Haben Sie sich jemals gefragt, wie Spitzentechnologie eine solche Präzision erreicht? Faserlaser, ein Wunderwerk der modernen Technik, nutzen mit Seltenen Erden dotierte Glasfasern, um hocheffiziente und vielseitige Laserstrahlen zu erzeugen. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Mechanik von Faserlasern, ihre verschiedenen Typen und ihre zahlreichen industriellen Anwendungen. Vom Schneiden mit hoher Leistung bis hin zu empfindlichen Markierungen erfahren Sie, wie Faserlaser Fertigungsprozesse revolutionieren und was sie herkömmlichen Lasertechnologien überlegen macht. Tauchen Sie ein und entdecken Sie die Zukunft der Lasertechnologie.
Ein Faserlaser ist ein Laser, der mit Seltene-Erden-Elementen dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium verwendet.
Er kann auf der Grundlage von Faserverstärkern entwickelt werden: Unter der Einwirkung von Pumplicht bildet sich in der Faser leicht eine hohe Leistungsdichte, die eine "Populationsumkehr" der Laserenergieniveaus im Lasermaterial bewirkt.
Wenn eine geeignete positive Rückkopplungsschleife (die einen Resonanzraum bildet) hinzugefügt wird, kann eine Laseroszillationsleistung erzeugt werden.
Basierend auf den Arten von Fasermaterialien können Faserlaser in folgende Kategorien unterteilt werden:
(1) Kristallfaserlaser.
Das Arbeitsmaterial sind Laserkristallfasern, darunter Rubin-Einkristall-Faserlaser und Nd3+:YAG-Einkristall-Faserlaser, unter anderem.
(2) Nichtlineare optische Faserlaser.
Zu den wichtigsten Typen gehören Faserlaser mit stimulierter Raman-Streuung und Faserlaser mit stimulierter Brillouin-Streuung.
(3) Seltene-Erden-dotierte Faserlaser.
Das Basismaterial der Faser ist Glas, und Ionen von Seltenen Erden werden in die Faser dotiert, um sie zu aktivieren, wodurch ein Faserlaser entsteht.
(4) Kunststoff-Faserlaser.
Zur Herstellung von Faserlasern werden Laserfarbstoffe in den Kern oder die Ummantelung von Kunststofffasern dotiert.
Als Vertreter der Lasertechnologie der dritten Generation haben Faserlaser die folgenden Vorteile:
Die Einführung von Doppelmantel-Fasern ist zweifellos ein großer Durchbruch im Faserbereich, der die Herstellung von Hochleistungs-Faserlasern und optischen Hochleistungsverstärkern möglich macht.
Seit E. Snitzer 1988 zum ersten Mal die Technologie des Mantelpumpens von Faserlasern beschrieben hat, wurde sie in großem Umfang für Faserlaser und Faserverstärker eingesetzt und ist zur bevorzugten Methode für die Herstellung von Hochleistungs-Faserlasern geworden.
Die Cladding-Pumptechnologie besteht aus vier Schichten:
①Faserkern;
② Innenverkleidung;
③Außenverkleidung;
④Schutzschicht.
Das Pumplicht wird in den inneren Mantel eingekoppelt (der im Allgemeinen eine unregelmäßige Struktur aufweist, z. B. elliptisch, quadratisch, pflaumenblütenförmig, D-förmig, sechseckig usw.), das Licht wird zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel (der im Allgemeinen kreisförmig ist) hin- und herreflektiert und nach mehreren Durchgängen vom Singlemode-Faserkern absorbiert.
Bei dieser Struktur muss das Pumplicht kein Singlemode-Laser sein und kann die gesamte Länge der Faser pumpen, so dass ein Hochleistungs-Multimode-Laserdioden-Array als Pumpquelle gewählt werden kann, das mehr als 70% der Pumpenergie indirekt in den Faserkern einkoppelt und so die Pumpeffizienz erheblich verbessert.
Die Eigenschaften der Hüllrohrpumpentechnologie bestimmen die folgenden herausragenden Leistungen dieser Technologie Lasertyp:
(1) Hohe Leistung
Eine Gruppe von Multimode-Pumpdiodenmodulen kann eine optische Leistung von 100 Watt abgeben, und die parallele Anordnung mehrerer Multimode-Pumpdioden ermöglicht die Entwicklung von Faserlasern mit hoher Ausgangsleistung.
(2) Keine Notwendigkeit für thermoelektrische Kühler
Diese Hochleistungs-Multimode-Diode mit großer Reichweite kann bei hohen Temperaturen betrieben werden und erfordert nur eine einfache und kostengünstige Luftkühlung.
(3) Breiter Wellenlängenbereich beim Pumpen
Die mit Erbium- und Ytterbium-Seltenerdelementen dotierte aktive Mantel-Faser in Hochleistungs-Faserlasern hat einen breiten und flachen Lichtwellen-Absorptionsbereich (930-970 nm), so dass die Pumpdioden keine Wellenlängen-Stabilisierungsvorrichtung benötigen.
(4) Hohe Effizienz
Das Pumplicht durchquert den Singlemode-Faserkern mehrfach, so dass seine Auslastung hoch ist.
(5) Hohe Zuverlässigkeit
Multimode-Pumpdioden sind wesentlich stabiler als Singlemode-Pumpdioden. Ihr geometrisch breiter Bereich führt zu einer geringen optischen Leistungsdichte und einer niedrigen Stromdichte durch den aktiven Bereich, was den Pumpdioden eine zuverlässige Betriebslebensdauer von über 1 Million Stunden verleiht.
