Faserlaser - Funktionsweise und Anwendungsgebiete

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).

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.

Anwendungsbereiche

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.

Vorteile des Faserlasers

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.

Nachteile des Faserlasers

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).

Fazit

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.

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