Faserlaser.

Der Faserlaser ist ein Festkörperlaser, bei dem Laser- und Pumplicht in Lichtwellenleitern ("Glasfasern") geführt werden. Das laseraktive Medium ist der innere Querschnittsbereich der Glasfaser, die dort mit einem Element der seltenen Erden dotiert ist (häufig Ytterbium).

The fiber laser is a solid-state laser in which laser light and pump light are guided in optical fibers (“glass fibers”). The laser active medium is the internal cross-sectional area of the glass fiber, which is doped with a rare-earth element (often ytterbium).

The energy is supplied by laser diodes, whose light (often 915nm or 977nm) is brought to the doped glass fiber via optical fibers. The optical fibers are interconnected via splicing (welding of glass), i.e. often there are no open beam routes for pump or laser light (see Figure 1). As a result, the fiber laser is relatively insensitive to contamination and vibrations. As the pump diodes are spatially separated from one another and each has its own heat sink, the service life of the pump diodes is high. As long as the peak power of the laser pulses is kept below about 10 – 20kW, this results in a high overall service life of several tens of thousands of hours. There are continuously emitting fiber lasers (“cw” = continuous wave) as well as pulsed fiber lasers. Only pulsed fiber lasers will be discussed below, as they are much better suited for marking and engraving applications. The pulse durations are typically around 100 nanoseconds - shorter pulses of a few nanoseconds are achievable, but only at significantly lower pulse energy.

The pulsed fiber lasers in the “MOPA” design consist of a “master oscillator” (also “seed laser”) and a fiber-coupled “power amplifier”. The former is either a diode laser or a “laser on a chip” with an average power of a few milliwatts to a maximum of about 150mW. The laser emits pulses with a defined pulse shape. The “laser on a chip” houses a laser on a single chip - laser-active medium, reflectors and other optical components are often not only integrated but constructed monolithically. The amplifier consists of a ytterbium-doped glass fiber, which is supplied with energy via fiber-coupled pump diodes. If a laser pulse is to be generated, the pump diodes first charge (population inversion) the amplifier fiber. Before it discharges by spontaneous emission, the seed laser emits a pulse that is amplified a few hundredfold to a thousandfold as it passes through the fiber. The amplification takes place in a single pass (“single-pass amplifier”). The fiber is often in coil form - therefore in a small volume, a large amplifier range and thus high gain can be realized.

Considering their high efficiency, long lifespan, and exceptional precision on metals and plastics, fiber lasers are often a well-suited investment. The benefits in terms of speed, quality, and versatility often justify investing in a high-quality fiber laser, especially for businesses focused on metal processing and high-precision applications. 

If your primary needs involve engraving or marking metals with unparalleled precision and speed, or if you require a robust system with minimal maintenance and a long operational life, a fiber laser is well suited for you. Still, always consider your specific material and application requirements,. Additionally, our experts are always happy to assist you in your decision-making process or answer any questions you might have. 

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The pulse peak power of fiber lasers for marking and engraving applications is typically 10kW - 20kW. This at a mean output power of 10W – 100W. Due to the high beam quality and the associated good focusability, small structures can be engraved or high-resolution markings and images can be marked.

The large surface - and simultaneously low volume - of the glass fibers used allows effective cooling and thus a very compact and maintenance-free structure. The relatively high efficiency (electrical - optical up to more than 20%) ensures low energy costs and low waste heat. Overall service life costs are significantly lower compared to YAG lasers that have been available longer and cover similar applications.

Compared to YAG lasers, fiber lasers have lower pulse peak powers (10-20kW fiber lasers, 30 – 100kW for YAG) and higher pulse durations. This can be detrimental when marking some plastics and in the high-quality deep engraving of metals.

The small cross-section of the glass fibers used limits the peak power of the fiber lasers. If pulses with short duration and high pulse energy are generated, high peak intensities arise, which can lead to the destruction of the fiber (formation of color centers).

Pulsed fiber lasers have at least partially substituted the previously established YAG lasers during the last 10 years. The compact, robust and relatively easy-to-cool structure of the fiber lasers, in combination with a long service life and low overall service life costs, have made this possible. Significant manufacturing processes in the construction of fiber lasers were acquired (adapted) from the telecommunications industry - e.g. splicing, i.e. welding the end faces of two glass fibers, wherein the contact surface has very high purity and low attenuation.

