Laser existieren zwar schon seit geraumer Zeit, doch ihr Einsatz in kommerziellen Anwendungen ist eine eher neuere Entwicklung. Ingenieure benötigten einige Zeit, um die Leistungsfähigkeit von Lasern so weit zu steigern, dass sie im Hinblick auf Kosten, Zeitaufwand und Bedienkomfort mit herkömmlichen Fertigungsmethoden konkurrieren konnten.
Die Faserlasertechnologie etwa wurde erstmals in den 1960er Jahren entwickelt. Damals befand sich diese Technologie jedoch noch in den Kinderschuhen. Erst in den 1990er Jahren war sie marktreif für kommerzielle Anwendungen. Seither hat sich die Technologie hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und Effizienz enorm weiterentwickelt. Während in den 60ern nur einige zehn Milliwatt erzeugt werden konnten, erreichen moderne Faserlaser heute über 1000 Watt bei gleichbleibend zuverlässigen Eigenschaften.
In diesem Artikel erläutern wir, wie ein Faserlaser funktioniert, wo er eingesetzt wird und warum er häufig die optimale Wahl gegenüber Alternativen darstellt. Doch zunächst klären wir, was ein Faserlaser überhaupt ist.
Faserlaser sind eine Art Festkörperlaser, bei denen optische Fasern als aktives Verstärkungsmedium dienen. In diesen Lasern absorbiert eine Faser aus Silikat- oder Phosphatglas das rohe Licht von Pumpdioden und wandelt es in einen Laserstrahl mit definierter Wellenlänge um.
Dazu wird die optische Faser dotiert. Dotierung bedeutet, dass ein Seltenes-Erden-Element in die Faser eingebracht wird. Je nach eingesetztem Dotierstoff können Laserstrahlen mit einer Vielzahl von Wellenlängen erzeugt werden.
Zu den gängigen Dotierstoffen in aufsteigender Reihenfolge der emittierten Wellenlängen zählen Neodym (780–1100 nm), Ytterbium (1000–1100 nm), Praseodym (1300 nm), Erbium (1460–1640 nm), Thulium (1900–2500 nm), Holmium (2025–2200 nm) und Dysprosium (2600–3400 nm).
Dank dieses breiten Wellenlängenspektrums eignen sich Faserlaser ideal für verschiedenste Anwendungen wie das Laserschneiden, Strukturieren, Reinigen, Gravieren, Bohren, Markieren und Schweißen. Dadurch finden Faserlaser in zahlreichen Branchen Verwendung, beispielsweise in der Medizin, Verteidigung, Telekommunikation, Automobilindustrie, Spektroskopie, Elektrotechnik, Fertigung sowie im Transportwesen.
Schematische Darstellung eines Faserlasers
Ein Faserlaser ist nach seinem aktiven Verstärkungsmedium benannt – der optischen Faser. Jede Faserlasermaschine, die einen gut kollimierten Hochleistungslaserstrahl erzeugt, durchläuft fünf Hauptphasen, die wie folgt aussehen:
Hier gelangt die Energie für den Laserstrahl ins System. Bei Faserlasern dient elektrische Energie als Ausgangsbasis. Sogenannte Pumpdioden wandeln Elektrizität effizient und gezielt in Licht um und erzeugen dabei Licht einer bestimmten Wellenlänge.
Schlechte Laserdioden waren übrigens jahrzehntelang ein bedeutender Hemmschuh für die Entwicklung der Lasertechnologie.
In den meisten Fällen wird das Pumplicht von mehreren Dioden erzeugt und anschließend in das optische Faserkabel eingekoppelt. So gibt es beispielsweise 20-Watt-Lasermaschinen, die das Licht von elf Dioden in einer Faser bündeln.
Ein Koppler vereint das Licht mehrerer Laserdioden. Dieser ist Teil der Faser und besitzt auf einer Seite mehrere Eingänge, an die jeweils eine Einzelfaser angeschlossen wird.
Auf der anderen Seite befindet sich ein einziger Ausgang, der mit der Hauptfaser verbunden ist. Nachdem das Licht gesammelt wurde, gelangt es zum Verstärkungsmedium.
Im nächsten Schritt läuft das Licht der Laserdioden durch die optische Faser zum Verstärkungsmedium. Die Faser besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Kern und dem Mantel. Der Kern aus Silikatglas bildet den Lichtweg, während der Mantel das Licht reflektiert und zurück in den Kern leitet.
Faserlaser verlieren zwar einen Teil ihrer Energie durch Wärme, aber das hervorragende Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ermöglicht eine sehr effiziente Wärmeabfuhr – daraus resultieren minimale wärmebedingte Schäden.
Beim weiteren Lauf durch die Faser erreicht das Licht schließlich den dotierten Bereich, die sogenannte Laserkavität.
Trifft das Licht auf die dotierte Faser, regt es die Atome des Seltenen-Erden-Elements an und hebt deren Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Mit der Zeit entsteht so eine sogenannte Besetzungsinversion, die für die Lasererzeugung notwendig ist.
Unter Besetzungsinversion versteht man einen Zustand, in dem mehr Elektronen des Verstärkungsmediums angeregt sind als nicht angeregt – das Gegenteil des Normalzustands.
Wenn diese Elektronen in tiefere Energiezustände zurückfallen, emittieren sie Photonen einer bestimmten Wellenlänge. Diese Photonen regen wiederum andere angeregte Elektronen zur Emission an und bewirken so den Übergang auf das niedrigere Energieniveau. Dies ist der physikalische Prozess der „stimulierter Emission“, der im Akronym LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist.
