Was ist ein Faserlaser?
Faserlaser sind eine fortschrittliche Technologie, die eine optische Faser als Lasermedium verwendet.
Als Lasermedium wird eine mit seltenen Erden dotierte optische Faser verwendet, die bei einer Grundwellenlänge von 1030-1070 nm schwingen kann. Faserlaser gibt es in zwei Oszillationsarten: kontinuierliche Welle (CW, Continuous Waves) und gepulste Welle. Die kontinuierliche Oszillation hat eine hohe Leistung und wird daher vor allem bei Schweiß- und Schneidprozessen eingesetzt, während die gepulste Oszillation eine niedrige Leistung hat und daher für Markierungen und Mikrofertigung geeignet ist.
Faserlaser zeichnen sich durch höhere Effizienz, Kompaktheit und einfachere Wartung als herkömmliche Festkörper- und Gaslaser aus. Sie haben außerdem den Vorteil, dass die Energie durch eine optische Faser übertragen wird, was zu einem geringen Lichtverlust und einer hohen Ausgangsleistung führt.
Anwendungen von Faserlasern
Die wichtigsten Anwendungen für Faserlaser sind Schweißen, Schneiden, Markieren und Fixieren. Stark reflektierende und schwer zu bearbeitende Materialien wie Aluminium, Kupfer und Messing können mit Faserlasern effizient bearbeitet werden.
Faserlaser haben eine hohe Strahlqualität und lassen sich mit Hilfe von Linsen gut fokussieren, so dass kleine Punktdurchmesser erreicht werden können. Gepulste oszillierende Faserlaser eignen sich auch zum Markieren und können für eine Vielzahl von Materialien wie Metalle, Kunststoffe und Harze verwendet werden.
Einer der Hauptvorteile von Faserlasern besteht darin, dass sie für eine Vielzahl von Markierungsverfahren eingesetzt werden können, z. B. für das Bedrucken von Teilen und das Drucken von Barcodes. Im Einzelnen stehen verschiedene Markierungsverfahren zur Verfügung, darunter Tiefbohren, Schwarzmarkierung, Weißmarkierung und Ablösen von Oberflächenschichten.
Funktionsweise von Faserlasern
Laser bestehen aus einem Resonator, einem Lasermedium, einer Anregungsquelle und einem Resonanzspiegel, die sich grob nach dem Lasermedium einteilen lassen. Es gibt zwei Arten von Lasern: Gaslaser, die ein Gas als Medium verwenden, und Festkörperlaser, die Kristalle verwenden.
Faserlaser verwenden eine optische Faser als Lasermedium. Der Kern ist eine doppelwandige Faser, die mit Seltenen Erden dotiert ist. Der innere Teil der Faser wird als erster Mantel und der äußere Teil als zweiter Mantel bezeichnet, und das durch den LD angeregte Licht wird an der Grenze zwischen diesen beiden reflektiert.
Da das Anregungslicht wiederholt reflektiert wird, wird es vom Kern absorbiert, wo es zu einer induzierten Emission kommt. An beiden Enden der Faser befinden sich Resonanzspiegel, und es wird ein ausreichend verstärktes Licht emittiert. Der Aufbau des Oszillators eines Faserlasers unterscheidet sich je nach Oszillationsmethode.
1. Dauerstrichlaser (CW)
Bei Faserlasern mit kontinuierlicher Wellenlänge gelangt das Licht aus dem Pump-LD über einen Pump-Combiner in den Resonator. Charakteristisch ist hier, dass anstelle von Resonanzspiegeln Faser-Bragg-Gitter (Fiber Bragg Grating) verwendet werden.
Das verstärkte Licht wird durch die Ausgangsfaser übertragen. Da sich im Resonator keine Spiegel befinden, entfällt die Notwendigkeit einer optischen Justierung, und Wartungszeit und -kosten können reduziert werden.
2. Gepulste Oszillation
Eine Struktur von Faserlasern mit gepulster Oszillation ist der MOPA-Typ (Master Oscillator Power Amplifier). Bei diesem Typ wird das Keimlicht (seed light) LD von einem Pulsgenerator gepulst und das Licht in zwei Stufen durch einen Glasfaserverstärker verstärkt.
Der MOPA-Typ hat die Besonderheit, dass die Pulsbreite und die Wiederholfrequenz eingestellt werden können, da sie vom Pulsgenerator gesteuert werden.
Weitere Informationen zu Faserlaser
1. Unterschiede zwischen Faserlasern und CO2-Lasern
Faserlaser benötigen nicht die gleichen elektrischen Kosten für Entladungsvorbereitung und Kühlung wie CO2-Laser. Nach gängigen Schätzungen verbrauchen z.B. CO2-Laser selbst im Standby-Betrieb mehr als 20 KW Strom. Faserlaser können auf einen Stromverbrauch von weniger als 5 KW und damit um etwa 25 % reduziert werden.
Das für CO2-Laser erforderliche Lasergas wird für Faserlaser nicht benötigt. Darüber hinaus ist das optische System eines CO2-Lasers komplex und die Wartungskosten sind über viele Jahre hinweg hoch. Das Prinzip des Faserlasers, bei dem das Licht auf eine Faser fokussiert wird, ermöglicht aufgrund seiner hohen Umwandlungseffizienz kürzere Laserbearbeitungszeiten.
Im Vergleich zu CO2-Lasern können sie etwa fünfmal schneller schneiden. Auf der anderen Seite sind Faserlaser-Bearbeitungsmaschinen immer noch teuer und erfordern eine etwa doppelt so hohe Anfangsinvestition. Außerdem ist es beim Schneiden dicker Metalle schwierig, eine saubere Schnittfläche zu erzielen, weil die Lichtsammlung zu gut ist.
2. Schweißen mit Faserlasern
In den letzten Jahren haben Faserlaser beim Schweißen von Metallen mehr Aufmerksamkeit erregt als die herkömmlich verwendeten CO2-Laser. Der Grund dafür ist die höhere Lichtausbeute des Lasers im Vergleich zu CO2-Lasern, was zu geringeren Betriebskosten führen soll. Ein weiterer Grund ist, dass das Licht in einer Faser gebündelt und fokussiert werden kann und die Emissionsleistung erhöht werden kann, so dass ungleiche Metalle, dicke Metalle usw. in relativ kurzer Zeit geschweißt werden können.
Faserlaser hatten lange Zeit mit Spritzerproblemen zu kämpfen, d. h. mit Metallabfällen, die beim Schweißen verstreut werden, aber dank der jüngsten Verbesserungen in der Laserbearbeitungstechnologie, die zur Entwicklung von Technologien für die Einstrahlung von Lasern mit relativ geringer Leistung in der Nähe des fokussierten Strahls geführt haben, wird dieses Problem jetzt angegangen.