Faserlaser

Der Faserlaser, eine spezielle Art des Festkörperlasers, erzeugt zunächst einen Laserstrahl mit den gewünschten Eigenschaften und verstärkt ihn anschließend in besonders aufgebauten Glasfasern, denen die dafür benötigte Energie mittels Pumpdioden zugeführt wird. Die grundsätzlich wartungsfreien Faserlaser zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer (> 25.000 Stunden) aus. Darüber hinaus verfügen sie über einzigartige Eigenschaften wie elektrisch-optische Wirkungsgrade von teilweise über 30 Prozent und eine herausragende Strahlqualität. Die Einsatzgebiete von Faserlasern reichen vom Beschriften von Bauteilen über die Datenübertragung bis hin zum Schneiden und Schweißen von Materialien.

Geschichte der Faserlaser

Als Pionier der Faserlaser-Technologie gilt Elias Snitzer, ein US-amerikanischer Physiker, der sich bereits im Jahr 1961 mit der Strahlenausbreitung in Glasfasern beschäftigte. Er erkannte die Vorteile der damit realisierten Glaslaser und verfasste 1988 die erste Beschreibung für einen mantelgepumpten Faserlaser.

Die optischen Leistungen wurden im Zuge der Entwicklung immer weiter gesteigert. Erste kommerzielle Geräte im Watt-Bereich gab es etwa 1990. Die Grundlage hierfür bildeten Erbium-dotierte Faserverstärker, denen ein kleiner Laseroszillator vorgeschaltet war.

Durch die Optimierung der fasergekoppelten Pump-Laserdioden, die Kopplung mehrerer Single-Faserlaser und photonische Strukturen im Laser- und Pumpbereich der aktiven Faser gelang es, mit kontinuierlich arbeitenden Faserlasern Leistungen im Kilowattbereich zu erzielen. Bei der Messe LASER 2005 wurde ein 18-Kilowatt-Faserlaser vorgestellt. Im Jahr 2007 war durch die modulare Architektonik und die daraus resultierende Skalierbarkeit der Leistung bereits die Herstellung eines 36-Kilowatt-Faserlasers möglich.

Aktuelle maximale Ausgangsleistungen von Faserlasern liegen bei 10 Kilowatt im Singlemode und bei 50 Kilowatt im Multimode. Letztere findet beispielsweise im Schiffbau und für militärische Zwecke Verwendung.

Aufbau und Funktionsprinzip eines Faserlasers

Faserlaser bestehen aus mindestens einer Pump-Laserdiode, einer Einkoppeloptik in Form eines diskret oder am Mantel angespleißten fasergekoppelten Diodenlasers, einem Resonator, der Stromversorgung und einer Kühlung für die Laserdiode(n).

Die Faser setzt sich üblicherweise aus mehreren Schichten zusammen. Für den Hauptteil wird meist Quarzglas, z. B. von 0,25 mm Dicke, verwendet, das von einer dünnen Kunststoff-Schutzschicht umgeben ist. Deutlich dünner, z. B. 10 µm, ist der aktive Kern aus dotiertem Quarzglas. Die Lichtführungseigenschaft entsteht dadurch, dass der Brechungsindex der Schichten nach außen hin abnimmt.

Der Resonator besteht entweder aus zwei Spiegeln, zum Beispiel aus den beiden verspiegelten Faserendflächen, oder aus optischen Interferenzfillern, sogenannten Faser-Bragg-Gittern, welche mittels ultravioletter Strahlung in eine angesetzte passive Glasfaser, den Wellenleiter, eingeschrieben werden. Der Vorteil der zweiten Variante besteht darin, dass an den Gittern keine Koppelverluste entstehen und diese ausschließlich die gewünschten Wellenlängen reflektieren. Das ermöglicht einen schmalbandigen Laserbetrieb.

Nach dem Austreten des Laserstrahls aus der aktiven Faser gelangt dieser in eine Glasfaser oder in ein Lichtleitkabel, das eine solche enthält. Diese leitet die Strahlung beispielsweise zur Fokussieroptik einer Laser-Materialbearbeitungsmaschine weiter.

Starke Faserlaser verfügen über eine Laserdiode oder einen kleinen Faserlaser unterschiedlicher Ausführungen als Seedlaser, der die Eingangsleistung für den nachgeschalteten Faserverstärker erzeugt. Durch die Trennung in Seedlaser und Nachverstärkung lässt sich der Laser hinsichtlich der Wellenlängenstabilität, der Strahlqualität sowie der Leistungsstabilität bzw. Pulsbarkeit besser steuern. Häufig befindet sich zwischen Seedlaser und Verstärkerfaser ein optischer Isolator.

