Glasfaser-Laser: Alles, was Sie wissen müssen

Glasfaser-Laser sind in der modernen Welt allgegenwärtig. Aufgrund der verschiedenen Wellenlängen, die sie erzeugen können, werden sie in der Industrie häufig zum Schneiden, Beschriften, Schweißen, Reinigen, Texturieren, Bohren und vielem mehr eingesetzt. Sie werden auch in anderen Bereichen wie der Telekommunikation und der Medizin eingesetzt. 

Glasfaser-Laser verwenden ein Glasfaserkabel aus Quarzglas, um das Licht zu leiten. Der resultierende Laserstrahl ist präziser als bei anderen Lasertypen, da er gerader und kleiner ist. Außerdem haben sie einen geringen Platzbedarf, einen guten elektrischen Wirkungsgrad, geringen Wartungsaufwand und niedrige Betriebskosten. 

Wenn Sie alles über Glasfaser-Laser erfahren möchten, lesen Sie weiter. 

• Wann wurde der Glasfaser-Laser erfunden?
• Welche Arten von Glasfaser-Lasern gibt es?
• Was ist der Unterschied zwischen Glasfaser-Lasern und CO2-Lasern?
• Was ist ein Glasfaser-Lasergerät?
• Wie lange ist die Lebensdauer eines Glasfaser-Lasers?
• Wie funktioniert ein Glasfaser-Laser (und was sind seine Bestandteile)?
• Was sind die Laserparameter?

Wann wurde der Glasfaser-Laser erfunden?

Elias Snitzer erfand 1961 den Glasfaser-Laser und demonstrierte 1963 seine Anwendung. Ernsthafte kommerzielle Anwendungen kamen jedoch erst in den 1990er Jahren auf.

Warum hat es so lange gedauert? Der Hauptgrund ist, dass die Technologie für Glasfaser-Laser noch in den Kinderschuhen steckte. Beispielsweise können Glasfaser-Laser nur einige zehn Milliwatt emittieren, während die meisten Anwendungen mindestens 20 Watt erfordern. Es gab auch keine Möglichkeit, hochwertiges Pumpenlicht zu erzeugen, da die Laserdioden nicht so gut funktionierten wie heute.

Im Folgenden werden einige Schlüsselmomente in der Geschichte der Glasfaser-Lasertechnologie beschrieben, die bis ins Jahr 1917 zurückreichen, als Albert Einstein die Grundlagen dafür schuf. 

• 1917: Stimulierte Emissionen werden entdeckt (Albert Einstein). 
• 1957: Der theoretische Rahmen für den Laser wird entwickelt (Gordon Gould). 
• 1960: Der erste Laser – ein Rubinlaser – wird gebaut (Ted Maiman). 
• 1960: Zum ersten Mal werden Dauerstrich-Laserstrahlen erzeugt.
• 1960: Der Begriff „Faseroptik“ wird geprägt (Narinder Kapany).
• 1961: Optische Moden in Glasfasern werden erfunden (Elias Snitzer). 
• 1962: Q-Switching, eine Technik zur Erzeugung gepulster Laserstrahlen, wird demonstriert (Robert W. Hellwarth und R.J. McClung). 
• 1963: Der erste Glasfaser-Laser wird vorgeführt (Elias Snitzer). 
• 1964: Es wird eine Methode entdeckt, um Verunreinigungen aus Glasfasern zu entfernen und damit den Lichtverlust zu begrenzen (Charles Kao und George Hockham). 
• 1988: Der erste doppelwandige Glasfaser-Laser wird vorgeführt (Elias Snitzer). 
• 1990: Mit einem 4-Watt-Erbium-dotierten Glasfaser-Laser wird die Wattgrenze durchbrochen. 
• 2004 - Der Einzelmodus-Siliziumfaserlaser und -verstärker wird erfunden (David N. Payne). 

Auch heute noch werden wichtige Fortschritte in der Glasfaser-Lasertechnik gemacht, die sie effizienter, leistungsfähiger und zugänglicher machen. Zu den aufstrebendsten Anwendungen gehören die Laserreinigung und die Lasertexturierung, die umweltschädliche Technologien ersetzen und die Welt umweltfreundlicher machen können. 

