IPG Photonics AG
Laserlicht kann in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, von der Unterhaltungsindustrie über wissenschaftliche Anwendungen und Chirurgie bis hin zur fortschrittlichen und hochleistungsfähigen industriellen Fertigung.

Faserlaser 101

Was ist ein Laser?

„Laser“ ist eine Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Einfacher ausgedrückt wandelt ein Laser Energie in Licht um, das dann durch Optik verstärkt wird, bevor dieses Licht zu einem hochenergetischen Strahl gebündelt wird. Laserlicht unterscheidet sich von normalem Licht dadurch, dass es kollimiert, also weniger anfällig für Streuung gemacht, und dann gebündelt werden kann, um seine Energiedichte erheblich zu erhöhen. Es gibt viele Arten von Lasern, und die Einsatzmöglichkeiten von Laserlicht reichen von Unterhaltung, wissenschaftlichen Anwendungen und Chirurgie bis hin zu fortschrittlicher und schwerer industrieller Fertigung.

Alle Laser verfügen über eine Reihe grundlegender Komponenten. Laser beginnen mit einem Verstärkungsmedium, das zur Verstärkung der Lichtleistung verwendet wird – zu den Verstärkungsmedien für Laser gehören Gase, Farbstoffe, Dioden, Kristalle und optische Fasern. Anschließend wird das Verstärkungsmedium mit einer Energiequelle, entweder elektrischem Strom oder einer Lichtquelle, gepumpt. Sobald die erforderliche Energie erzeugt wurde, steuern reflektierende Materialien, sogenannte Teil- und Totalreflektoren, die Laserleistung, die dann je nach Anwendungszweck angepasst und fokussiert wird.

Laserparameter

 

Laserwellenlängentabelle

 

Laserwellenlänge

Die Wellenlänge eines Lasers wird in Nanometern (nm) oder Mikrometern (µm) gemessen und ist der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenbergen der Lichtwelle. Laserwellenlängen reichen typischerweise vom tiefen Ultraviolettbereich bis zum mittleren Infrarotbereich (IR) und sind für das menschliche Auge im Bereich von ~400 bis ~700 nm sichtbar.  

Die Wellenlänge ist für viele Anwendungen ein entscheidender Faktor, da sich Materialien hinsichtlich ihrer Absorption von Lichtenergie oft erheblich unterscheiden. Materialien absorbieren einen Teil der Energie eines Laserstrahls und reflektieren den Rest – das Gleichgewicht zwischen beiden kann die Verwendung einer anderen Laserwellenlänge erforderlich machen. Die Wellenlänge ist auch für fortgeschrittene und wissenschaftliche Anwendungen wie Mikroskopie, optisches Trapping und Ultraschall von entscheidender Bedeutung.

Nahinfrarotwellenlängen von etwa 1000 nm werden insbesondere für die Bearbeitung von Metallen als Ausgangspunkt verwendet. Der Grund dafür ist, dass Nahinfrarotlaser eine höhere Leistung bieten, weniger komplex sind und oft kostengünstiger sind. Die meisten Metalle absorbieren Licht im nahen Infrarot- oder sichtbaren Bereich effizient. Selbst Metalle mit hoher IR-Reflektivität, wie Aluminium und Kupfer, werden überwiegend mit Nahinfrarotlasern bearbeitet, die die Materialreflexion mit höheren Leistungsdichten überwinden.

Verschiedene Polymere, Keramiken, Glas und andere Nichtmetalle werden häufig mit Lasern mit Wellenlängen vom mittleren Infrarotbereich bis zum tiefen Ultraviolettbereich bearbeitet. Klare Polymere und Glas sind für nahes Infrarotlicht tatsächlich transparent oder nahezu transparent, sodass der Großteil des nahen Infrarotlichts ungehindert durchgelassen wird, ohne absorbiert zu werden. Daher können Materialien, die nahes Infrarotlicht leicht absorbieren, durch eine Polymer- oder Glasschicht hindurch bearbeitet werden.

 

Laserleistung

Die Laserleistung, auch als Durchschnittsleistung bezeichnet, wird in Watt (W) gemessen. Die Durchschnittsleistung eines Lasers gibt an, wie viel Energie über einen bestimmten Zeitraum an das Zielmaterial abgegeben wird. Die Anforderungen an die Laserleistung variieren je nach Anwendung um mehrere Größenordnungen. Viele Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Datenverarbeitung, Telekommunikation, Medizin oder Wissenschaft nutzen Leistungen von wenigen Milliwatt bis zu mehreren zehn Watt. Nichtmetallische Bearbeitungsanwendungen erfordern in der Regel eine Durchschnittsleistung von wenigen Watt bis zu einigen hundert Watt. Anwendungen in der Metallverarbeitung erfordern Leistungen von einigen hundert Watt, beispielsweise bei bestimmten Mikroprozessoranwendungen, bis zu mehreren Dutzend Kilowatt oder mehr, beispielsweise beim Schneiden und Schweißen von dickem Metall.

 

Spitzenleistungstabelle für verschiedene Lasermodi.

