Fiberlaser - functionaliteit en toepassingsgebieden

De fiberlaser is een solid-state laser waarbij het laserlicht en het pomplicht in optische vezels ("glasvezels") worden geleid. Het laseractieve medium is de interne doorsnede van de glasvezel, die gedoteerd is met een zeldzaam aards element (vaak ytterbium).

De energie wordt geleverd door laserdioden, waarvan het licht (vaak 915nm of 977nm) via optische vezels naar de gedoteerde glasvezel wordt gebracht. De optische vezels zijn onderling verbonden door middel van splicing (lassen van glas), d.w.z. vaak zijn er geen open straalroutes voor pomp- of laserlicht (zie figuur 1). Hierdoor is de fiberlaser relatief ongevoelig voor vervuiling en trillingen. Omdat de pompdiodes ruimtelijk van elkaar gescheiden zijn en elk een eigen koellichaam heeft, is de levensduur van de pompdiodes hoog. Zolang het piekvermogen van de laserpulsen onder ongeveer 10 - 20kW wordt gehouden, resulteert dit in een hoge totale levensduur van enkele tienduizenden uren. Er zijn zowel continu uitzendende vezellasers ("cw" = continue golf) als gepulseerde vezellasers. Alleen gepulseerde vezellasers worden hieronder besproken, omdat ze veel beter geschikt zijn voor markeer- en graveertoepassingen. De pulsduur ligt meestal rond de 100 nanoseconden - kortere pulsen van enkele nanoseconden zijn haalbaar, maar alleen bij significant lagere pulsenergie.

De gepulseerde vezellasers in het "MOPA"-ontwerp bestaan uit een "master oscillator" (ook "zaadlaser") en een vezelgekoppelde "eindversterker". De eerste is of een diodelaser of een "laser op een chip" met een gemiddeld vermogen van enkele milliwatts tot een maximum van ongeveer 150mW. De laser zendt pulsen uit met een gedefinieerde pulsvorm. De "laser op een chip" herbergt een laser op een enkele chip - laser-actief medium, reflectoren en andere optische componenten zijn vaak niet alleen geïntegreerd maar monolithisch geconstrueerd. De versterker bestaat uit een ytterbium-gedoteerde glasvezel, die via vezelgekoppelde pompdiodes van energie wordt voorzien. Als er een laserpuls moet worden gegenereerd, laden de pompdiodes eerst de versterkervezel op (populatie-inversie). Voordat deze zich door spontane emissie ontlaadt, geeft de zaadlaser een puls af die enkele honderden tot duizenden keren versterkt wordt als hij door de vezel gaat. De versterking vindt plaats in één doorgang ("single-pass versterker"). De vezel is vaak in spoelvorm - dus in een klein volume kan een groot versterkingsbereik en dus een hoge versterking worden gerealiseerd.

Het piekvermogen van fiberlasers voor markeer- en graveertoepassingen is doorgaans 10kW - 20kW. Dit bij een gemiddeld uitgangsvermogen van 10W - 100W. Door de hoge straalkwaliteit en de bijbehorende goede focusbaarheid kunnen kleine structuren worden gegraveerd of hoge-resolutie markeringen en afbeeldingen worden gemarkeerd.

Het grote oppervlak - en tegelijkertijd het lage volume - van de gebruikte glasvezels maakt een effectieve koeling mogelijk en dus een zeer compacte en onderhoudsvrije structuur. Het relatief hoge rendement (elektrisch - optisch tot meer dan 20%) zorgt voor lage energiekosten en lage afvalwarmte. De totale levensduurkosten zijn beduidend lager in vergelijking met YAG-lasers die langer beschikbaar zijn en vergelijkbare toepassingen dekken.

Vergeleken met YAG-lasers hebben fiberlasers een lager pulspiekvermogen (10-20kW vezellasers, 30 - 100kW voor YAG) en een hogere pulsduur. Dit kan nadelig zijn bij het lasermarkeren van sommige kunststoffen en in de hoogwaardige diepgravure van metalen.

De kleine doorsnede van de gebruikte glasvezels beperkt het piekvermogen van de fiberlasers. Als pulsen met een korte duur en hoge pulsenergie worden gegenereerd, ontstaan hoge piekintensiteiten, die kunnen leiden tot de vernietiging van de vezel (vorming van kleurcentra).

Gepulseerde fiberlasers hebben in de afgelopen 10 jaar ten minste een deel van de eerder vastgestelde YAG-lasers vervangen. De compacte, robuuste en relatief eenvoudig te koelen structuur van de fiberlasers, in combinatie met een lange levensduur en lage totale levensduurkosten, hebben dit mogelijk gemaakt. Belangrijke productieprocessen in de constructie van fiberlasers zijn overgenomen (aangepast) uit de telecommunicatie-industrie - bijv. splicing, d.w.z. het lassen van de kopse kanten van twee glasvezels, waarbij het contactoppervlak een zeer hoge zuiverheid en een lage demping heeft.