Welche Arten von Glasfaser-Lasern gibt es?

Im Allgemeinen können Glasfaser-Laser nach folgenden Kriterien eingeteilt werden: 

• Laserquelle: Glasfaser-Laser unterscheiden sich je nach dem Material, mit dem die Laserquelle vermischt ist. Einige Beispiele sind Ytterbium-dotierte, Thulium-dotierte und Erbium-dotierte Glasfaser-Laser. Alle diese Lasertypen werden für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, da sie unterschiedliche Wellenlängen erzeugen. .
• Arbeitsweise: Verschiedene Lasertypen setzen Laserstrahlen unterschiedlich frei. Laserstrahlen können entweder mit einer bestimmten Repetitionsrate gepulst werden, um hohe Spitzenleistungen zu erreichen (gepulste Glasfaser-Laser), wie dies bei „gütegeschalteten“, „verstärkungsgeschalteten“ und „modusgekoppelten“ Lasern der Fall ist. Oder sie können kontinuierlich sein, d. h. sie senden kontinuierlich dieselbe Energiemenge aus (Dauerstrich-Glasfaser-Laser). 
• Laserleistung: Die Laserleistung wird in Watt angegeben und stellt die durchschnittliche Leistung des Laserstrahls dar. So sind beispielsweise 20-W-Faserlaser, 50-W-Faserlaser und so weiter erhältlich. Hochleistungslaser erzeugen schneller mehr Energie als Laser mit niedriger Leistung. 
• Modus: Der Modus bezieht sich auf die Größe des Kerns (in dem sich das Licht bewegt) in der Glasfaser. Es gibt zwei Arten von Modi: Einzelmodus-Glasfaser-Laser und Multimodus-Glasfaser-Laser. Der Kerndurchmesser ist bei Single-Mode-Lasern kleiner und liegt typischerweise zwischen 8 und 9 Mikrometern, während er bei Multimodus-Lasern größer ist und typischerweise zwischen 50 und 100 Mikrometern liegt. In der Regel übertragen Single-Mode-Laser das Laserlicht effizienter und haben eine bessere Strahlqualität. 

Glasfaser-Laser können auf viele andere Arten kategorisiert werden, aber die hier genannten Kategorien sind die häufigsten. Folgen Sie diesen Links, wenn Sie Beispiele für die Integration von Glasfaser-Lasern in Produkte sehen möchten: 

• Beschriftungssysteme mit Glasfaser-Lasern 
• Beschriftungssysteme mit Hochleistungs-Glasfaser-Lasern 
• Glasfaser-Laserbeschriftungsgeräte 
• Glasfaser-Laserreinigungsgeräte 

Was ist der Unterschied zwischen Glasfaser-Lasern und CO2-Lasern?

Der Hauptunterschied zwischen Glasfaser- und CO2-Lasern ist die Quelle, in der der Laserstrahl erzeugt wird. Bei Glasfaser-Lasern besteht die Laserquelle aus Quarzglas, dem ein Seltenerdelement beigemischt ist. Bei CO2-Lasern besteht die Laserquelle aus einem Gasgemisch, das Kohlendioxid enthält.  

Aufgrund des Zustands ihrer Quelle werden Glasfaser-Laser als Festkörperlaser und CO2-Laser als Gaslaser bezeichnet. 

Diese Laserquellen erzeugen auch unterschiedliche Wellenlängen. Glasfaser-Laser zum Beispiel erzeugen kürzere Wellenlängen, einige Beispiele liegen zwischen 780 nm und 2200 nm. CO2-Laser hingegen erzeugen längere Wellenlängen, die typischerweise zwischen 9.600 nm und 10.600 nm liegen.  

Sie werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen für verschiedene Anwendungen eingesetzt. So werden beispielsweise Glasfaser-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm in der Regel für Anwendungen in der Metallbearbeitung bevorzugt. Eine bemerkenswerte Ausnahme bildet das Laserschneiden, bei dem CO2-Laser häufig zum Schneiden von Metallen bevorzugt werden. CO2-Laser reagieren auch gut mit organischen Materialien. 

Wenn Sie sich zwischen den beiden entscheiden müssen, lesen Sie unseren Beitrag Wahl zwischen einem CO2- und einem Glasfaser-Laser.