 

Laser-Betriebsmodus

Laser können einen kontinuierlichen Lichtstrahl aussenden, um einen gleichmäßigen Strom durchschnittlicher Leistung zu erzeugen – dieser Modus wird als Continuous Wave (CW) bezeichnet und ist der gängigste Betriebsmodus von Lasern. Laser können auch im gepulsten Modus betrieben werden. Gepulste Laser zeichnen sich durch die Anzahl der Impulse pro Sekunde (Wiederholungsrate), die Gesamtenergie des Laserimpulses (Impulsenergie), die höchste vom Impuls erreichte Leistung (Spitzenleistung) und die Länge jedes Impulses (Impulsdauer) aus.

Wie bei CW-Lasern wird die Leistung gepulster Laser im Zeitverlauf als Durchschnittsleistung angegeben. Gepulste Laser wirken sich jedoch anders auf das Zielmaterial aus, selbst wenn ihre Durchschnittsleistung der eines CW-Lasers entspricht. Gepulste Laser werden häufig zur Bearbeitung von Teilen eingesetzt, um die thermische Belastung des umgebenden Materials zu minimieren oder wenn eine höhere Spitzenleistung erforderlich ist. Langpuls-Quasi-Dauerstrichlaser (QCW-Laser) nutzen Impulse im Millisekundenbereich mit hohen Spitzenleistungen, um die Bearbeitung mit CW-Lasern mit geringerer Wärmeeinwirkung und geringerer Laserleistung zu emulieren. Nanosekunden- und Ultrakurzpulslaser (Pikosekunden-/Femtosekundenlaser) nutzen extrem kurze Impulse für Mikroprozessanwendungen, bei denen eine übermäßige Wärmeeinwirkung nicht akzeptabel ist oder extrem hohe Spitzenleistungen erforderlich sind.

Im Allgemeinen bieten CW-Laser die höchsten Durchschnittsleistungen und damit die schnellsten Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Bei der Entscheidung zwischen einem CW-Laser und einem gepulsten Laser sind viele Faktoren zu berücksichtigen, wobei oft das Gleichgewicht zwischen Durchsatz und Teilequalität am wichtigsten ist. Viele Anwendungen, wie z. B. das Schneiden von Blechen, profitieren von leistungsstarken CW-Lasern, da diese die Schnittgeschwindigkeit erheblich erhöhen und keine makellose Kantenqualität erfordern. 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 größerer Spotgröße. Rechts: ein Singlemode-Strahlprofil mit kleinerer Spotgröße.

 

Laser-Spotgröße und Strahlqualität

Wenn ein Laserstrahl auf sein Zielmaterial trifft, bildet er einen Bereich aus Laserlicht, der als Spot bezeichnet wird. Die Spotgröße, die in der Regel in µm gemessen wird, ist ein entscheidender Faktor für die Wechselwirkung des Lasers mit seinem Ziel. Die Spotgröße kann auf verschiedene Weise gesteuert werden, beispielsweise durch die Verwendung unterschiedlicher Übertragungsfasern und Fokussierlinsen, durch Veränderung des Abstands zwischen Strahlübertragung und 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, da die Zeit, die ein Laserstrahl benötigt, um das Material zu durchdringen, verkürzt wird. Kleine Spotgrößen sind auch für eine Vielzahl von Mikroprozessanwendungen und für Teile, die feine Merkmale erfordern, unerlässlich. Für viele Anwendungen wie das Struktur-Schweißen ist jedoch eine Vergrößerung der Spotgröße optimal, um einen größeren Bereich zu bearbeiten und den erforderlichen Strahlweg zu verkürzen.

Strahlqualität, typischerweise gemessen in M2 für Single-Mode-Laser (typische Spotgröße: 20 bis 50 µm) und Beam Parameter Product (BPP) für Multi-Mode-Laser (typische Spotgröße: 100+ µm) ist ein wichtiger und komplexer Laserparameter, der in der Praxis angibt, wie stark ein Laserstrahl fokussiert werden kann. Niedrigerer M2 und BPP-Werte entsprechen einer höheren Strahlqualität. Eine Strahlqualität von M2 = 1 bedeutet, dass der Strahl keine Divergenz aufweist und als perfekt gilt. Obwohl dies mit tatsächlichen Geräten nicht ganz erreichbar ist, können industrielle Faserlaser zuverlässig Strahlqualitäten von 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 Glasfaserkabel aus Quarzglas, das als Verstärkungsmedium dient, und werden über elektrischen Strom gepumpt. Diese Art der Energieübertragung in Verbindung mit einer effizienten Umwandlung von Strom in Licht macht Faserlaser in vielen Fällen zu einer deutlich praktischeren Lösung als herkömmliche Laser wieCO2-Laser oder alternative Technologien wie Scheibenlaser. Da sie keine komplexe Optik, häufige Wartungsarbeiten oder Verbrauchsmaterialien erfordern, lässt sich die Faserlasertechnologie wesentlich einfacher integrieren und hat die laserbasierte Fertigung, medizinische Anwendungen und wissenschaftliche Vorhaben revolutionär verändert.

