Faserlaser
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Ein Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers. Der dotierte Kern einer Glasfaser bildet bei einem Faserlaser das aktive Medium. Es handelt sich also um einen Glaslaser mit Lichtwellenleiter-Eigenschaften. Das Laserlicht, welches durch die Faser geleitet wird, erfährt aufgrund der großen Länge eine sehr hohe Verstärkung. Faserlaser werden optisch gepumpt, im allgemeinen, indem parallel zum Faserkern oder in diesen Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird. Zu diesem Zweck werden in modernen Systemen Doppelmantelfasern eingesetzt, so genannte double clad fibers.
Ein Faserlaser besteht im Vergleich zu einem Faserverstärker aus zwei zusätzlichen Spiegeln an seinen Endflächen, die einen Resonator bilden und somit einen kontrollierten Laserbetrieb ermöglichen. Diese Spiegelflächen bestehen aus mit UV-Licht in die Glasfaser einbeschriebenen Brechzahlveränderungen, den so genannten Faser-Bragg-Gittern. Der Vorteil hierbei ist, dass an diesen Gittern keine zusätzlichen Koppelverluste entstehen und die FBG nur die gewünschten Wellenlängen selektiv reflektieren.
Wesentliche Vorteile dieser Bauform sind die hohe Strahlqualität des erzeugten Lichts, eine hohe Effizienz des Konversionsprozesses (abhängig von der Dotierung können optisch-optisch über 85 % erreicht werden), die gute Kühlung durch die große Oberfläche der Faser, der robuste Aufbau sowie die effektive Fertigungstechnologie durch Verwendung faserintegrierter Komponenten.
Das häufigste Dotierungselement für den laseraktiven Faserkern ist Erbium, gefolgt von Ytterbium und Neodym.
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[Bearbeiten] Entwicklung
Das Konzept des Faserlasers gibt es bereits seit mehr als vierzig Jahren. 1961 erkannte E. Snitzer die Vorteile von Glasfasern bei der Konstruktion von Lasern. Im Laufe seiner Forschungsarbeiten beschrieb er erstmals 1988 einen mantelgepumpten Faserverstärker und gilt somit als Begründer dieser Technologie.
Im Laufe seiner Entwicklung wurden die optischen Leistungen immer weiter gesteigert - um 1990 waren die ersten kommerziellen Geräte im Watt-Bereich verfügbar. Diese basierten auf Erbium-dotierten nachgeschalteten Faserverstärkern.
Faserlaser verfügen über einzigartige Eigenschaften, so z. B. elektrisch-optische Wirkungsgrade bis über 20%, herausragende Strahlqualität (bei niedrigen Ausgangsleistungen im Watt-Bereich ein M² von ca. 1,0), hohe Lebensdauer und einen kompakten, unempfindlichen Aufbau.
[Bearbeiten] Einsatzgebiete
Durch den robusten Aufbau, die hohe Strahlqualität und die Effizienz sind Faserlaser für viele Anwendungen geeignet.
Faserlaser kleiner Leistung werden zur Datenübertragung in Glasfasern verwendet - auch zur Signalregenerierung werden prinzipiell ähnliche Anordnungen verwendet.
Faserlaser im Leistungsbereich von einigen Watt können unter anderem für medizinische Zwecke eingesetzt werden.
Systeme hoher Leistung werden zum Beispiel zum Schweißen verwendet.
Die Nichtlinearität des Materials bei hohen Feldstärken eignet sich für passiv modengekoppelte Laser (Femtosekundenlaser).
[Bearbeiten] Nachteile
Im Allgemeinen müssen die Fasern durch die Endflächen gepumpt werden. Dazu sind Diodenlaser hoher Strahlqualität erforderlich. Diese sind teuer und unterliegen einer Alterung. Durch andere Pumpkonzepte und den Einsatz von Einzeldioden lassen sich Zuverlässigkeit und Kosten gegenüber Diodenbarren erheblich steigern. Solche Laser sind bis in den hohen Multi-kW-Bereich mit hohen Strahlqualitäten kommerziell verfügbar.
Durch die große Verstärkung der Faser wirken frequenzselektive Elemente nicht sehr gut. Durch die hohe Auskopplung hat der Resonator keine hohe Güte. Zum anderen hat man einen hohen Anteil verstärkter spontaner Emission (ASE). Durch entsprechendes optisches Design werden heute Faserlaser linear polarisiert und als Single Frequency Laser umfangreich eingesetzt.
Durch den kleinen Querschnitt der Faser ist die Spitzenleistung begrenzt. Bei der Erzeugung kurzer Pulse mit hoher Pulsspitzenleistungen kommt es daher leicht zur Zerstörung der Faser. Insbesondere die Faserendflächen setzen der auskoppelbaren Leistung Grenzen.
[Bearbeiten] Neueste Ergebnisse
Moderne Cladding-Pumptechniken mit Hochleistungs-Diodenlasern (Laserdioden), effektive Kühlungskonzepte sowie die Kopplung mehrerer Einzel-Faserlaser haben es möglich gemacht, mit kontinuierlich arbeitenden Faserlasern in den Kilowattbereich vorzustoßen. Dadurch wurden Faserlaser auch für die Materialbearbeitung interessant, zumal sie zugleich hervorragende Strahlqualität besitzen. Zur Messe LASER 2005 wurde von der IPG Photonics Corp. ein 18 kW Faserlaser vorgestellt.
Die Strahlqualität der emittierten Strahlung ist mit 15 mm mrad bis zu viermal besser als die eines vergleichbaren Nd:YAG Lasers, seine Leistung erschließt ihm damit zahlreiche Anwendungsfelder in der Materialbearbeitung, wie z. B. hochqualitatives Schneiden, Löten und Schweißen von Metallen. Aufgrund der hohen Strahlqualität sind dabei vergleichsweise große Arbeitsabstände (z.B. Metallschweißen in ca. 1 Meter Abstand) möglich, was völlig neue Möglichkeiten in der automatisierten Fertigung eröffnet (schwer zugängliche Stellen bearbeiten, Strahl-Ablenkung mit Spiegelscannern).
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