Von der Steckdose bis zum Blech: was in einer Faserlaserquelle wirklich passiert

Ein Akronym, das schon die halbe Erklärung liefert

LASER steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Interessant ist der Teil "stimulierte Emission".

In einer Glühlampe geben die Atome ihre Photonen ab, wann es sich gerade ergibt, jedes für sich: zufällige Richtungen, zufällige Phasen, Wellenlängen über ein breites Spektrum verteilt. Das Ergebnis ist Licht, das sich in alle Richtungen verteilt und sich über eine bestimmte Grenze hinaus nicht bündeln lässt.

Bei der stimulierten Emission ist es umgekehrt. Ein Photon, das an einem bereits angeregten Atom vorbeiläuft, veranlasst dieses, ein zweites Photon abzugeben, das mit dem ersten identisch ist: gleiche Wellenlänge, gleiche Richtung, gleiche Phase. Aus einem werden zwei, dann vier, dann eine Lawine. Diese Kohärenz ist der eigentliche Grund, warum ein Laserstrahl auf einen Punkt von wenigen zehn Mikrometern fokussiert werden kann. Ein Industriestrahler mit 10 kW versengt im Vergleich dazu nicht einmal ein Blatt Papier.

Alles Übrige, die Quelle, die Faser, der Schneidkopf, ist Technik, die um dieses Prinzip herum gebaut wurde.

Stufe 1: die Pumpdioden, wo aus Strom Licht wird

Die Kette beginnt mit den Pumpdioden, Halbleiterlasern, die elektrischen Strom unmittelbar in Photonen umwandeln, typischerweise bei etwa 915 oder 976 nm.

Hier entscheidet sich ein großer Teil des Gesamtwirkungsgrads der Maschine. Nach Angaben der Quellenhersteller erreichen Faserlaserquellen mit Ytterbium eine Wall-Plug-Efficiency, also das Verhältnis von optischer Ausgangsleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung, in der Größenordnung von 30 bis 45%. Die neuesten Baureihen liegen über 50%. Eine CO₂-Quelle gleicher Leistung kommt im Vergleich dazu typischerweise auf etwa 10%.

Dieser Unterschied betrifft nicht nur die Stromrechnung. Weniger Verlustwärme bedeutet kleinere Kühlaggregate, weniger thermische Trägheit, weniger Bauteile, die mit der Zeit driften können.

Dioden halten nicht ewig, ihre Lebensdauer wird jedoch in Zehntausenden von Stunden gemessen. Sie sind faktisch das "langsame Verschleißteil" der Quelle.

Stufe 2: das aktive Medium, oder warum das Licht die Faser nicht verlässt

Das Licht der Dioden wird in eine besondere Lichtleitfaser eingekoppelt. Es ist keine Telekommunikationsfaser: Sie ist mit Ytterbium dotiert (Yb³⁺), einem Element der Seltenen Erden, das die Pumpphotonen aufnimmt und bei etwas größerer Wellenlänge wieder abgibt, typischerweise 1060 bis 1080 nm.

Die Faser ist konzentrisch aufgebaut:

• der Kern aus dotiertem Quarzglas, in dem die Verstärkung stattfindet, mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern bis zu einigen Zehn bei Hochleistungsfasern
• der Mantel (Cladding), der ihn umschließt
• die äußeren Schutzschichten

Entscheidend ist, dass der Kern einen höheren Brechungsindex hat als der Mantel. Trifft das im Kern laufende Licht unterhalb eines kritischen Winkels auf die Grenzfläche, tritt es nicht hindurch, sondern wird vollständig reflektiert. Das ist die Totalreflexion, derselbe Effekt, der es unmöglich macht, aus einem Schwimmbecken heraus zu sehen, wenn man die Oberfläche von unten in flachem Winkel betrachtet.