Was ist ein Glasfaser-Lasergerät?

Wenn ein Glasfaser-Lasersystem zu einer einsatzbereiten Lösung entwickelt wird, nennt man diese Lösung ein Glasfaser-Lasergerät. Während das OEM-Lasersystem das Werkzeug ist, das die Operation durchführt, ist das Lasergerät der Rahmen, in den das Werkzeug integriert ist.  

Lasergeräte können Folgendes bewerkstelligen: 

• 100 prozentige Sicherheit für die Arbeiter durch Laserschutz und Rauchabsaugung 
• Mechanische Komponenten sind enthalten, um Arbeitsabläufe zu automatisieren oder die Arbeit des Bedieners zu erleichtern 
• Der Laserprozess wird für einen bestimmten Vorgang fein abgestimmt 

Das hier gezeigte Glasfaser-Lasergerät umfasst beispielsweise einen Drehtisch, einen Rotationsindexierer, ein Schutzgehäuse für Laser der Klasse 1, eine Rauchgasabsaugung, eine Bildverarbeitungskamera und eine MMS.

Folgen Sie diesen Links, wenn Sie weitere Beispiele für Glasfaser-Lasergeräte sehen möchten:

• Laserbeschriftungsgeräte
• Laserreinigungsgeräte

Wie lange ist die Lebensdauer eines Glasfaser-Lasers?

Die meisten Online-Quellen behaupten, dass Glasfaser-Laser eine Lebensdauer von 100.000 Stunden haben, während CO2-Laser 30.000 Stunden haben. Dies ist nicht ganz richtig. Diese Zahlen beziehen sich auf einen Wert, der als „mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen“ (MTBF) bezeichnet wird und nicht für alle Glasfaser-Laser gleich ist. In der Realität werden Sie unterschiedliche Zahlen für verschiedene Arten von Glasfaser-Lasern sehen. 

Die MTBF misst die Zuverlässigkeit eines Lasers, indem sie angibt, wie viele Stunden der Laser voraussichtlich funktionieren wird, bevor ein Fehler auftritt. Sie wird ermittelt, indem mehrere Lasereinheiten getestet und dann die Gesamtzahl der Betriebsstunden durch die Gesamtzahl der Ausfälle geteilt wird.  

Dieser Wert sagt zwar nicht genau aus, wie lange ein Glasfaser-Laser halten kann, gibt aber dennoch einen guten Eindruck von der Zuverlässigkeit des Lasers. 

Wenn Sie wirklich wissen wollen, wie lange ein Glasfaser-Laser hält, werden Sie enttäuscht sein, denn es gibt keine wirkliche Antwort. In der Tat gibt es kritische Punkte in der Lebensdauer von Glasfaser-Lasern, an denen sie versagen können. 

Hier erfahren Sie, was Sie wissen müssen, wenn Ihr Laser in einem dieser Momente ausfällt:  

• Anfangsphase: Wenn ein Glasfaser-Laser Herstellungsfehler aufweist, wird er wahrscheinlich schon früh ausfallen. Sie sollten sicherstellen, dass Sie eine Kaufgarantie haben, die Herstellungsfehler abdeckt, so dass der Laser kostenlos ersetzt werden kann. 
• Normale Lebensdauer: Wenn Sie die erste kritische Phase des Anfangsphase hinter sich gelassen haben, gibt Ihnen der MTBF-Wert einen guten Überblick über die Ausfallwahrscheinlichkeit Ihres Lasers. Eine hohe MTBF ist eine gute Garantie dafür, dass alles reibungslos abläuft, aber keine Garantie. Sie können sich auf verschiedene Weise auf Ausfälle während der normalen Lebensdauer vorbereiten: Halten Sie einen Ersatzlaser bereit, mieten Sie einen Laser, während Ihr Laser repariert wird, oder erwerben Sie eine verlängerte Kaufgarantie.  
• Lebensende: Wenn sich Glasfaser-Laser dem Ende ihrer Lebensdauer nähern, steigt die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls drastisch an. Selbst dann kann ein hochwertiger Industrielaser oft weit über seine MTBF hinaus betrieben werden. 

