Gravurtiefe nicht.
• Budget: Diodenlasersysteme (wie z. B. der Speedy 100 cross) bieten oft eine größere Markierfläche zu einem günstigeren Preis als viele Galvo-Faserlasersysteme.

Energieversorgung und Aufbau von Faserlasern

Die Energie wird durch Laserdioden bereitgestellt, deren Licht (häufig mit Wellenlängen von 915 nm oder 977 nm) über optische Fasern zur dotierten Glasfaser geleitet wird. Diese Fasern sind durch Spleißen (Verschweißen von Glas) miteinander verbunden – es gibt also meist keine offenen Strahlwege für Pump- oder Laserlicht (siehe Abbildung 1). Dadurch sind Faserlaser relativ unempfindlich gegenüber Verunreinigungen und Vibrationen.

Da die Pumpdioden räumlich voneinander getrennt sind und jeweils über eigene Kühlkörper verfügen, ist ihre Lebensdauer besonders hoch. Solange die Spitzenleistung der Laserpulse unter etwa 10–20 kW bleibt, ergibt sich eine hohe Gesamtlebensdauer von mehreren zehntausend Betriebsstunden.

Es gibt sowohl kontinuierlich strahlende Faserlaser („cw“ = continuous wave) als auch gepulste Faserlaser. Im Folgenden wird ausschließlich auf gepulste Faserlaser eingegangen, da diese sich deutlich besser für Markier- und Gravuranwendungen eignen. Die Pulsdauern liegen typischerweise bei etwa 100 Nanosekunden – kürzere Pulse von wenigen Nanosekunden sind möglich, allerdings nur mit deutlich geringerer Pulsenergie.

MOPA-Design: Aufbau und Funktionsweise

Gepulste Faserlaser im sogenannten MOPA-Design bestehen aus einem „Master Oscillator“ (auch „Seed Laser“ genannt) und einem fasergekoppelten „Power Amplifier“. Der Master Oscillator ist entweder eine Laserdiodenquelle oder ein „Laser-on-a-Chip“ mit einer durchschnittlichen Leistung von wenigen Milliwatt bis maximal etwa 150 mW. Er erzeugt Pulse mit definierter Pulsform.

Ein „Laser-on-a-Chip“ integriert das laseraktive Medium, Reflektoren und weitere optische Komponenten auf einem einzigen Chip – oft sogar monolithisch aufgebaut.

Der Verstärker besteht aus einer mit Ytterbium dotierten Glasfaser, die über fasergekoppelte Pumpdioden mit Energie versorgt wird. Um einen Laserpuls zu erzeugen, laden die Pumpdioden zunächst die Verstärkerfaser (Population Inversion). Bevor diese durch spontane Emission entlädt, sendet der Seed Laser einen Puls aus, der beim Durchgang durch die Faser um das Hundert- bis Tausendfache verstärkt wird.

Die Verstärkung erfolgt in einem einzigen Durchgang („Single-Pass Amplifier“). Die Verstärkerfaser ist häufig in Spulenform angeordnet – so lässt sich in kleinem Volumen ein großer Verstärkungsbereich und damit eine hohe Verstärkung realisieren.

Ein wesentlicher Vorteil von Faserlasern ist ihre beeindruckende Lebensdauer. Die räumlich getrennten Pumpdioden, die jeweils über eigene Kühlkörper verfügen, tragen maßgeblich zur hohen Lebensdauer dieser kritischen Komponenten bei.

Faserlaser erreichen in der Regel eine Gesamtbetriebsdauer von 50.000 bis 100.000 Stunden, bevor größere Wartungsmaßnahmen oder ein signifikanter Leistungsverlust auftreten. Diese außergewöhnlich lange Lebensdauer macht Faserlaser zu einer klugen und nachhaltigen Investition, insbesondere für Unternehmen, die auf zuverlässige, wartungsarme und langlebige Lasersysteme setzen.

Faserlaser überzeugen durch eine Vielzahl von Eigenschaften, die sie besonders attraktiv für industrielle und professionelle Anwendungen machen:

• Schnelle und hochwertige Markierungen: Besonders auf Metallen und Kunststoffen liefern Faserlaser präzise und kontrastreiche Ergebnisse – ideal für Seriennummern, Logos oder feine Gravuren.
• Hohe Präzision bei feinen Details: Dank ihrer exzellenten Strahlqualität ermöglichen Faserlaser auch sehr feine und detaillierte Markierungen mit hoher Wiederholgenauigkeit.
• Kompakte und wartungsfreie Bauweise: Die große Oberfläche und das geringe Volumen der Glasfasern sorgen für eine effektive Kühlung. Das Ergebnis ist ein kompaktes, robustes und nahezu wartungsfreies System.
• Energieeffizienz: Faserlaser erreichen eine elektrische-optische Effizienz von über 20 %. Das bedeutet geringere Energiekosten und weniger Abwärme im Betrieb.
• Geringere Gesamtkosten
• Im Vergleich zu älteren YAG-Lasern sind die Betriebskosten von Faserlasern bei ähnlichen Anwendungen deutlich niedriger – ein klarer wirtschaftlicher Vorteil auf lange Sicht.
• Widerstandsfähigkeit gegenüber Verunreinigungen: Die interne Führung von Pump- und Laserlicht innerhalb der optischen Fasern – ermöglicht durch präzises Spleißen – verhindert offene Strahlwege und macht das System äußerst resistent gegenüber Staub und anderen Umwelteinflüssen.