Der Strahl bleibt dadurch über die gesamte Faserlänge im Kern gefangen, über zig Meter, aufgewickelt auf wenige Kubikdezimeter, und läuft durch etwas, das man sich als Tunnel aus Spiegeln vorstellen kann. Genau diese enorme Wechselwirkungslänge auf winzigem Querschnitt macht aktive Fasern so effizient. Die Verstärkung geschieht über den gesamten Weg, ohne die kritischen Spiegeljustagen offener Resonatoren.

In Industriequellen kommen Double-Clad-Fasern zum Einsatz: Das Pumplicht läuft im inneren Mantel, der einen deutlich größeren Querschnitt hat und deshalb Licht geringer optischer Qualität aufnimmt, während das verstärkte Signal, das gute, im Kern eingeschlossen bleibt. Es wirkt wie ein Trichter: rohe Energie hinein, kohärente Energie heraus.

Stufe 3: der Resonator, ganz ohne Spiegel

Ein Laser braucht einen Resonator, der das Licht im aktiven Medium hin und her laufen lässt. In Faserquellen übernehmen diese Aufgabe keine mechanischen Spiegel, sondern direkt in die Faser eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG): periodische Mikromodulationen des Brechungsindex, die selektiv nur eine Wellenlänge reflektieren und alles Übrige durchlassen.

Der praktische Vorteil ist erheblich: kein optisches Element, das justiert werden muss, nichts, was an der Maschine nachgestellt wird, keine Drift durch Vibrationen oder Wärmedehnung. Der Resonator sitzt buchstäblich im Glas. Deshalb verhält sich eine Faserlaserquelle wie eine gekapselte Komponente und nicht wie ein optisches Instrument, das gewartet werden will.

Für höhere Leistungen gibt es zwei Wege, oft kombiniert: die Ausgänge mehrerer Fasermodule über einen Kombinierer zu einem Strahl zusammenführen, oder eine MOPA-Architektur einsetzen (Master Oscillator Power Amplifier), bei der ein Oszillator geringer Leistung die Strahleigenschaften festlegt und eine oder mehrere Faserverstärkerstufen die Leistung anheben, ohne die Qualität zu verschlechtern.

Stufe 4: von der Strahlführung zur Fokussierung

Das erzeugte Licht gelangt über eine Prozessfaser zum Schneidkopf, mit einem Kerndurchmesser von üblicherweise 50 bis 200 µm. Das ist einer der am meisten unterschätzten Parameter bei der Maschinenauswahl: Er bestimmt unmittelbar den kleinstmöglichen Fokusdurchmesser und damit die Balance zwischen feinem Schnitt im Dünnblech und Leistungsfähigkeit bei großen Materialstärken.

Am Faseraustritt ist der Strahl divergent. Bevor er genutzt werden kann, muss er parallel gerichtet werden, und das ist die Aufgabe der Kollimationslinse. Erst danach kann die Fokallinse ihn auf einen einzigen Punkt auf dem Blech bündeln.

Zwei Größen beschreiben die Strahlqualität entlang dieser optischen Kette:

• M² (Beugungsmaßzahl), die angibt, wie weit der Strahl vom idealen gaußschen Fall abweicht
• BPP (Strahlparameterprodukt, in mm·mrad), das Fokusdurchmesser und Divergenz miteinander verknüpft

Je kleiner der BPP, desto enger der Fokus, der sich mit derselben Optik erreichen lässt, und desto höher die Leistungsdichte. Hier kommt man zu der Zahl, auf die es wirklich ankommt. Wenige Kilowatt, gebündelt auf einen Kreis von 100 µm Durchmesser, ergeben Leistungsdichten in der Größenordnung von zig Millionen Watt pro Quadratzentimeter. Kein Metall hält diesem Wärmestrom stand: Es schmilzt und verdampft zum Teil nahezu augenblicklich.

Warum der Strahl unsichtbar ist (und warum das für die Sicherheit zählt)

Bei 1070 nm strahlt der Faserlaser im nahen Infrarot, jenseits der oberen Grenze des menschlichen Sehvermögens, die bei etwa 700 nm liegt. Der Strahl ist buchstäblich nicht zu sehen.