Bauformen von Faserlasern

Bei aktuellen Faserlasern handelt es sich meist um eine Kombination aus einem Seedlaser und mehreren Faserlaserverstärkern. Diese sogenannten EDFAs oder YDFAs dienen dazu, das Ausgangssignal eines Laseroszillators Schritt für Schritt zu verstärken. Die erreichbare Laserleistung hängt von der Zerstörschwelle der Endverstärkerfaser ab, die bei Singlemode-Fasern für gewöhnlich 10 Kilowatt und bei Multimode-Fasern 50 Kilowatt beträgt. Wegen des hohen Gains innerhalb der Fasern ist es nötig, Rückkopplungen zu verhindern. Hierfür werden üblicherweise Faraday Isolatoren eingesetzt.

• Gepulste Faserlaser und MOPAs: Für den Pulsbetrieb können Faserlaser gütegeschaltet, modengekoppelt oder als Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) eingesetzt werden. Die MOPA-Variante bietet den Vorteil, dass die Pulsdauer nicht durch die Faserverstärker, sondern durch den Seedlaser definiert wird. Als Seedlaser kommt sowohl eine Laserdiode mit einstellbarer Pulsdauer infrage als auch eine mit einem schnellen elektrooptischen Schalter gekoppelte cw-Diode. MOPA-Designs gewinnen derzeit vor allem im Nanosekundenbereich für die Materialbearbeitung an Bedeutung.
• Dauerstrich-Faserlaser: Dauerstrich-Faserlaser kommen entweder als Kleinleistungslaser in der Telekommunikation oder in der Biotechnologie zum Einsatz oder als Hochleistungslaser in der Materialbearbeitung (Schweißen, Metallschneiden). Gerade im Biotechnologie-Bereich sind derzeit frequenzverdoppelte Faserlaser auf dem Vormarsch, die viele Farben im sichtbaren Spektrum mit passablen Leistungen zur Verfügung stellen. Das spielt beispielsweise eine Rolle bei Anwendungen wie der Flusszytometrie oder der Fluoreszenz-Mikroskopie. Neben klassischen Diodenlasern werden hier vermehrt Faserlaser genutzt, deren Ausgang über sogenannte PPLNs, periodisch gepolte Kristalle, effizient frequenzverdoppelt werden kann. Mit dieser Technik erreichen sie eine deutlich höhere Leistung als herkömmliche Diodenlaser.
• Raman-Faserlaser: Raman-Faserlaser funktionieren ähnlich wie normale optische Verstärker, allerdings bildet bei ihnen der nichtlineare Raman-Effekt die Grundlage. Bei dieser Bauform wird die Energie eines eingekoppelten Pumplichts über eine Faserstrecke auf ein gleichfalls eingekoppeltes Signallicht übertragen. Das Pumplicht agiert mit den Molekülen, wodurch die Pumpfrequenz auf einen energetisch höheren Level angehoben und, im Vergleich zum vorherigen Zustand, eine Inversion generiert wird. Die Strahlung wird durch den Einfluss der stimulierenden Emission mit der Wellenlänge der ersten Stokes-Linie verstärkt und erhält damit eine Leistung, die vergleichbar mit der des Pumplichts ist. Als aktives Medium finden Glasfasern oder Kristalle Verwendung. Raman-Faserlaser kommen als Wellenlängenkonverter in spektralen Bereichen zum Einsatz, in denen für die es bislang keine anderen effizienten Laserquellen gibt. Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten gehören das Hochleistungsschweißen und -schneiden in der Metallbearbeitung.

Vor- und Nachteile von Faserlasern

• Faserlaser punkten vor allem durch die hohe Strahlqualität der produzierten Laserstrahlung, die hohe Effizienz des Konversionsprozesses (optisch-optisch bis über 85 Prozent) und die gute Kühlung aufgrund der großen Faseroberfläche (geringerer Kühlaufwand). Hinzu kommen ein kompakter, wartungsfreier Aufbau, deutlich niedrigere Betriebskosten und eine effektive Fertigungstechnologie durch Nutzung faserintegrierter Komponenten.
• Obwohl sich Faserlasertechnologie in letzter Zeit maßgeblich weiterentwickelt hat, birgt sie immer noch Nachteile, wegen derer sie anderen Lasern in vielen Bereichen derzeit noch unterlegen ist. So muss der Laser in der Regel durch einen Resonator gepumpt werden. Dies erfordert Diodenlaser mit hoher Strahlqualität, die nicht nur sehr teuer sind, sondern auch einem nicht zu vernachlässigenden Verschleiß unterliegen.
• Frequenzselektive Elemente wirken durch die erhebliche Verstärkung der Faser nicht sehr gut. Aufgrund der hohen Auskopplung ist die Güte des Resonators weniger hoch. Außerdem gibt es einen großen Anteil verstärkter spontaner Emissionen (Superstrahlung, Superluminiszenz), welche die maximale Stufenverstärkung begrenzen.
• Der geringe Faserquerschnitt lässt nur begrenzte Höchstleistungen zu. Die Erzeugung von Impulsen minimaler Dauer bewirkt hohe Spitzenleistungen. Allerdings können die dadurch bedingten hohen Intensitäten die Faser zerstören. Der aktive Kern und der Pumpmantel lassen sich durch photonische Strukturen (Lufteinschlüsse) so weit optimieren, dass höhere Leistungen möglich sind. Hierfür sind ein größerer Kerndurchmesser bei gleicher Strahlqualität und ein steigender Akzeptanzwinkel der Pumpstrahlung erforderlich.

