Faserlaser
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Faserlaser zeichnen sich durch ihre hohe Strahlqualität, Effizienz und Kompaktheit aus. Sie kommen in der Materialbearbeitung zum Einsatz und liefern qualitativ hochwertige Ergebnisse beim Schneiden, Schweißen, Gravieren und Beschriften von Metallen, Kunststoffen und Keramiken. Dank ihrer Präzision und Geschwindigkeit steigern Faserlaser die Produktivität in der industriellen Fertigung. Darüber hinaus profitieren Branchen wie die Medizintechnik, die Telekommunikation sowie die Sensorik von der Robustheit der Faserlaser. Aufgrund ihrer langen Lebensdauer zeichnen sich Faserlaser durch reduzierte Wartungsaufwände und Betriebskosten aus.
Funktionsweise eines Faserlasers
Faserlaser sind spezielle Laser, deren laseraktives Medium im Unterschied zu anderen Lasersystemen eine optische Faser ist. Dabei ist die optische Faser, die den Laserstrahl erzeugt, mit seltenen Erden dotiert. In Abhängigkeit von dem Material, das für die Dotierung verwendet wird, kann ein Faserlaser Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren. Gängige Materialien für die Dotierung sind Ytterbium, Erbium oder Neodym. Die Funktionsweise eines Faserlasers beruht dabei auf diesen drei Phänomenen:
- Pumpen: Mithilfe einer externen Lichtquelle, meist kommt dafür ein Diodenlaser mit Hochleistungsdioden zum Einsatz, wird die dotierte Faser gepumpt. Das Pumplicht regt den dotierten Faserkern zum Leuchten an. Werden die Atome in der Faser durch das Pumplicht angeregt, so springen die Elektronen jeweils auf höhere Energieniveaus.
- Emission: Sobald die angeregten Atome auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurückfallen, emittieren sie Photonen. Die Photonen regen wiederum andere Atome zur Emission an, wodurch mehr und mehr Photonen erzeugt werden.
- Resonator: Die emittierten Photonen durchlaufen den Faserkern und werden durch Faser-Bragg-Gitter am Faserende reflektiert. Bei einem Faser-Bragg-Gitter handelt es sich um einen in den Lichtwellenleiter eingeschriebenen optischen Interferenzfilter, der Wellenlängen innerhalb einer bestimmten Filterbandbreite reflektiert. Die beschriebene Anordnung arbeitet als optischer Resonator: Die Photonen durchlaufen mehrmals die dotierte Faser, treffen auf andere angeregte Atome und lösen die Emission weiterer Photonen aus. Dieser als ‚stimulierte Emission‘ bezeichnete Effekt führt zu einem lawinenartigen Anstieg der Photonen.
Es entsteht folglich ein intensiver, kohärenter Laserstrahl. Über einen teiltransparenten Spiegel wird ein Teil des Laserstrahls ausgekoppelt und steht damit für die Anwendung zur Verfügung. Kohärente Laserstrahlen zeichnen sich dadurch aus, dass alle Lichtwellen in Phase und Richtung übereinstimmen. Da die Wellenberge und -täler der Lichtwellen alle den gleichen Verlauf haben, resultiert daraus ein sehr präziser und starker Laserstrahl.
Die Nutzung einer Faser als aktives Medium eines Lasersystems hat einen entscheidenden Vorteil: Sie bietet für die Wechselwirkung von Licht und Materie eine sehr lange Wegstrecke. Hohe Effizienz und Leistungsdichte sowie eine hervorragende Strahlqualität als Merkmale eines Faserlasers sind die Folge.
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Mehr InformationenDie Wellenlänge von Faserlasern
Die Wellenlänge eines Faserlasers lässt sich durch die Art der Dotierung in der Faser bestimmen. Die Laserwellenlängen reichen in der Regel vom tiefen Ultraviolett bei circa 400 nm bis ins mittlere Infrarot bei 2 bis 5 µm (entspricht 2.000 bis 5.000 nm). Im Bereich von circa 400 – 700 nm sind sie für das menschliche Auge sichtbar.
Gängige Dotierungen sind:
- Ytterbium (Yb): Mit Ytterbium dotierte Fasern emittieren im Bereich von circa 1000 bis 1100 nm im nahen Infrarot. Die Wellenlänge variiert je nach Laserkonfiguration. Sehr häufig ist die Wellenlänge 1040 nm, die für industrielle Anwendungen wie Schneiden, Schweißen oder Beschriften zum Einsatz kommt.