Die Energieversorgung erfolgt über Laserdioden, deren Licht (häufig 915nm oder 977nm) über Lichtwellenleiter an die dotierte Glasfaser gebracht wird. Die Lichtwellenleiter werden via Splicing (verschweissen von Glas) miteinander verbunden, d.h. oft gibt es keine Freistrahlstrecken für Pump- oder Laserlicht (siehe Abbildung 1). Dies hat zur Folge, dass der Faserlaser relativ unempfindlich gegen Verunreinigung und Erschütterungen ist. Da die Pumpdioden zueinander räumlich separiert sind und jede einen eigenen Kühlkörper hat, ist auch die Lebensdauer der Pumpdioden hoch. Solange man die Spitzenleistung der Laserpulse unter etwa 10 – 20kW hält, ergibt sich eine hohe Gesamtlebensdauer von etlichen zig-tausend Stunden. Es gibt kontinuierlich emittierende Faserlaser ("cw" = continous wave) als auch gepulste Faserlaser. Im Folgenden wird nur auf gepulste Faserlaser eingegangen, da sich diese deutlich besser für Markier- und Gravieranwendungen eignen. Die Pulsdauern liegen typisch bei 100 Nanosekunden – kürzere Pulse bis wenige Nanosekunden sind erreichbar, allerdings nur bei deutlich niedrigerer Pulsenergie.

Die gepulsten Faserlaser in der Bauform "MOPA" bestehen aus einem "Master Oscillator" (auch "Seed Laser") und einem fasergekoppelten "Power Amplifier". Ersterer ist entweder ein Diodenlaser oder ein "Laser-on-a-chip" mit einer mittleren Leistung von einigen Milliwatt bis maximal etwa 150mW. Dieser Laser emittiert Pulse mit einer definierten Pulsform. Beim "Laser-on-a-chip" ist ein Laser auf einem einzigen Chip untergebracht - laseraktives Medium, Spiegel und andere optische Komponenten werden oft nicht nur integriert sondern sogar monolithisch aufgebaut. Der Verstärker besteht aus einer Ytterbium dotierten Glasfaser, die über fasergekoppelte Pumpdioden mit Energie versorgt wird. Soll ein Laserpuls generiert werden, so sorgen zuerst die Pumpdioden für ein Aufladen (eine Besetzungsinversion) der Verstärkerfaser. Bevor sich diese durch spontane Emission entlädt, emittiert der Seed Laser einen Puls, der beim Durchgang durch die Faser einige hundertfach bis etwa tausendfach verstärkt wird. Die Verstärkung erfolgt also in einem einzigen Durchlauf ("single-pass amplifier"). Die Faser ist häufig in Spulenform – somit kann in kleinem Volumen eine große Verstärkerstrecke und damit hohe Verstärkung realisiert werden.

Die Pulsspitzenleistung von Faserlasern für Markier- und Gravieranwendungen beträgt typisch 10kW - 20kW. Dies bei einer mittleren Ausgangsleistung von 10W – 100W. Aufgrund der hohen Strahlqualität und der damit einhergehenden guten Fokussierbarkeit lassen sich kleine Strukturen gravieren bzw. hochaufgelöste Beschriftungen und Bilder markieren. Er ist somit für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar.

Die große Oberfläche – bei gleichzeitig geringem Volumen – der eingesetzten Glasfasern ermöglichen eine effektive Kühlung und somit einen überaus kompakten und gleichzeitig wartungsfreien Aufbau. Der relativ hohe Wirkungsgrad (elektrisch – optisch bis über 20%) sorgt für niedrige Energiekosten und wenig Abwärme. Die Gesamtlebensdauerkosten sind deutlich niedriger im Vergleich zu länger verfügbaren YAG Lasern, die ähnliche Anwendungen abdecken.

Faserlaser haben im Vergleich zu YAG Lasern niedrigere Pulsspitzenleistungen (10-20kW Faserlaser, 30 – 100kW für YAG) und höhere Pulsdauern. Dies kann beim Markieren von manchen Kunststoffen und bei der hochqualitativen Tiefengravur von Metallen nachteilig sein.

Der geringe Querschnitt der eingesetzten Glasfasern begrenzt die Spitzenleistung der Faserlaser. Werden Pulse mit geringer Dauer und hoher Pulsenergie erzeugt, entstehen hohe Spitzenintensitäten, die zu einer Zerstörung der Faser führen können (Bildung von Farbzentren).

Gepulste Faserlaser haben mindestens während der letzten 10 Jahre die bis dahin etablierten YAG Laser teilsubstituiert. Der kompakte, robuste und relativ leicht zu kühlende Aufbau der Faserlaser in Kombination mit hoher Lebensdauer und niedrigen Gesamtlebensdauerkosten haben dies ermöglicht. Wesentliche Fertigungsverfahren beim Bau von Faserlasern konnten aus der Telekom-Industrie (adaptiert) übernommen werden – z.B. splicing / spleißen, d.h. das Verschweißen der Stirnflächen zweier Glasfasern, wobei die Kontaktfläche sehr hohe Reinheit und damit geringe Dämpfung aufweist.