Laser gibt es schon seit langer Zeit, aber ihre Verwendung in kommerziellen Anwendungen ist relativ neu. Es dauerte eine Weile, bis Ingenieure die Laserfähigkeiten so weit verstärken konnten, dass sie in Bezug auf Kosten, Zeit und Benutzerfreundlichkeit mit traditionellen Fertigungsmethoden konkurrieren konnten.
Die Faserlasertechnologie, zum Beispiel, wurde erstmals in den 60er Jahren entwickelt. Damals befand sich diese Technologie noch in den Kinderschuhen. Erst in den 1990er Jahren wurde sie für den kommerziellen Einsatz geeignet. Seitdem hat die Technologie in Bezug auf ihre Anwendungen und Effizienz einen weiten Weg zurückgelegt. In den 60er Jahren war es nur möglich, einige Dutzend Milliwatt zu erzeugen; heute haben wir Faserlaser, die über 1000 Watt mit zuverlässigen Endeigenschaften erzeugen können.
In diesem Artikel werden wir diskutieren, wie ein Faserlaser funktioniert, wo er eingesetzt wird und warum er oft die optimale Wahl im Vergleich zu Alternativen ist. Aber zunächst lassen Sie uns verstehen, was ein Faserlaser ist.
Was ist ein Faserlaser?
Faserlaser sind eine Art von Festkörperlasern, die optische Fasern als aktives Verstärkungsmedium verwenden. In diesen Lasern absorbiert eine Faser aus Silikat- oder Phosphatglas rohes Licht von Pump-Laserdioden und wandelt es in einen Laserstrahl mit einer spezifischen Wellenlänge um.
Um dies zu erreichen, wird die optische Faser dotiert. Dotierung bezieht sich auf die Praxis, ein Seltenerd-Element in die Faser einzubringen. Durch die Verwendung verschiedener Dotierungselemente können Laserstrahlen mit einer breiten Palette von Wellenlängen erzeugt werden.
Einige gängige Dotierungselemente in aufsteigender Reihenfolge der emittierten Wellenlängen sind 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).
Aufgrund dieser breiten Palette von erzeugten Wellenlängen sind Faserlaser perfekt für eine Vielzahl von Anwendungen wie Laserschneiden, Strukturieren, Reinigen, Gravieren, Bohren, Markieren und Schweißen geeignet. Dies ermöglicht es auch, dass Faserlaser in vielen verschiedenen Sektoren eingesetzt werden, wie Medizin, Verteidigung, Telekommunikation, Automobil, Spektroskopie, Elektrotechnik, Fertigung und Transport.
Wie ein Faserlaser funktioniert
Schematische Darstellung eines Faserlasers
Ein Faserlaser ist nach seinem aktiven Verstärkungsmedium benannt, nämlich der optischen Faser. Jede Faserlasermaschine, die einen gut kollimierten Hochleistungslaser erzeugt, durchläuft fünf Hauptstufen:
- Erzeugung von Pumplicht
- Sammlung und Transport in die optische Faser
- Das Pumplicht durchläuft die optische Faser
- Stimulierte Emission in der Laserkavität
- Verstärkung des Rohlaserlichts zu einem Laserstrahl
1. Erzeugung von Pumplicht
Hier tritt die Energie für den Laserstrahl in das System ein. In Faserlasern verwenden wir Elektrizität als Energiequelle. Dioden, sogenannte Pump-Laserdioden, wandeln elektrische Energie in Lichtenergie um. In hochwertigen Dioden ist die Umwandlung zuverlässig und effizient und erzeugt Lichtenergie nur mit spezifischen Wellenlängen.
In den meisten Fällen wird dieses Pumplicht von mehreren Laserdioden in Teilen erzeugt und dann in der Glasfaser kombiniert. Zum Beispiel gibt es 20W-Lasermaschinen, die Pumplicht von 11 Laserdioden in der Glasfaser kombinieren.
2. Sammlung und Transport in die optische Faser
Ein Koppler kombiniert das Licht von mehreren Laserdioden zu einem. Dieser Koppler ist Teil der optischen Faser. Er hat auf einer Seite mehrere Eintrittspunkte, von denen jeder mit einer Faser von einer einzelnen Laserdiodenquelle verbunden ist.