- Erbium (Er): Faserlaser, die mit Erbium dotiert sind, arbeiten im Wellenlängenbereich von 1530 bis 1620 nm im Infrarot. Typisch ist eine Wellenlänge von 1550 nm, die für die Glasfaserkommunikation von großer Bedeutung ist, da sich Licht dieser Wellenlänge bei geringer Dämpfung gut durch Glasfasernetze übertragen lässt.
- Neodym (Nd): Neodym-Faserlaser arbeiten meist bei einer Wellenlänge von 1064 nm im Infrarotbereich.
Weitere zur Verwendung kommende Dotierungen sind beispielsweise Thulium (Tm) sowie Holmium (Ho), die jeweils andere spezifische Wellenlängenbereiche abdecken. Neben der Bearbeitung von Metallen (unter anderem Schneiden und Gravieren) findet der Neodym-Faserlaser in vielen Bereichen wie der Medizin und Medizintechnik Anwendung.
Vorteile von Faserlasern
Faserlaser sind heute eine bedeutende und unverzichtbare Technologie in der Materialbearbeitung, was auf eine Reihe von Vorteilen zurückzuführen ist. Vor allem ihre hohe Effizienz ist beeindruckend. Im Vergleich zu anderen Lasersystemen wandeln Faserlaser einen wesentlich größeren Prozentsatz der eingesetzten elektrischen Energie in Laserlicht um. Geringere Betriebskosten und eine reduzierte Wärmeentwicklung sind die Folge.
Ein weiterer großer Vorteil ist die kompakte Bauweise von Faserlasern: Der Laserstrahl wird in einer optischen Faser erzeugt und geführt. Damit entfallen viele der komplexen und empfindlichen Optiken, die bei anderen Lasersystemen benötigt werden. Faserlaser sind dadurch robust, unempfindlich gegen Vibrationen und einfach in automatisierte Produktionslinien zu integrieren. Auch der Wartungsaufwand ist im Vergleich zu anderen Lasersystemen deutlich reduziert.
Die exzellente Strahlqualität von Faserlasern ist der entscheidende Faktor für Präzisionsanwendungen. Faserlaser sind in der Lage, einen sehr kleinen Fokuspunkt zu erzeugen. Eine hohe Leistungsdichte ermöglicht sehr feine Schnitte, hochpräzise Schweißnähte und detailreiche Gravuren. Insbesondere für die Bearbeitung dünner Materialien sowie für Anwendungen, die eine hohe Auflösung erfordern, eignen sich Faserlaser sehr gut. Faserlaser sind außerdem sehr vielseitig, weil sie eine breite Palette von Materialien bearbeiten können. Dazu gehören Metalle und Kunststoffe aber auch Keramiken. Die emittierte Wellenlänge von Faserlasern weist eine hohe Absorption bei Metallen auf. Damit sind sie ideal für industrielle Anwendungen wie Schneiden, Schweißen und Beschriften.
Um die Einzigartigkeit eines Faserlasers besser zu verstehen, ist der Vergleich mit anderen Lasertypen wie dem Diodenlaser bzw. dem CO₂-Laser hilfreich.
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Faserlaser versus Diodenlaser
Diodenlaser nutzen Laserdioden zur Erzeugung des Laserstrahls. Sie weisen im Vergleich zum Faserlaser eine wesentlich geringere Leistung auf. Die Strahlqualität ist ebenfalls deutlich schlechter. Faserlaser liefern hohe Ausgangsleistungen sowie eine hochwertige Strahlqualität und erfüllen damit die Anforderungen an eine präzise Materialbearbeitung sehr gut. Im Vergleich kommen die kompakten und energieeffizienten Diodenlaser dort für direkte Anwendungen zum Einsatz, wo geringere Leistungen erforderlich sind. Beispiele dafür sind die Kommunikationstechnik oder die Materialhärtung.
Diodenlaser sind deshalb eine sehr gute Ergänzung für Faserlaser, da sie oft als Pumpquellen für Faserlaser dienen: Der Diodenlaser regt das aktive Fasermedium an, damit der Faserlaser den eigentlichen Laserstrahl erzeugen kann.
Faserlaser versus CO₂-Laser
CO₂-Laser gehören zu der Gruppe der Gaslaser. Als aktives Medium nutzen sie eine Gasmischung aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium. CO₂-Laser brauchen einerseits Gase und haben andererseits einen deutlich aufwendigeren Aufbau der Optik. In der Regel ist eine regelmäßige Reinigung bzw. Erneuerung der sensiblen Spiegel erforderlich.