Trotz ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten stoßen Faserlaser bei bestimmten Materialien an ihre Grenzen:

• Transparente Materialien: Materialien wie klares Glas sind für Faserlaser problematisch. Ihre Wellenlänge wird von transparenten Materialien kaum absorbiert, was zu schlechten oder gar keinen Gravur- bzw. Schneidergebnissen führt.
• Holz: Aufgrund seiner organischen und ungleichmäßigen Struktur ist Holz für Faserlaser ungeeignet – insbesondere beim Schneiden oder Tiefengravieren. Hier sind CO₂-Laser die bessere Wahl.
• Bestimmte Kunststoffe: Zwar lassen sich viele Kunststoffe gut markieren, da die Pigmente im Material eine Farbveränderung bewirken (dunkle Pigmente → helle Markierung, helle Pigmente → dunkle Markierung).
• Allerdings sind einige Kunststoffe aufgrund ihrer Hitzesensibilität nicht geeignet – das hängt stark von der jeweiligen Zusammensetzung ab.
• Materialien mit Risiko für Faserschäden: Sehr kurze Pulse mit hoher Energie können extrem hohe Spitzenintensitäten erzeugen, die innerhalb des kleinen Querschnitts der Glasfaser sogenannte „Farbzentren“ bilden und die Faser beschädigen können.
• Andere ungeeignete Materialien: Materialien, die gesundheitsschädliche Stoffe freisetzen, sollten niemals mit einem Laser bearbeitet werden. Dazu zählen z. B.:
  • Chrom(VI)-haltiges Leder
  • Kohlefaser
  • PVC, PVB, PTFE (Teflon)
  • Berylliumoxid
    Die Bearbeitung dieser Stoffe kann giftige Dämpfe freisetzen und stellt ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko dar.

Faserlaser erzeugen intensive Strahlung, die gesundheitsschädlich sein kann. Daher ist Sicherheit oberstes Gebot beim Umgang mit Lasersystemen. Die wichtigsten Punkte im Überblick:

• Augen- und Hautschutz: Direkter Kontakt mit dem Laserstrahl kann schwere und dauerhafte Augenschäden sowie Hautverbrennungen verursachen.
• Bei Trotec Lasern ist jedoch keine zusätzliche Schutzbrille erforderlich, da ausschließlich Laser der Laserklasse 2 verwendet werden – diese gelten als sicher bei normaler Nutzung.
• Rauch und Partikel: Beim Schneiden und Beschriften entstehen Rauch, Staub und feine Partikel. Eine geeignete Absaugung und Belüftung ist daher unerlässlich, um Gesundheitsrisiken durch Einatmen zu vermeiden und ein sicheres Arbeitsumfeld zu gewährleisten.
• Brandgefahr: Die hohe Hitzeentwicklung kann leicht brennbare Materialien entzünden. Der Arbeitsbereich sollte daher frei von entzündlichen Stoffen gehalten werden.

Die Einhaltung dieser Vorsichtsmaßnahmen sowie strikter Sicherheitsprotokolle ist entscheidend, um sowohl den Bediener als auch Personen in der Umgebung zu schützen.

Dank ihrer hohen Effizienz, langen Lebensdauer und außergewöhnlichen Präzision bei der Bearbeitung von Metallen und Kunststoffen sind Faserlaser häufig eine sehr gute Investition. Die Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Qualität und Vielseitigkeit rechtfertigen die Anschaffung eines hochwertigen Faserlasers – insbesondere für Unternehmen, die sich auf Metallbearbeitung und präzise Markierungen spezialisieren.

Wenn Ihre Hauptanforderungen darin bestehen, Metalle schnell und präzise zu gravieren oder zu markieren, oder wenn Sie ein robustes System mit minimalem Wartungsaufwand und langer Betriebsdauer benötigen, ist ein Faserlaser sehr gut geeignet für Sie.

Dennoch sollten Sie stets Ihre spezifischen Materialien und Anwendungen berücksichtigen. Unsere Experten beraten Sie gerne bei der Auswahl des passenden Lasersystems und beantworten Ihre Fragen.

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