IPG Photonics Corporation
Laserlicht kann in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, von der Unterhaltung über die Wissenschaft und die Chirurgie bis hin zur fortgeschrittenen und schweren industriellen Fertigung.

Faserlaser 101

Was ist ein Laser?

"Laser" ist ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Einfacher ausgedrückt: Ein Laser wandelt Energie in Licht um, das dann durch eine Optik verstärkt wird, bevor das Licht zu einem energiereichen Strahl gebündelt wird. Laserlicht unterscheidet sich von normalem Licht dadurch, dass es kollimiert, d. h. weniger streuungsanfällig gemacht, und dann fokussiert werden kann, um seine Energiedichte erheblich zu erhöhen. Es gibt viele Arten von Lasern, und die Verwendungszwecke von Laserlicht reichen von der Unterhaltung über die Wissenschaft und die Chirurgie bis hin zur fortgeschrittener und schwerer industriellen Fertigung.

Alle Laser haben eine Reihe von Grundkomponenten gemeinsam. Laser beginnen mit einem Verstärkungsmedium, das zur Verstärkung der Lichtleistung verwendet wird - zu den Verstärkungsmedien von Lasern gehören Gase, Farbstoffe, Dioden, Kristalle und optische Fasern. Eine Energiequelle, entweder ein elektrischer Strom oder eine Lichtquelle, wird dann zum Pumpen des Verstärkungsmediums verwendet. Sobald die erforderliche Energie erzeugt ist, steuern reflektierende Materialien, die als Teil- und Totalreflektoren bekannt sind, die Laserleistung, die dann je nach Bedarf für die jeweilige Anwendung angepasst und fokussiert wird.

Laser-Parameter

 

Laser-Wellenlängen-Tabelle

 

Laserwellenlänge

Die Wellenlänge eines Lasers ist der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Wellenbergen der Lichtwelle und wird in Nanometern (nm) oder Mikrometern (µm) gemessen. Laserwellenlängen reichen in der Regel vom tiefen Ultraviolett bis ins mittlere Infrarot (IR) und sind für das menschliche Auge im Bereich von ~400 bis ~700 nm sichtbar.  

Die Wellenlänge ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da sich die Materialien in Bezug auf die Absorption der Lichtenergie oft stark unterscheiden. Materialien absorbieren einen Teil der Energie eines Laserstrahls und reflektieren den Rest - das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Faktoren kann die Verwendung einer anderen Wellenlänge erforderlich machen. Die Wellenlänge ist auch von entscheidender Bedeutung für fortschrittliche und wissenschaftliche Anwendungen wie Mikroskopie, optische Fallen und Ultraschall.

Nahe IR-Wellenlängen von etwa 1000 nm werden als Ausgangspunkt verwendet, insbesondere für die Bearbeitung von Metallen. Der Grund dafür ist, dass Laser im nahen IR-Bereich eine höhere Leistung bieten, weniger komplex und oft kostengünstiger sind. Die meisten Metalle absorbieren Licht im nahen IR- oder sichtbaren Bereich effizient. Selbst Metalle mit hohem IR-Reflexionsvermögen, wie Aluminium und Kupfer, werden überwiegend mit Nahen-IR-Lasern bearbeitet, welche die Materialreflexion mit höheren Leistungsdichten überwinden.

Verschiedene Polymere, Keramiken, Glas und andere Nichtmetalle werden häufig von Lasern mit Wellenlängen vom mittleren Infrarot bis zum tiefen Ultraviolett bearbeitet. Klare Polymere und Glas sind für nahes IR-Licht durchsichtig oder nahezu durchsichtig und lassen den Großteil des nahen IR-Lichts durch, ohne es zu absorbieren. Daher können Materialien, die nahes IR-Licht leicht absorbieren, durch eine Polymer- oder Glasschicht bearbeitet werden.

 

Laserleistung

Die Laserleistung wird auch als durchschnittliche Leistung bezeichnet und in Watt (W) gemessen. Sie gibt an, wie viel Energie über einen bestimmten Zeitraum an das Zielmaterial abgegeben wird. Die Anforderungen an die Laserleistung variieren bei verschiedenen Anwendungen um mehrere Größenordnungen. Viele Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Datenverarbeitung, Telekommunikation, Medizin oder Wissenschaft benötigen Leistungen von einigen Milliwatt bis zu einigen zehn Watt. Nichtmetallverarbeitende Anwendungen benötigen in der Regel eine durchschnittliche Leistung von einigen Watt bis zu einigen hundert Watt. Metallverarbeitungsanwendungen benötigen Leistungen von Hunderten von Watt im Falle einiger Mikroverarbeitungsanwendungen bis zu Dutzenden oder mehr Kilowatt im Falle von Anwendungen zum Schneiden und Schweißen von dickem Metall.

 

Spitzenleistungstabelle für verschiedene Laserbetriebsarten.