Abhängig von der jeweiligen Anwendung und dem bearbeiteten Material kann ein Faserlaser oder ein CO₂-Laser die richtige Wahl sein. CO₂-Laser emittieren in der Regel im Infrarotbereich bei etwa 10,6 µm. Damit sind sie ausgezeichnet für die Bearbeitung von nichtmetallischen Materialien geeignet. Dazu gehören Holz, Acryl, Papier, Leder und ausgewählte Kunststoffe. CO₂-Laser sind auch gut für dickere Metalle geeignet, falls das Metall eine hohe Absorption der emittierten Wellenlänge aufweist. Faserlaser emittieren dagegen meist im Nah-Infrarotbereich bei circa 1 µm. Bedingt durch die deutlich kürzere Wellenlänge und die höhere Strahlqualität sind Faserlaser daher bei der Bearbeitung von Metallen wie Stahl, Aluminium, Kupfer oder Messing überlegen. Faserlaser zeichnen sich im Vergleich bei der Metallbearbeitung außerdem durch hohe Schnittgeschwindigkeiten, feinere Schnitte und eine höhere Effizienz aus. In der Regel ist für moderne industrielle Anwendungen der Metallbearbeitung der Faserlaser wegen seiner Effizienz, Geschwindigkeit und Wartungsfreundlichkeit die bessere Wahl.
Lebensdauer von Faserlasern
Faserlaser zeichnen sich im Vergleich durch eine sehr hohe Lebensdauer aus. Hochwertige Faserlaser leisten deutlich mehr als 20.000 Betriebsstunden. Manche Hersteller geben über 100.000 Betriebsstunden an. Diese außergewöhnliche Langlebigkeit würde einen Ein-Schicht-Betrieb über mehrere Jahrzehnte ermöglichen.
Dies sind die Gründe für die hervorragende Langlebigkeit von Faserlasern:
- Wartungsarme Bauweise: Im Vergleich zu einem CO₂-Laser mit seinen Turbinen bzw. Pumpen liegen in einem Faserlaser kaum mechanisch beanspruchte Komponenten vor. Daher ist der Verschleiß gering.
- Robustheit: Die optischen Komponenten sind vollständig gekapselt und damit vor Umwelteinflüssen wie Staub bzw. Feuchtigkeit geschützt. Faserlaser weisen auch eine geringe Anfälligkeit für Vibrationen und Temperaturschwankungen auf.
- Geringe thermische Belastung: Die sich entwickelnde Wärme lässt sich effizient über die gesamte Länge der Faser verteilt abführen. Eine deutliche Reduktion für das Risiko von thermischen Schäden an den Komponenten des Lasers ist die Folge.
- Zuverlässige Pumpquellen: Die als Pumpquellen eingesetzten Diodenlaser sind selbst robust und langlebig.
Hohe Effizienz, geringer Wartungsaufwand, zuverlässige Lasertechnologie und lange Lebensdauer: Faserlaser sind eine wirtschaftlich attraktive Investition für Unternehmen jeder Größe im Bereich anspruchsvoller industrieller Anwendungen.
Faserlaser für Laserbeschriftung, Metallgravur & mehr
Faserlaser sind heute ein unverzichtbares Werkzeug in der modernen Industrie. Im Bereich der Laserbeschriftung und Metallgravur ermöglicht die präzise und effiziente Bearbeitung Ergebnisse in beeindruckender Qualität.
Für Laserbeschriftung und Metallgravur kommen dabei in der Regel Faserlaser mit niedriger Leistung zum Einsatz. Anwendungsfelder sind Logos, Seriennummern, Barcodes oder DataMatrix-Codes, die sich dauerhaft und kontrastreich auf nahezu beliebige Oberflächen aufbringen lassen. Geeignete Materialien sind vor allem Metalle wie Edelstahl, Aluminium, Titan und Messing, aber auch bestimmte Kunststoffe und Keramik. Der hochpräzise Strahl ermöglicht feine Details und scharfe Kanten. Damit lassen sich Lasermarkierungen in sehr feiner Auflösung für die Rückverfolgbarkeit von Produkten und die Markenidentifikation dauerhaft und widerstandsfähig realisieren.
Faserlaser sind auch im Bereich der Metallgravur eine ausgezeichnete Wahl. Der energiereiche, kohärente Strahl ermöglicht tiefe und dauerhafte Gravuren auf Metalloberflächen. Die Anwendungen reichen von der Personalisierung von Schmuck bzw. Geschenken über die Herstellung dekorativer Elemente bis hin zur Gravur von Werkzeugen und Maschinenteilen.
Ein weiterer Einsatzbereich für Faserlaser ist das Abtragen von Beschichtungen ohne dabei das Grundmaterial zu beschädigen: Die Faserlaser-Reinigung. Leistungsstarke Faserlaser kommen auch für das Schneiden dünner Metalle zum Einsatz, da sich das Lasersystem durch hoch Schnittqualität und -geschwindigkeit auszeichnet.