Wie funktioniert ein Glasfaser-Laser (und was sind seine Bestandteile)?

Glasfaser-Laser verwenden Pumpenlicht von so genannten Laserdioden. Diese Dioden senden Licht aus, das in das Glasfaserkabel geleitet wird. Optische Komponenten, die sich im Kabel befinden, werden dann verwendet, um eine bestimmte Wellenlänge zu erzeugen und diese zu verstärken. Schließlich wird der resultierende Laserstrahl geformt und freigesetzt. 

Im Folgenden wird erläutert, wie die einzelnen Komponenten zur Durchführung dieses Vorgangs verwendet werden. 

Schritt 1. Licht wird in den Laserdioden erzeugt 

Laserdioden wandeln Strom in Photonen – oder Licht – um, die in das Glasfaserkabel gepumpt werden. Aus diesem Grund werden sie auch als „Pumpenquelle“ bezeichnet.

Um Licht zu erzeugen, verwenden Dioden zwei unterschiedlich geladene Halbleiter: 

• Der erste ist positiv geladen, was bedeutet, dass er ein zusätzliches Elektron benötigt. 
• Der zweite ist negativ geladen, das heißt, er hat ein zusätzliches Elektron oder ein freies Elektron. 

Wenn die positiven und negativen Ladungen aufeinandertreffen, versuchen sie, sich zu verbinden. Doch dazu muss das freie Elektron als Photon freigesetzt werden. Wenn Strom durch die Halbleiter fließt, nimmt die Menge der Photonen schnell zu. 

Das dabei entstehende Licht wird in den Lichtwellenleiter gepumpt und zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet. 

Schritt 2. Pumpenlicht wird im Glasfaserkabel geführt 

In der Natur geht das Licht in alle Richtungen. Um Licht in eine einzige Richtung zu bündeln und einen Laserstrahl zu erhalten, verwenden Glasfaserkabel zwei grundlegende Komponenten: den Faserkern und den Mantel. 

• Der Kern ist der Ort, an dem sich das Licht bewegt. Es besteht aus Quarzglas und ist der einzige Teil des Kabels, der ein Seltenerdelement enthält. 
• Der Mantel ist das Material, das den Kern umgibt. Wenn Licht auf die Hülle trifft, wird es in den Kern zurückgeworfen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Mantel für eine interne Totalreflexion sorgt. 

Die Totalreflexion tritt auf, weil der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex hat als der Kern. Ähnliche Effekte können in der Natur beobachtet werden. Wenn Sie zum Beispiel untergetauchte Objekte betrachten, erscheinen sie deformiert. Das liegt daran, dass das Licht auf dem Weg von der Luft zum Wasser auf einen anderen Brechungsindex trifft und seine Richtung ändert. Dasselbe gilt, wenn das Licht vom Kern zum Mantel wandert, mit dem Unterschied, dass die Richtungsänderung eine Reflexion bewirkt. 

Ohne den Mantel würde das Licht in alle Richtungen gehen und den Kern verlassen. Dank des Brechungsindexes des Mantels bleibt das Licht jedoch im Kern und setzt seinen Weg fort. 

Wie sich das Licht in Glasfaserkabeln bewegt, können Sie sich in diesem Video ansehen: 

Schritt 3. Licht wird im Laserresonator verstärkt  

Wenn das Pumpenlicht das Glasfaserkabel durchläuft, tritt es schließlich in den Laserresonator – einen kleinen Bereich des Kabels, in dem nur Licht einer bestimmten Wellenlänge erzeugt wird. Physiker sagen, dass die Faser in diesem Bereich „dotiert“ ist, weil sie mit einem Seltenerdelement versetzt wurde.  

Wenn Teilchen aus der dotierten Faser mit Licht interagieren, steigen ihre Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Wenn sie in ihren Grundzustand zurückfallen, geben sie Energie in Form von Photonen oder Licht ab. Ingenieure bezeichnen diese Phänomene als „Elektronenanregung“ und „Elektronenrelaxation“.

Der Laserresonator fungiert auch als Resonator, in dem das Licht zwischen den so genannten „Faser-Bragg-Gittern“ hin und her springt. Dies führt zur „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“ (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation), kurz LASER. Einfach ausgedrückt: Hier wird der Laserstrahl geformt.

Es gibt zwei Arten von Bragg-Gittern: 

• Der erste wirkt wie ein Spiegel, der das Licht in den Resonator zurückwirft.  
• Der zweite fungiert als selektiver Spiegel, der einen Teil des Lichts aus dem Resonator herauslässt, den Rest aber zurück in den Resonator reflektiert. 

Die Verstärkung läuft folgendermaßen ab: Wenn Photonen auf andere angeregte Teilchen treffen, setzen diese Teilchen ebenfalls Photonen frei; da die Bragg-Gitter Photonen zurück in den Resonator reflektieren und mehr Pumpenlicht in den Resonator geschickt wird, wird eine exponentielle Anzahl von Photonen freigesetzt. 

Als Ergebnis dieser stimulierten Strahlungsemission wird Laserlicht erzeugt. 

Schritt 4. Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge wird erzeugt 

Die von der dotierten Faser erzeugte Wellenlänge variiert je nach Dotierungselement des Laserresonators. Dies ist sehr wichtig, da unterschiedliche Wellenlängen für unterschiedliche Anwendungen verwendet werden. Das Dotierungselement könnte Erbium, Ytterbium, Neodym, Thulium usw. sein. Ytterbium-dotierte Glasfaser-Laser zum Beispiel erzeugen eine Wellenlänge von 1064 nm und werden für Anwendungen wie Laserbeschriftung und Laserreinigung eingesetzt.

Verschiedene Dotierungselemente erzeugen unterschiedliche Wellenlängen, da bestimmte Teilchen bestimmte Photonen freisetzen. Die im Laserresonator erzeugten Photonen haben also alle die gleiche Wellenlänge. Dies erklärt, warum jeder Faserlasertyp eine bestimmte Wellenlänge – und nur diese – erzeugt. 

Schritt 5. Der Laserstrahl wird geformt und freigesetzt  

Die aus dem Resonanzraum austretenden Photonen bilden einen Laserstrahl, der aufgrund der Lichtleitereigenschaften der Faser extrem gut kollimiert (oder gerade) ist. Tatsächlich ist er für die meisten Laseranwendungen zu kollimiert.  

Um den Laserstrahl in die gewünschte Form zu bringen, können verschiedene Komponenten wie Linsen und Strahlaufweiter eingesetzt werden. Zum Beispiel sind unsere Glasfaser-Laser mit einer 254 mm langen Linse für Laseranwendungen ausgestattet, die in das Material eingreifen (z. B. Lasergravieren und Lasertexturierung). Das liegt daran, dass ihre kurze Brennweite es uns ermöglicht, mehr Energie auf einen Bereich zu fokussieren, um eine aggressivere Form der Laserablation zu erzielen. 

Andere Linsentypen bieten andere Vorteile, weshalb Experten sie sorgfältig auswählen, wenn sie einen Laser für eine bestimmte Anwendung optimieren. 

Was sind die Laserparameter?

Nicht alle Laser und Laseranwendungen verwenden die gleichen Parameter. So müssen beispielsweise für das Laserschneiden und die Laserbeschriftung unterschiedliche Einstellungen vorgenommen werden. Einige Parameter werden jedoch für alle Arten von Glasfaser-Lasern verwendet. Hier sind die Parameter, denen Sie am ehesten begegnen werden. 

Wellenlänge 

Bild mit freundlicher Genehmigung des National Institute of Standards and Technology 

Die von einem Glasfaser-Laser erzeugte Wellenlänge entspricht dem Niveau der elektromagnetischen Strahlung des Laserlichts. In der Regel erzeugen Glasfaser-Laser Wellenlängen zwischen 780 nm und 2200 nm, die im Infrarotspektrum liegen und für das menschliche Auge unsichtbar sind. Dieser Bereich des Infrarotlichts neigt dazu, gut mit Metallen, Gummi und Kunststoffen zu reagieren, was es für eine Vielzahl von Materialverarbeitungsanwendungen nützlich macht. 

Einige Glasfaser-Laser, z. B. grüne Laser, erzeugen sichtbares Licht, das gut mit weichen Materialien wie Gold, Kupfer, Silikon und weichem Glas reagieren kann. Grüne Glasfaser-Laser werden unter anderem auch in der Holografie, Therapie und Chirurgie eingesetzt.

Diese Laser benötigen zusätzliche Komponenten, um sichtbares Licht zu erzeugen. John Wallace von Laser Focus World erklärt, wie das gemacht wird: 

[...] Es gibt derzeit keinen Glasfaser-Laser auf dem Markt, der sichtbares Laserlicht aus der Laserfaser selbst erzeugt. Sichtbares Licht kann jedoch aus einem Nahinfrarot (IR)-emittierenden Faserlaser durch externe Frequenzumwandlung gewonnen werden, z. B. durch Raman-Verschiebung, Frequenzverdopplung, Frequenzsummenmischung oder Kombinationen dieser Verfahren. 

Auszug aus Photonics Products (Photonische Produkte): Glasfaser-Laser: Sichtbare Glasfaser-Laser in Rot, Grün und jetzt auch in Bläulich von Laser Focus World

Arbeitsweise 

Die Arbeitsweise ist die Art und Weise, in der der Laserstrahl ausgelöst wird. Glasfaser-Laser arbeiten in der Regel im Dauerstrich- oder im gepulsten Modus.  

Im Dauerstrichbetrieb wird ein kontinuierlicher, ununterbrochener Laserstrahl abgegeben, der sich ideal für Anwendungen wie Laserschweißen und Laserschneiden eignet. 

In der gepulsten Arbeitsweise werden kurze Impulse mit einer bestimmten Wiederholrate abgegeben. Gepulste Laserstrahlen erreichen höhere Spitzenleistungen und sind ideal für Lasergravieren und Laserreinigung. Dieser Modus beinhaltet die folgenden Parameter: 

• Impulsenergie: Die Impulsenergie ist die Anzahl der in jedem Impuls enthaltenen Millijoule. In der Regel enthält jeder Impuls 1 mJ Energie. 
• Impulsdauer: Die Impulsdauer, auch bekannt als Impulslänge und Impulsbreite, ist die Dauer der einzelnen Impulse. Kürzere Impulse konzentrieren die gleiche Energie in kürzerer Zeit und erreichen daher höhere Spitzenleistungen. Die Impulsdauer kann in Mikrosekunden, Nanosekunden, Pikosekunden oder Femtosekunden angegeben werden. 
• Wiederholungsrate: Die Impuls-Wiederholungsrate ist die Anzahl der pro Sekunde abgegebenen Impulse. Sie wird auch als Impulsfrequenz bezeichnet, die in kHz ausgedrückt wird. 100 kHz ist gleich 100.000 Impulsen pro Sekunde. 

Leistung  

Die Laserleistung ist die Menge an Energie, die der Laser in einer Sekunde erzeugen kann. Sie wird auch als „durchschnittliche Leistung“ und „Ausgangsleistung“ bezeichnet.  

Bei gepulsten Lasern kann auch eine Spitzenleistung angegeben werden, die ein anderer Parameter ist. Die Spitzenleistung ist die maximale Energiemenge, die von einem einzelnen Impuls erreicht wird. Ein gepulster 100-W-Faserlaser kann beispielsweise leicht eine Spitzenleistung von 10.000 W erreichen. Das liegt daran, dass bei gepulsten Lasern die Energie im Gegensatz zu Dauerstrichlasern nicht gleichmäßig über die Zeit verteilt wird. 

Strahlqualität 

Die Strahlqualität gibt an, wie nahe der Strahl an einem so genannten Gaußschen Strahl ist. In der Praxis ist dies relevant, weil hiermit angegeben wird, wie gut der Laserstrahl fokussiert ist.  

Mathematisch gesehen wird eine perfekte Strahlqualität durch M²=1 ausgedrückt. Gut fokussierte Laserstrahlen konzentrieren mehr Energie auf eine kleinere Fläche. Für Anwendungen wie Lasergravieren und Laserreinigung sind Laserstrahlen hoher Qualität erforderlich, während für Anwendungen, bei denen keine Ablation erwünscht ist, wie z. B. Laserschweißen, niedrigere Strahlqualitäten besser geeignet sind.