Die Elektronen, die in ihren Grundzustand zurückkehren, werden durch das einfallende Licht der Pumpdioden erneut angeregt. Schließlich entsteht ein Gleichgewicht zwischen angeregten und entspannten Elektronen – es fließt kontinuierlich Rohlicht. Dieses muss nun weiterverarbeitet werden, um für Anwendungen nutzbar zu sein.
Bevor das Rohlicht aus dem dotierten Faserbereich verwendet werden kann, muss es verstärkt werden. In Faserlasern geschieht dies durch den Einsatz von Faser-Bragg-Gittern (FBG). Diese ersetzen herkömmliche Spiegel, indem sie als Reflektoren mit variabler Reflexion fungieren.
Das Licht pendelt zwischen den Bragg-Gittern hin und her. Ein Teil des Lichts durchdringt das Gitter in eine Richtung und bildet den eigentlichen Laserstrahl, der Rest wird in die Laserkavität zurückreflektiert. Der entstehende Strahl wird durch einen Oszillator (und ggf. einen Kombinierer) geführt, um die Kohärenz zu verbessern, und schließlich als Ausgangsstrahl ausgekoppelt.
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Verfahren liegt in der Quelle des Laserstrahls. Wie bereits erläutert, besteht das Medium des Faserlasers aus Silikatglas, dotiert mit einem Seltenen-Erden-Element, während der CO2-Laser auf einem Gasgemisch basiert, wobei CO2 den Hauptbestandteil darstellt.
Faserlaser sind CO2-Lasern in fast allen Belangen überlegen – abgesehen von den Anschaffungskosten. CO2-L können viele reflektierende Materialien nicht schneiden, während Faserlaser besonders gut mit diesen umgehen, z. B. Kupfer, Messing, Aluminium oder Edelstahl. Darüber hinaus benötigen Faserlaser weniger Energie, sind effizienter, halbieren die Betriebskosten und arbeiten beim Schneiden dünner Metalle bis zu fünfmal schneller als CO2-Laser.
Beim Schneiden dickerer Materialien (über 5 mm) sind CO2-Laser zwar weiterhin häufig bevorzugt, doch die stetige Weiterentwicklung der Faserlasertechnologie erweitert die Einsatzbereiche kontinuierlich. Daher ist es derzeit sinnvoll, wenn Ihr Laserschneid-Dienstleister Zugang zu beiden Maschinentypen hat, um unterschiedlichste Projekte effizient abzuwickeln.
Ein Faserlaser bietet außerdem eine bessere Strahlqualität, höhere Zuverlässigkeit, einen geringeren CO2-Fußabdruck, kürzere Anlaufzeiten, eine längere Lebensdauer und die Möglichkeit zur Fernbearbeitung. Zudem sind keine Spiegel oder Linsen notwendig, was den Wartungsaufwand weiter reduziert. Die Spiegeljustierung bei CO2-Lasern erfordert hingegen meist Fachkenntnisse oder eine spezielle Schulung.
Auch ist kein keramischer Markierzusatz wie beim CO2-Laser erforderlich. Zwar sind die Anschaffungskosten für Faserlaser höher, langfristig sind sie aufgrund der niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO) jedoch deutlich wirtschaftlicher.
Dank der großen Bandbreite möglicher Ausgangsleistungen kommen Faserlaser in vielen verschiedenen Bereichen zum Einsatz. Einige davon sind:
In der Regel gelten mit Ytterbium dotierte Faserlaser mit einer Emissionswellenlänge von 1064 nm als optimal für Lasermarkierungsanwendungen. Sie können Kunststoffe und Metalle dauerhaft und kontrastreich kennzeichnen. OEMs und Zulieferer benötigen Lasermarkiersysteme zur Teileidentifikation, etwa für Barcodes, Logos oder andere Beschriftungen.
Diese Maschinen sind manuell oder automatisiert erhältlich und können flexibel für kurze Produktionszyklen angepasst werden. Neben der Markierung eignen sich Faserlaser auch für das Anlassen, Ätzen und Gravieren.
Faserlaser entfernen effektiv Lacke, Oxide, Rost und andere Verunreinigungen von Metalloberflächen – dieser Vorgang ist als Laserreinigung bekannt. Die Reinigung kann automatisiert und individuell an verschiedene Anforderungen der Fertigungslinie angepasst werden.
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist das Laserschweißen. Faserlaserschweißen zählt zu den vielversprechendsten und schnellsten wachsenden Technologien, da das Verfahren zahlreiche Vorteile bietet: Laserschweißen ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, Präzision, geringere Verformung, bessere Qualität und Effizienz gegenüber herkömmlichen Methoden.
Das Laserschneiden ist eines der am intensivsten erforschten Anwendungsgebiete von Faserlasern. Es ermöglicht komplexe Schnitte mit herausragender Schnittkantenqualität und eignet sich daher optimal für Bauteile mit engen Toleranzen. Aufgrund der zahlreichen Vorteile wird dieses Verfahren branchenübergreifend zunehmend eingesetzt. Im nächsten Abschnitt betrachten wir diese Vorteile genauer.
Im Vergleich zu anderen Lasertypen besitzt der Faserlaser mehrere Eigenschaften, die ihn für den kommerziellen Einsatz prädestinieren. Diese Vorteile lassen sich in vier Kategorien unterteilen:
