Innovationsmotor Mittelstand – Faserlaser
Bei dem Faserlaser handelt es sich um einen Festkörperlaser. Sein Pump- und Laserlicht wird in Lichtwellenleitern – den Glasfasern – geführt. Der innere Querschnittsbereich der Glasfaser stellt dabei das laseraktive Medium dar. Dort ist ein Element der seltenen Erden zu finden, in der Regel Ytterbium.
Die Laserhersteller in Deutschland stellen in der Regel klassische Unternehmen des Mittelstandes dar und verkaufen ihre Faserlaser in sämtlichen Branchen der Industrie – schließlich gestalten sich die Einsatzbereiche der Faserlaser überaus vielseitig.
Was einen Faserlaser auszeichnet und wo seine spezifischen Vorteile liegen, erklärt der folgende Beitrag.
Hohe Lebensdauer und Robustheit
Bei den Faserlasern erfolgt ihre Energieversorgung über Laserdioden. Das Licht, das diese abgeben, wird an die dotierte Glasfaser über Lichtwellenleiter transportiert. Dadurch, dass es in der Regel keine Freistrahlstrecke für Laser- oder Pumplicht bei den Faserlasern gibt, zeigen sich diese gegenüber Erschütterungen und Verunreinigungen überaus unempfindlich.
Daneben gestaltet sich auch die Lebensdauer der Pumpdioden der Laser relativ hoch, da diese räumlich separiert sind und je einen eigenen Kühlkörper aufweisen.
Die gepulsten Faserlaser
Es existieren sowohl gepulste Faserlaser als auch kontinuierlich emittierende Faserlaser. Für die Gravier- und Markierzwecke sind die gepulsten Faserlaser grundsätzlich wesentlich besser geeignet. Typischerweise betragen ihre Pulsdauern rund 100 Nanosekunden.
In der Bauform „MOPA“ setzen sich die gepulsten Faserlaser aus einem fasergekoppelten Power Amplifier und einem Master Oscillator zusammen. Den Master Oscillator stellt entweder ein Laser-On-A-Chip oder ein Diodenlaser dar. Durch diese werden die Pulse dann in der definierten Form emittiert.
Faserlaser | Foto ©xiaoliangge @adobe.com
Der Laser ist bei dem Laser-On-A-Chip auf nur einem einzelnen Chip zu finden. Die Spiegel, das laseraktive Medium und weitere optische Komponenten folgen in der Regel einem monolithischen Aufbau. Der Verstärker entspricht einer mit Ytterbium dotierten Glasfaser, welche ihre Energie über fasergekoppelte Pumpioden erhält.
Die Anwendungsbereiche der Faserlaser
Typischerweise beträgt die Pulsspitzenleistung der Faserlaser, die für Gravier- und Markieranwendungen eingesetzt werden, zwischen zehn und 20 kW. Die Ausgangsleistung liegt dabei im mittleren Bereich zwischen zehn und 100 W.
Da die Qualität der Strahlen überaus hoch ausfällt und mit einer guten Fokussierbarkeit einhergeht, ist es möglich, auch sehr kleine Strukturen zu gravieren oder hochauflösende Bilder und Beschriftungen mit den Faserlasern zu realisieren.
Die Vorteile der Faserlaser
Dadurch, dass die genutzten Glasfasern eine große Oberfläche bei einem verhältnismäßig kleinem Volumen zeigen, wird eine überaus effektive Kühlung ermöglicht. Der Aufbau gestaltet sich somit sehr kompakt und außerdem wartungsfrei.
Der Wirkungsgrad fällt relativ hoch aus, sodass sich die Kosten für die benötigte Energie niedrig gestalten und nur wenig Abwärme abgegeben wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen YAG Lasern, die in ähnlichen Anwendungsbereichen verwendet werden, fallen auch die Gesamtlebensdauerkosten der Faserlaser geringer aus.
Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Faserlaser im Gegensatz zu den YAG Lasern geringere Pulsspitzenleistungen sowie höhere Pulsdauern generieren. Bei hochqualitativen Tiefengravuren von Metallen und einigen Kunststoffen kann dies im Zuge des Markierens nachteilige Auswirkungen haben.
Daneben wird die Spitzenleistung der Faserlaser durch den geringen Querschnitt der genutzten Glasfasern begrenzt. Findet eine Erzeugung der Pulse mit hoher Pulsenergie bei einer geringen Dauer statt, können so sehr hohe Spitzenintensitäten entstehen, welche die Faser zerstören können.