Einsatzgebiet eines Faserlasers

• Dank ihres robusten Aufbaus, der hohen Strahlqualität und ihrer Effizienz eignen sich Faserlaser für zahlreiche Anwendungen.
• Modelle mit geringer Leistung lassen sich zur Datenübertragung in Glasfasern verwenden. Die Signalgenerierung erfolgt mithilfe ähnlicher Anordnungen (Faserverstärker).
• Faserlaser mit einer Leistung von einigen Watt dienen beispielsweise medizinischen Zwecken oder werden zum Beschriften von Bauteilen eingesetzt.
• Systeme mit hoher Leistung kommen unter anderem beim Schneiden und Schweißen von Baustahl (bis 20 mm), von Edelstahl (bis 10 mm) und von Aluminium (bis 8 mm) zum Einsatz.

Hersteller von Faserlasern

Einer der renommiertesten Produzenten von Faserlasern ist der Schweizer Werkzeugmaschinenbauer Bystronic. Die Laser dieses Herstellers bieten ausreichend Leistung, um bis zu 30 mm dicken Edelstahl zu schneiden. Zu den bekanntesten Modellen von Bystronic gehört der ByStar Fiber, der einen 10-Kilowatt-Laser besitzt und auch bei hohen Blechdicken eine erstklassige Schnittgenauigkeit erreicht.

Wer einen günstigen Markierlaser mit geringen Abmessungen sucht, wird unter anderem bei der in Rheinland-Pfalz ansässigen Sabko GmbH fündig. Der Sabko-Faserlaser bietet eine Laserleistung von 10 bis 100 Watt und eine lineare Geschwindigkeit von bis zu 10.000 mm/s. Preiswert und kompakt präsentieren sich auch die verschiedenen Modelle der O.R. Lasertechnologie GmbH aus Dieburg, die sich optimal zum Beschriften und Gravieren einsetzen lassen.

Ideal für Beschriftungen und Teilmarkierungen sind auch die Faserlaser von FOBA. Zum Angebotsportfolio dieses Herstellers gehören Laserkomponenten sowie Komplettsysteme mit einer Leistung von 2 bis 50 Watt und einer Wellenlänge von 1036 nm. Die Systeme überzeugen durch einen kamerabasierten Markierprozess, der die Lage des zu bearbeitenden Produkts kontrolliert und das passgenaue Aufbringen der Markierung ermöglicht.

In den USA gibt es ebenfalls einige renommierte Faserlaser-Hersteller, beispielsweise die IPG Photonics aus Oxford, Massachusetts, und die in Plymouth, Michigan, beheimatete ROFIN-SINAR Technologies, Inc. IPC bietet mit seinen Single-Mode-Faserlasern eine Leistung von bis zu 5 Kilowatt. Seine Multi-Mode-Geräte erzielen bis zu 50 Kilowatt. ROFIN produziert Faserlaser mit 100 bis 8000 Watt Leistung, die für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre servicefreundlichen, modular aufgebauten Pumpeinheiten bekannt sind.

Optimale Voraussetzungen zum Schweißen, Schneiden und Beschriften bieten darüber hinaus die Faserlaser des Hochtechnologieunternehmens Trumpf, die eine Leistung von 500 bzw. 1000 Watt erzielen. Schlanke Schweißnähte sind mit diesen Geräten ebenso möglich wie schmale, weniger als 100 µm breite Schnittfugen.

Neue Aspekte über Faserlaser

Derzeit arbeitet das Fraunhofer ILT im Rahmen von Forschungsprojekten an folgenden Faserlaser-Themen:

• Aufbau- und Verbindungstechnik von Faserlaserkomponenten,
• gepulste Faserlaser und Faserverstärker,
• Auslegung und Simulation von Strahlquellen,
• Pumptechnologie sowie
• Faserlaser mit Grundmode-Strahlqualität für den Einsatz im Dauerstrichbetrieb.

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