 

Funktionsweise eines Lasers

Laser können einen kontinuierlichen Lichtstrahl aussenden, der einen gleichmäßigen Strom durchschnittlicher Leistung abgibt - diese Betriebsart wird als Dauerstrich (Continuous Wave, CW) bezeichnet und ist die häufigste Betriebsart von Lasern. Laser können auch in einem gepulsten Modus betrieben werden. Gepulste Laser sind durch die Anzahl der Pulse pro Sekunde (Wiederholrate), die Gesamtenergie des Laserpulses (Pulsenergie), die höchste vom Puls erreichte Leistung (Spitzenleistung) und die Länge jedes Pulses (Pulsdauer) gekennzeichnet.

Wie bei CW-Lasern wird die gepulste Laserleistung über die Zeit als Durchschnittsleistung dargestellt. Gepulste Laser wirken sich auf das zu bearbeitende Material unterschiedlich aus, selbst wenn ihre Durchschnittsleistung der eines CW-Lasers entspricht. Gepulste Laser werden häufig eingesetzt, um bei der Bearbeitung von Teilen die thermischen Auswirkungen auf das umgebende Material zu minimieren oder wenn eine höhere Spitzenleistung erforderlich ist. Langpulslaser mit quasi-kontinuierlicher Welle (QCW) verwenden Pulse, die in Millisekunden gemessen werden, mit hohen Spitzenleistungen, um die CW-Laserbearbeitung mit geringerer Wärmezufuhr und geringerer Laserleistung zu simulieren. Nanosekunden- und ultraschnelle (Pikosekunden-/Femtosekunden-) Laser nutzen extrem kurze Pulse für Mikrobearbeitungsanwendungen, bei denen ein übermäßiger Wärmeeintrag nicht hinnehmbar ist oder extrem hohe Spitzenleistungen erforderlich sind.

Im Allgemeinen bieten CW-Laser die höchsten Durchschnittsleistungen und damit auch die höchsten Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Bei der Entscheidung zwischen einem CW-Laser und einem gepulsten Laser müssen viele Überlegungen angestellt werden, aber ein Gleichgewicht zwischen Durchsatz und Teilequalität ist oft das Wichtigste. Viele Anwendungen, wie z. B. das Schneiden von Blechen, profitieren von einem CW-Hochleistungslaser, der die Schneidgeschwindigkeit deutlich erhöht, ohne dass eine einwandfreie Kantenqualität erforderlich ist. Beim Schneiden von Stapeln ultradünner Folien werden jedoch in der Regel Nanosekunden- und ultraschnelle gepulste Laser eingesetzt, um eine hervorragende Kantenqualität zu gewährleisten und negative Wärmeeffekte zu reduzieren oder zu eliminieren.

 

Beispiel für Multimode- und Singlemode-Laserstrahlprofile.

Links: ein Multimode-Strahlprofil mit einer größeren Laserpunktgröße. Rechts: ein Single-Mode-Strahlprofil mit kleinerer Laserpunktgröße.

 

Fokusdurchmesser und Strahlqualität

Wenn ein Laserstrahl mit dem Zielmaterial in Berührung kommt, bildet er einen Bereich des Laserlichts, der als Spot bezeichnet wird. Die Spotgröße, wird in der Regel in µm gemessen  und ist ein entscheidender Faktor dafür, wie ein Laser mit seinem Ziel interagiert. Sie kann auf verschiedene Weise gesteuert werden, z. B. durch die Verwendung unterschiedlicher Zuführungsfasern und Fokussierungslinsen, durch die Änderung des Abstands zwischen der Strahlzuführung und dem Ziel sowie durch die Verwendung längerer oder kürzerer Wellenlängen.

Durch die Verringerung der Spotgröße wird die Leistung des Lasers effizienter genutzt, da die Energie des Strahls auf einen kleineren Bereich konzentriert wird. Eine höhere Energiedichte ist nützlich, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem die Zeit, die ein Laserstrahl zum Durchdringen des Materials benötigt, verkürzt wird. Kleine Spotgrößen sind auch für eine Reihe von Mikrobearbeitungsanwendungen und für Teile, die feine Merkmale erfordern, unerlässlich. Für viele Anwendungen, wie z. B. das Schweißen von Strukturen, ist eine größere Spotgröße jedoch optimal, um einen größeren Bereich zu bearbeiten und den erforderlichen Strahlweg zu verringern.

Beam quality, typically measured in M2 for single-mode lasers (typical spot size: 20 to 50 µm) and Beam Parameter Product (BPP) for multi-mode lasers (typical spot size: 100+ µm), is an important and complex laser parameter that, in practice, represents how much a laser beam can be focused. Lower M2 and BPP values correspond with higher beam qualities. A beam quality of M2 = 1 means that the beam experiences no divergence and is considered perfect. Although this is not quite achievable with actual devices, industrial fiber lasers can reliably achieve beam qualities of M2 =< 1.1. For applications that require strongly focused beams like cutting, drilling, and welding, higher beam qualities improve processing speeds and qualities. Some applications, like wide area laser heat treatment and cleaning, do not require particularly high beam qualities, instead benefitting from less focused laser energy.

Was sind Faserlaser?