Derzeit lassen sich die Technologien zur Realisierung von mantelgepumpten Faserlasern in drei Hauptkategorien unterteilen: einseitig gepumpte Laser mit linearem Resonator, doppelendig gepumpte Laser mit linearem Resonator und doppelschichtige Faserlaser mit Ringresonator. Aus diesen drei Grundtypen lassen sich verschiedene Arten von doppelwandigen Faserlasern entwickeln.
In einem Dokument der OFC-2002 wurde eine Struktur für einen neuartigen mantelgepumpten Faserlaser mit einer Ausgangsleistung von 3,8 W, einer Schwelle von 1,7 W und einer Steigungseffizienz von bis zu 85% vorgestellt.
Auf dem Gebiet der Produkttechnologie hat sich das amerikanische Unternehmen IPG hervorgetan, das einen doppelwandigen Erbium-dotierten Faserlaser mit 700 W entwickelt und die Einführung eines Faserlasers mit 2000 W angekündigt hat.
Der Pulsfaserlaser ist mit seiner ausgezeichneten Strahlqualität, Zuverlässigkeit, längsten wartungsfreien Zeit, höchsten elektro-optischen Gesamtwirkungsgrad, Pulswiederholfrequenz, kleinsten Größe, einfachsten und flexibelsten Anwendung ohne Wasserkühlung und niedrigsten Betriebskosten die einzige Wahl für Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Lasermarkierungen.
Ein Faserlasermarkierungssystem kann aus einem oder zwei 25-W-Faserlasern, einem oder zwei Abtastköpfen zur Führung des Lichts auf das Werkstück und einem Industriecomputer zur Steuerung der Abtastköpfe bestehen. Diese Konstruktion ist mehr als viermal so effizient wie die Verwendung eines 50-W-Lasers, der auf zwei Abtastköpfe aufgeteilt ist.
Die Materialbearbeitung mit Faserlasern ist ein thermischer Behandlungsprozess, der darauf beruht, dass Teile des Materials die Laserenergie absorbieren. Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1 um wird von Metallen, Kunststoffen und keramischen Materialien leicht absorbiert.
Das Faserlaserformen oder -biegen ist eine Technologie, die zur Veränderung der Krümmung von Metallplatten oder Hartkeramik eingesetzt wird.
Die konzentrierte Erwärmung und das schnelle Selbstschneiden führen zu einer plastischen Verformung im lasererwärmten Bereich, wodurch die Krümmung des Zielwerkstücks dauerhaft verändert wird.
Mit der kontinuierlichen Steigerung der Leistung werden Faserlaser in großem Umfang für das industrielle Schneiden eingesetzt. Ein Beispiel ist der Einsatz eines schnell schneidenden kontinuierlichen Faserlasers für das Mikroschneiden von Arterienrohren aus Edelstahl.
Aufgrund ihrer hohen Strahlqualität können Faserlaser einen sehr kleinen Fokusdurchmesser und damit kleine Schnittspaltbreiteund setzt neue Maßstäbe in der Medizinprodukteindustrie.
Darüber hinaus haben Faserlaser eine unersetzliche Stellung im Bereich der optischen Kommunikation, da ihre Wellenlänge die beiden wichtigsten Kommunikationsfenster bei 1,3μm und 1,5μm abdeckt.
Die erfolgreiche Entwicklung von Hochleistungs-Faserlasern mit doppelter Ummantelung hat zu einem raschen Anstieg der Marktnachfrage im Bereich der Laserbearbeitung.
Der spezifische Anwendungsbereich und die erforderliche Leistung von Faserlasern im Bereich der Laserbearbeitung sind wie folgt:
Mit der Entwicklung des Schreibens von ultravioletten Faser-Bragg-Gittern und der Technologie des Mantelpumpens werden Faserlaser mit Wellenlängenkonversion im UV, Blau, Grün, Rot und Nahinfrarot als praktische Festkörperlichtquellen in der Datenspeicherung, Farbanzeige und medizinischen Fluoreszenzdiagnose eingesetzt.
Faserlaser im fernen Infrarotbereich werden aufgrund ihrer kompakten und flexiblen Struktur, ihrer abstimmbaren Energie und Wellenlänge auch in Bereichen wie der Lasermedizin und der Biotechnik eingesetzt.
Die frühe Forschung an Lasern konzentrierte sich hauptsächlich auf Kurzpulsleistung und die Erweiterung des abstimmbaren Wellenlängenbereichs.
Die rasante Entwicklung und der Fortschritt der DWDM- (Dense Wavelength Division Multiplexing) und der optischen Zeitmultiplex-Technologien beschleunigen und fördern die Weiterentwicklung der Mehrwellenlängen-Faserlasertechnologie und der Superkontinuum-Faserlaser.
Das Aufkommen von Faserlasern mit mehreren Wellenlängen und Superkontinuum-Faserlasern bietet eine ideale Lösung für die kostengünstige DWDM- oder OTDM-Übertragung im Tb/s-Bereich.
Aus der Perspektive ihrer technologischen Umsetzung, die Verwendung von spontaner Emission verstärkt durch EDFA, Femtosekunde Pulstechnologie und superlumineszierende Dioden wurden berichtet.
Als Vertreter der dritten Generation der Lasertechnologie sind Faserlaser anderen Lasern technisch weit überlegen.
Kurzfristig glauben wir jedoch, dass sich Faserlaser hauptsächlich auf High-End-Anwendungen konzentrieren werden. Mit der zunehmenden Verbreitung von Faserlasern, der Senkung der Kosten und der Steigerung der Produktionskapazitäten könnten sie schließlich einen großen Teil der CO2-Hochleistungslaser und die große Mehrheit der YAG-Laser weltweit ersetzen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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