Funktionsvergleichstabelle zwischen Faserlaser und anderen Lasermedien.

Die einzigartigen Eigenschaften von Glasfasern machen sie zu einem idealen aktiven Verstärkungsmedium und Laserresonatormaterial. Glasfasern sind flexibel, einfach zu handhaben und in verschiedenen Längen erhältlich. Ihr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erleichtert die Wärmeabfuhr und hilft, thermische Linsenbildung zu vermeiden. Fasern unterschiedlicher Typen, Zusammensetzungen und Kerndurchmesser können miteinander verbunden werden, um komplexe optische Systeme zu konstruieren, die Pumpquellen, optische Verstärkung und Strahlführungsfasern kombinieren, ohne dass Freiraumoptik und die damit verbundenen Risiken von Verunreinigungen, Beschädigungen und Fehlausrichtungen erforderlich sind.

IPG-Faserlasertechnologie

Unsere einzigartige Technologieplattform ermöglicht es IPG-Lasern, höhere Ausgangsleistungen und eine überlegene Strahlqualität zu geringeren Kosten zu erzielen, als dies mit jeder anderen konkurrierenden Lasertechnologie möglich ist. Unsere proprietären Designs basieren auf innovativen Pumptechniken und Hochleistungskomponenten, die IPG im Laufe jahrzehntelanger intensiver Investitionen und Innovationen perfektioniert hat. Die Eckpfeiler der IPG-Faserlasertechnologie sind unsere Cladding-Side-Pumping-Technik und die verteilte Single-Emitter-Dioden-Pumparchitektur.

 

Diodenpumpentechnologie

 

Die Cladding-Side-Pumping-Technik und die verteilte Single-Emitter-Diodenpump-Architektur sind die Eckpfeiler der Faserlasertechnologie von IPG.

 

Die branchenführende Diodenpumpentechnologie basiert auf unserer umfassenden Erfahrung in der Telekommunikationsbranche und unseren Investitionen in Technologie. Unsere Einzeldioden werden unter Verwendung bewährter Technologien und Verfahren für die Telekommunikation hergestellt, und jeder Wafer wird nach strengen Standards der Telekommunikationsbranche qualifiziert, wodurch sich IPG von alternativen industriellen Pumpenprodukten unterscheidet, die kurzlebige Diodenleisten und Leistenstapel-Technologien verwenden. Dadurch bieten die Einzeldioden von IPG eine um eine Größenordnung höhere Pumphelligkeit und eine bis zu doppelt so hohe Energieeffizienz wie Bar-Stack-Pumpen. Einzeldiodenpumpen können mit einfacher Wasserkühlung oder sogar mit Zwangsluftkühlung betrieben werden, im Gegensatz zu Bar-Stacks, die teure, unzuverlässige und komplexe Mikrokanalkühler mit hochdruckentionisiertem Wasser erfordern.

Weitere Informationen

 

 

Seitenpumpentechnologie

 

Schematische Darstellung der von Dr. Valentin Gapontsev und Dr. Igor Samartsev entwickelten Seitenpumpentechnik

 

Faserlaser müssen das Licht von Laserdioden koppeln und sammeln, um einen kollimierten Laserausgang zu erzeugen. Der Ausgang von IPG-Einzelemitterdioden wird in Fasern mit einem Kerndurchmesser von nur 100 Mikrometern gesammelt. Mit Hilfe der von Dr. Valentin Gapontsev und Dr. Igor Samartsev entwickelten Seitenpumptechnik wird das Licht vieler Pumpdioden effizient in die Ummantelung einer aktiven Verstärkungsfaser gekoppelt. Das Pumplicht wird innerhalb der Ummantelung mehrfach reflektiert und kreuzt dabei häufig den Single-Mode-Kern, wo das Licht von Seltenerdionen absorbiert und wieder emittiert wird. Dieser elegante Mechanismus wandelt Diodenlicht mit außergewöhnlicher Effizienz in Faserlaserlicht um.

Wenden Sie sich an IPG, um mehr über unser Angebot an Faserlasern zu erfahren.

Erfahren Sie mehr über IPG-Faserlaser

Von Milliwatt bis zu mehr als hundert Kilowatt, von UV bis mittlerem IR und von Dauerstrichen bis zu Femtosekunden-Impulsen – IPG-Laser basieren auf branchenführender Technologie, um Ergebnisse in einer Vielzahl von Anwendungen zu optimieren, darunter Materialbearbeitung, medizinische Eingriffe und wissenschaftliche Projekte.

Erfahren Sie mehr darüber, wie die größte Auswahl an Faserlasern und Faserlaserfunktionen die Produktivität maximieren und mehr Möglichkeiten eröffnen kann.

Weitere Informationen
IPG-Bild

Möchten Sie mehr über die IPG-Faserlasertechnologie erfahren?

Ganz gleich, ob Sie ein Projekt planen oder einfach nur mehr über die IPG-Faserlasertechnologie erfahren möchten – ein IPG-Laserexperte steht Ihnen gerne zur Verfügung.