Faserlaser leiten Licht durch ein optisches Faserkabel aus Quarzglas, das als Verstärkungsmedium dient, und werden durch elektrischen Strom gepumpt. Diese Art der Übertragung in Verbindung mit der effizienten Umwandlung von Strom in Licht macht Faserlaser in vielen Fällen zu einer wesentlich praktischeren Lösung gegenüber herkömmliche Optionen wie CO2-Laser oder alternative Technologien wie Scheibenlaser. Da die Faserlasertechnologie frei von komplexer Optik, häufigen Wartungsanforderungen oder Verbrauchsmaterialien ist und sich daher wesentlich einfacher integrieren lässt, hat sie einen revolutionären Einfluss auf die laserbasierte Fertigung, medizinische Anwendungen und wissenschaftliche Arbeiten gehabt.

Vergleichstabelle der Eigenschaften von Faserlasern und anderen Lasermedien.

Die einzigartigen Eigenschaften von Glasfasern machen sie zu einem idealen aktiven Verstärkungsmedium und Laserresonatormaterial. Flexibel, leicht zu handhaben und in der Lage, eine Vielzahl von Längen zu unterstützen, erleichtert das große Oberflächen-Volumen-Verhältnis der Faser die Wärmeabfuhr und hilft, thermische Linsenbildung zu vermeiden. Fasern verschiedener Typen, Zusammensetzungen und Kerndurchmesser können gespleißt werden, um komplexe optische Systeme zu konstruieren, welche die Pumpquellen, die optische Verstärkung und die Strahlführungsfaser kombinieren, ohne dass eine Freiraumoptik mit den damit verbundenen Risiken der Verschmutzung, Beschädigung und Fehlausrichtung erforderlich ist.

IPG-Faserlasertechnologie

Unsere einzigartige Technologieplattform ermöglicht es IPG-Lasern, höhere Ausgangsleistungen und eine überragende Strahlqualität zu niedrigeren Kosten zu erzielen als jede andere konkurrierende Lasertechnologie. Unsere firmeneigenen Konstruktionen basieren auf innovativen Pumptechniken und Hochleistungskomponenten, die von IPG in jahrzehntelangen intensiven Investition und Innovation perfektioniert wurden. Die Eckpfeiler der IPG-Faserlasertechnologie sind unsere Cladding-Side-Pumping-Technik und die verteilte Einzelemitter-Dioden-Pumparchitektur

 

Diodenpumptechnik

 

Das Mantel-Seitenpumpverfahren und die verteilte Single-Emitter-Dioden-Pumparchitektur sind die Eckpfeiler der Faserlasertechnologie von IPG.

 

Die klassenbeste Diodenpumpentechnologie nutzt unsere umfangreiche Erfahrung in der Telekommunikationsbranche und unsere Technologieinvestitionen. Unsere Einzelemitter-Dioden werden mit bewährten Technologien und Prozessen für die Telekommunikation hergestellt, und jeder Wafer wird nach strengen Standards der Telekommunikationsindustrie qualifiziert, was IPG von alternativen industriellen Pumpenprodukten mit kurzlebigen Diodenbarren und Bar-Stack-Technologien unterscheidet. Infolgedessen bieten unsere Einzelemitter-Dioden eine um eine Größenordnung höhere Pumpleistung und einen bis zu doppelt so hohen Wirkungsgrad wie Bar-Stack-Pumpen. Einzelemitter-Pumpen können mit einfacher Wasser- oder sogar Luftkühlung betrieben werden, im Gegensatz zu Bar-Stack-Pumpen, die teure, unzuverlässige und komplexe Mikrokanal-Kühler mit deionisiertem Hochdruckwasser benötigen.

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Seitliche Pumpentechnologie

 

Eine schematische Darstellung der von Dr. Valentin Gapontsev und Dr. Igor Samartsev entwickelten Side-Pumping-Technik

 

Faserlaser müssen das Licht von Laserdioden koppeln und sammeln, um eine kollimierte Laserleistung zu erzeugen. Die Leistung von IPG-Einzelemitter-Dioden wird in Fasern mit einem Kerndurchmesser von nur 100 Mikrometern gesammelt. Mit der von Dr. Valentin Gapontsev und Dr. Igor Samartsev entwickelten seitlichen Pumptechnologie wird das Licht vieler Pumpdioden effizient in den Mantel einer aktiven Verstärkungsfaser eingekoppelt. Das Pumplicht wird im Mantel mehrfach reflektiert und trifft dabei häufig auf den Singlemode-Kern, wo das Licht von Ionen seltener Erden absorbiert und wieder emittiert wird. Dieser elegante Mechanismus wandelt Diodenlicht mit außergewöhnlicher Effizienz in Faserlaserlicht um.

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Von Milliwatt bis zu mehr als hundert Kilowatt Leistung, von UV bis mittlerem IR und von kontinuierlichen Wellen bis zu Femtosekundenpulsen IPG-Laser sind mit branchenführender Technologie ausgestattet, um die Ergebnisse in einer Vielzahl von Anwendungen zu optimieren, darunter Materialbearbeitung, medizinische Eingriffe und wissenschaftliche Arbeiten.

Erfahren Sie mehr darüber, wie das breiteste Angebot an Faserlasern und Faserlaserfunktionen die Produktivität maximieren und mehr möglich machen kann.

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