Phaser Laser

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Eine Sonderform des Feststofflasers ist der Laser. In einem Glasfaserlaser formt der Dotierkern einer Chemiefaser das Wirkmedium. Durch die große Wellenlänge der laseraktiven Fasern wird eine sehr starke Amplifikation erreicht. Bei Faserlasern wird die Faserlaserstrahlung in der Regel durch Einkopplung von Laserdioden in die Hülle oder sogar in diese eingelenkt.

Doppelmantel-Fasern ermöglichen größere Erträge; die Pumpenstrahlung wird vom dichten Mantelkern in den Aktivfaserkern eingelassen. Häufigstes Dotierelement für den Laser-Aktivfaserkern ist Erl ( "Erbium", Medizintechnik, Nachrichtentechnik), danach folgen für Hochleistungs-Anwendungen Jtterbium und Neodym. Eine Faserlasermaschine setzt sich aus einer oder mehreren Pumplaserdioden, einer optischen Sonde (diskreter oder fasergekoppelter Laser mit dem Mantelblech) und einem Laserresonator zusammen.

In der Regel bestehen die Fasern aus mehreren Lagen. Die Aktivkerne sind viel feiner, z.B. 10 µm, und bestehen aus doppeltem Quartzglas, z.B. mit einigen wenigen Prozentpunkten Al und einigen wenigen Millimetern Seltenen Erdmetallen. Die Konstruktion des Resonators kann auf verschiedene Weise erfolgen: Entweder durch zwei zusätzliche Spiegel, die z.B. die beiden gespiegelten Faserenden sein können, oder durch Faser-Bragg-Gitter (FBG), die mittels ultravioletter Strahlung (z.B. ein Excimer-Laser 248 nm) in den Hohlleiter (eine aufgebrachte Passivglasfaser ) eingelesen werden.

In den Faserkernen treten seitliche Brechungsindexdifferenzen mit hohem und niedrigem Brechungsindexbereich auf, die je nach Periodendauer eine bestimmte Wellenlängenstrahlung reflektieren. Dadurch ist ein schmalbandige maschineller Betrieb möglich. In der Regel tritt der Strahl nach dem Verlassen der Aktivfaser in eine Faseroptik oder ein diese enthaltenes Glasfaserkabel ein, das die Strahlen z.B. auf eine Fokussierungsoptik einer Lasermaterialbearbeitungsmaschine überträgt.

Leistungsstarke Laser haben einen kleinen Laser oder eine Diode in verschiedenen Bauformen als Seed-Laser zur Generierung der Ausgangsleistung für einen nachfolgenden Verstärker (optisch gepumpter aktiver Faser). Das Auftrennen des Laser in einen Seed-Laser und die Re-Amplifikation hat den großen Vorzug, dass die Laseraktivität besser gesteuert werden kann. Dabei geht es um die Stabilität der Wellenlänge, die Strahlenqualität und die Stabilität oder Pulsabilität der Leistung.

Grundlage waren erbiumdotierte Faserverstärker, die einem kleinen Laser-Oszillator untergeordnet waren. Aufgrund ihrer Robustheit, hohen Strahlenqualität und Leistungsfähigkeit sind sie für viele Applikationen einsetzbar. Für die Übertragung von Daten in optischen Fasern werden Low-Power-Faserlaser genutzt - für die Signalregeneration werden vergleichbare Anlagen (Faserverstärker) genutzt. Fiberlaser im Bereich von wenigen W können unter anderem für den medizinischen Bereich oder zur Markierung von Komponenten durch Farbwechsel genutzt werden.

Das Material ist durch seine nichtlineare Struktur bei hoher Feldstärke für passive Modenlaser (Femtosekundenlaser) geeignet. Hauptvorteile des Glasfaserlasers sind die gute Strahlenqualität der generierten Strahlung, ein hoher Wirkungsgrad des Umwandlungsprozesses (je nach Doping können mehr als 85% optisch erzielt werden), eine gute Abkühlung durch die große Faseroberfläche, die kompakten und wartungsfreien Bauformen und die leistungsfähige Fertigungstechnik durch den Einsatz von faserintegrierten Bauteilen.

Generell müssen Glasfaserlaser durch die Stirnflächen oder durch gespleißte glasfasergekoppelte Strahlenquellen hindurchgeführt werden. Dies erfordert Laserdioden mit hohem Wirkungsgrad. Diese Laser sind mit großen Strahleigenschaften bis in den Multi-kW-Bereich zu haben. Aufgrund der starken Faserverstärkung funktionieren die frequenzselektiven Bauelemente nicht sehr gut. Aufgrund der starken Entkopplung hat der Schwingkreis keine gute Qualität.

Durch die Weiterentwicklung von fibergekoppelten Pumplaserdioden, photonischen Aufbauten im Laser- und Pumpbereich der Aktivfaser und die Ankopplung mehrerer Einzelfaserlaser ist es möglich, mit kontinuierlichen Laserdioden in den Kilowatt-Bereich vorzudringen.

Dies machte Faserschweißlaser für die Werkstoffbearbeitung besonders attraktiv, zumal sie eine deutlich bessere Strahlenqualität haben als Diodenlaser. Auf der LASER 2005 wurde ein 18 Kilowatt starker Laser präsentiert. Aufgrund des modularem Aufbaus und der damit verbundenen Leistungsskalierbarkeit konnte bereits 2007 ein 36 Kilowatt starker Glasfaserlaser gebaut werden. Die 50 Kilowatt Laserleistung mit einer hohen Strahlenqualität wird z.B. im Schiffsbau (Schweißen von Dickblechen) und für den militärischen Einsatz eingesetzt.

Dabei ist die Strahlenqualität der abgestrahlten Strahlen (Strahlparameterprodukt < 2,5 mm×mrad bei 4...5kW bzw. 11,7 mm×mrad bei 17 kW Laserleistung)[7] bis zu vier Mal besser als die eines Vergleichslasers Nd:YAG (15-25 mm×mrad bei 4 kW), seine Leistungsfähigkeit eröffnet somit eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in der Werkstoffbearbeitung, wie das hochwertige Trennen, Verlöten und Verschweißen von Metall.

Durch die hohe Strahlenqualität sind relativ große Arbeitsentfernungen (z.B. Metallschweißen im Umkreis von ca. 2 m) möglich, was ganz neue Perspektiven in der automatischen Produktion aufzeigt. Bande 51, Nr. 5, Nr. 5, Nr. 1961, S. 491-498, doi:10.1364/JOSA.51.000491. E. Snitzer, H. Po, F. Hakimi, R. Tumminelli, B. C. C.: amplificateur du laser de fibre bei Ebium à l'1. 55 ?m mit Pumpe bei Pompe te á l'49 ?m und Er sensibilisierter Oszillator Yb.

F. Schneider: Schnellschneiden von Automotivstählen mit Faserlasern.