Auf der anderen Seite gibt es einen einzelnen Austrittspunkt, der mit der Hauptfaser verbunden ist. Sobald das gesamte Licht gesammelt ist, wandert es zum Lasermedium oder Verstärkungsmedium.
3. Das Pumplicht durchläuft die optische Faser
Im nächsten Schritt fließt das Licht der Laserdioden durch die optische Faser zum Lasermedium. Die Faser besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Kern und dem Mantel. Der Kern besteht aus Silikatglas und bietet den Weg für das Licht. Dieser Kern ist von einem Mantel umgeben. Wenn das Licht den Mantel erreicht, wird es vollständig in den Kern zurückreflektiert.
Faserlaser verlieren unvermeidlich etwas Leistung durch Wärme, aber das hervorragende Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ermöglicht eine effektive Wärmeabfuhr, was zu sehr geringem hitzebedingtem Verschleiß führt.
4. Stimulierte Emission in der Laserkavität
Wenn das Licht der Laserdioden die dotierte Faser erreicht, trifft es auf die Atome des Seltenerd-Elements und regt deren Elektronen auf ein höheres Energieniveau an. Mit der Zeit führt dies zu einer Besetzungsinversion, die für die Produktion eines Lasers notwendig ist.
Besetzungsinversion in Lasern bezieht sich auf den Zustand eines Verstärkungsmediums, in dem eine größere Anzahl von Elektronen in einem angeregten Zustand ist als in einem nicht angeregten Zustand. Es wird so genannt, weil dies das Gegenteil des Normalzustands ist.
Wenn einige dieser Elektronen natürlich auf niedrigere Energieniveaus fallen, emittieren sie Photonen nur einer spezifischen Wellenlänge. Diese Photonen interagieren mit anderen angeregten Elektronen und stimulieren sie, ähnliche Photonen zu emittieren und zu ihren ursprünglichen niedrigeren Energieniveaus zurückzukehren. Dies ist der physikalische Prozess der „stimulierten Emission“, der Teil des Akronyms LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist.
5. Verstärkung des Rohlaserlichts zu einem Laserstrahl
Bevor das Rohlaserlicht aus der dotierten Faser in Anwendungen verwendet wird, muss es zuerst verstärkt werden. In Faserlasern wird dies durch die Verwendung von Faser-Bragg-Gittern (FBGs) erreicht. Diese Gitter ersetzen konventionelle dielektrische Spiegel, indem sie als Spiegel mit variabler Reflexion fungieren.
Das Licht springt zwischen den Bragg-Gittern hin und her. Ein Teil des Laserlichts passiert in eine Richtung, während das restliche Licht in die Laserkavität zurückreflektiert wird. Der Teil, der durch das Gitter hindurchtritt, wird zum Laserstrahl. Dieser Strahl wird dann durch einen Oszillator (und manchmal einen Kombinator) geleitet, um die Kohärenz zu verbessern, und dann als Ausgang ausgegeben.
Faserlaser vs. CO2-Laser
Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Prozessen ist die Quelle, in der der Laserstrahl erzeugt wird. Wie bereits erklärt, ist die Faserlaserquelle Silikatglas, gemischt mit einem Seltenerd-Element. Andererseits ist die CO2-Laserquelle ein Gasgemisch mit CO2 als Hauptbestandteil.
Faserlaser übertreffen CO2-Laser in fast allen Bereichen, außer bei den anfänglichen Investitionskosten. Zum Beispiel können CO2-Laser viele reflektierende Materialien nicht schneiden. Faserlaser hingegen können eine größere Anzahl dieser reflektierenden Metalle wie Kupfer, Messing, Aluminium und Edelstahl besser bearbeiten. Ein Faserlaser benötigt auch weniger Leistung und bietet höhere Effizienz. All dies bei halben Betriebskosten und fünfmal höherer Schneidgeschwindigkeit eines CO2-Lasers (beim Schneiden dünner Metalle).
Obwohl beim Schneiden dickerer Materialien (über 5 mm) CO2-Laser immer noch allgemein bevorzugt werden, erweitern die ständigen Fortschritte in der Faserlasertechnologie die Fälle, in denen diese Technologie die Nase vorn hat. Derzeit macht es also Sinn, wenn Ihr Laserschneiddienstleister Zugang zu beiden Arten von Maschinen hat, um verschiedene Projekte effizient abzuwickeln.