Das grelle Licht, das man beim Schneiden beobachtet, ist nicht der Laser: Es sind Plasma und glühendes Schmelzgut, das leuchtende Nebenprodukt des Prozesses. Was wie eine Randnotiz klingt, ist in Wahrheit eine Frage der Arbeitssicherheit.

1070 nm liegen nämlich im sogenannten Netzhautgefährdungsbereich (400 bis 1400 nm): Hornhaut und Linse sind bei dieser Wellenlänge durchlässig und bündeln sie auf die Netzhaut, wodurch die Energie zusätzlich konzentriert wird. Ein an einer blanken Oberfläche reflektierter Strahl gibt kein sichtbares Signal und löst den Lidschlussreflex nicht aus, der nur auf sichtbares Licht anspricht. Und bei diesen Leistungen braucht es den direkten Strahl gar nicht: Bei einer Quelle der Klasse 4, der höchsten nach IEC EN 60825-1 und der Klasse aller industriellen Schneidquellen, kann schon eine diffuse Reflexion gefährlich sein.

Deshalb werden Maschinen so konstruiert, dass der Bediener dem Strahl nie begegnet: Einhausung mit für die Wellenlänge zertifizierten Sichtscheiben, Türverriegelungen, Abschaltung der Quelle beim Öffnen. So kann eine Anlage, die um eine Quelle der Klasse 4 herum gebaut ist, in der Werkstatt als Maschine der Klasse 1 arbeiten, im bestimmungsgemäßen Betrieb sicher und ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen.

Wo die vollständige Abschirmung fehlt, bei Wartung, Einrichtung und Versuchen, ist persönliche Schutzausrüstung erforderlich: Schutzbrillen, die für die konkrete Wellenlänge zertifiziert sind (in Europa Kennzeichnung EN 207) und deren optische Dichte zur Leistung passt. Herkömmliche Schutzbrillen helfen nicht: Sie dämpfen sichtbares Licht, nicht das Infrarot, das man nicht sieht.

Vom Strahl zum Schnitt: der letzte Zentimeter

Ein Detail erklärt einen guten Teil des industriellen Erfolgs dieser Technik: Bei 1 µm absorbieren Metalle die Energie deutlich besser als bei 10,6 µm, der Wellenlänge des CO₂. Besonders ausgeprägt ist der Unterschied bei Kupfer, Messing und Aluminium, Werkstoffen, die früher schwierig waren und heute im Alltag bearbeitet werden.

Der fokussierte Strahl schmilzt den Werkstoff in einem minimalen Volumen; den Rest erledigt das koaxial zugeführte Schneidgas: Stickstoff unter Druck, um die Schmelze auszutreiben und oxidfreie Schnittkanten zu erhalten, Sauerstoff, um bei größeren Materialstärken in Baustahl die exotherme Reaktion zu nutzen. Die Breite der Schnittfuge bleibt im Bereich von Zehntelmillimetern. Die Wärmeeinflusszone ist klein, weil die Energie äußerst örtlich begrenzt und in sehr kurzer Zeit eingebracht wird.

Warum sich das Wissen lohnt

Wer die Kette kennt, von den Pumpdioden über die aktive Faser, vom Resonator über die Kollimation bis zur Fokussierung und zur Wechselwirkung mit dem Werkstoff, beurteilt eine Anlage anders. Zwei Maschinen "mit 6 kW" können sich sehr unterschiedlich verhalten, je nach BPP, Durchmesser der Prozessfaser, thermischem Management der Optiken und der Logik, mit der die Steuerung die Leistung beim Einstich und in engen Radien moduliert.

Bei Cutlite Penta entwickeln und bauen wir Laserschneidanlagen seit 1992 und verbinden Quellen der weltweit führenden Hersteller mit einem eigenen Schneidkopf, der EVO 4, und einer im Haus entwickelten Prozesssteuerung.