Ein Faserlaser bietet auch bessere Strahlqualität, höhere Zuverlässigkeit, geringeren CO2-Fußabdruck, schnellere Startzeit, längere Lebensdauer und Fernverarbeitungsmöglichkeiten. Er erfordert auch weniger Wartung, da keine Spiegel oder Linsen beteiligt sind. Die Spiegeljustierung bei CO2-Lasermaschinen erfordert in der Regel einen Fachmann oder eine spezielle Schulung des Bedieners.
Er erfordert auch keine keramische Markierverbindung für die Lasergravur wie ein CO2-Laser. Obwohl Faserlaser bei der anfänglichen Investition teurer sind als CO2-Laser, sind sie auf lange Sicht dennoch eine kosteneffizientere Lösung aufgrund der niedrigeren Gesamtkosten (Total Cost of Ownership, TCO).
Anwendungen von Faserlasern
Aufgrund der breiten Palette möglicher Leistungsabgaben werden Faserlaser effektiv in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Einige davon sind:
Lasermarkierung
Im Allgemeinen gelten ytterbium-dotierte Faserlaser mit einer Emissionswellenlänge von 1064 nm als perfekt für Lasermarkierungsanwendungen. Diese Laser können Kunststoffe und Metalle mit permanenten, kontrastreichen Markierungen versehen. OEMs sowie Zulieferer benötigen Lasermarkierungsmaschinen für die Teileidentifikation wie Barcodes, Logos oder andere Texte.
Diese Maschinen können manuell oder automatisiert sein und können an kurze Produktionszyklen angepasst werden. Neben dem Markieren können Faserlasergeräte auch zum Anlassen, Ätzen und Gravieren verwendet werden.
Laserreinigung
Faserlaser können Metalloberflächen effektiv von Farbe, Oxid, Rost usw. reinigen. Dieser Prozess ist als Laserreinigung bekannt. Der Prozess kann automatisiert und an verschiedene Produktionslinienparameter angepasst werden.
Laserschweißen
Eine weitere wichtige Anwendung für diese Laser ist das Laserschweißen. Faserlaserschweißen ist eine der vielversprechendsten aufstrebenden Technologien, die aufgrund der verschiedenen Vorteile, die der Prozess bietet, schnell Marktanteile gewinnt. Laserschweißen bietet schnellere Geschwindigkeiten, höhere Präzision, geringere Verformung, höhere Qualität und Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
Laserschneiden
Laserschneiden ist eines der am meisten erforschten Gebiete der Faserlaseranwendung. Es kann komplexe Schnitte mit beeindruckender Kantenqualität bewältigen. Dies macht es optimal für Teile mit engen Toleranzen. Seine Akzeptanz steigt branchenübergreifend bei Fertigungsbetrieben aufgrund seiner langen Liste von Vorteilen. Werfen wir einen Blick darauf, was diese sind.
Vorteile des Faserlaserschneidens
Im Vergleich zu anderen Lasertypen hat ein Faserlaser mehrere Eigenschaften, die ihn ideal für den breiteren kommerziellen Einsatz machen. Wir haben diese Vorteile in vier Kategorien unterteilt:
Prozessvorteile
- Größere Stabilität
- Hohe Effizienz
- Hervorragende Strahlqualität
- Einfache Integration
- Berührungsloser Prozess
- Schnellere Geschwindigkeiten (obwohl CO2-Laser in geraden Linien schneller schneiden)
- Sicherer, da der Strahl leichter absorbiert wird und Reflexionsschäden verhindert
Kostenvorteile
- Langfristig kosteneffektiver
- Hohe Energieeffizienz (~75%, die Zahl für CO2-Laser liegt bei ~20%)
- Reduzierter Abfall
- Geringerer Stromverbrauch
- Reduzierte Bedienerredundanz
- Niedrige Betriebskosten
Ausrüstungsvorteile
- Skalierbarkeit
- Vielseitigkeit über Branchen hinweg
- Kompakt mit kleinerem Platzbedarf
- Lange Lebensdauer
- Keine periodische Spiegeljustierung
- Reduzierte Einrichtungs- und Ausfallzeiten
- Wegfall von Werkzeugkosten
Teilequalitätsvorteile
- Weniger Hitzeschäden an Details
- Materialvielfalt
- Bessere Kantenqualität
- Geringere Restspannungen
- Reduzierte Teilekontamination
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