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Fraunhofer-Institute IAF, ILT und IPT: Diamantlinsen für ultraleichte Laseroptiken

Mit ihrer ungewöhnlich hohen Brechzahl und der exzellenten Wärmeleitung ließen sich mit künstlichen Diamanten zehnmal leichtere Laseroptiken aufbauen. Faserlaser im kW-Bereich könnten damit viel flexibler agieren.

nw_Fraunhofer1.jpg Bildquelle: © Fraunhofer ILT

Diamantoptiken zeichnen sich durch deutlich größere Wärmeleitung und höhere Brechzahl bei herausragenden mechanischen Eigenschaften aus. (Fraunhofer ILT, Aachen /Volker Lannert.)

Drei Fraunhofer-Institute haben in den letzten Jahren die Herstellung und Bearbeitung der Diamantlinsen optimiert. Jetzt ist die erste Schneidoptik mit diesen Linsen im Test.

Diamanten zeigen einige verblüffende Eigenschaften:…

...Zum Beispiel liegt ihre Brechzahl bei 2,4. Das ist extrem hoch und ermöglicht viel dünnere Optiken. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 2000 W/m*K und ist damit mehr als 1400-mal höher als bei normalem Glas. Zusammen mit der hohen Zerstörschwelle machen diese Eigenschaften Diamanten hochinteressant für Optiken im Hochleistungsbereich.

Laserschneiden, Fraunhofer.jpg Bildquelle: © Fraunhofer ILT

Schneidversuch: Im Vergleich zu konventionellen Schneidköpfen ermöglicht die Diamantoptik mehr als 90 % Gewichtsreduktion. (Foto Fraunhofer ILT, Aachen)

Bislang werden polykristalline Diamantsubstrate…

...als Fenster bei CO2-Lasern verwendet. Aufgrund von Unreinheiten und Störstellen absorbieren und streuen sie jedoch Laserstrahlung bei Emissionswellenlängen um 1 µm, was sie für Faserlaser ungeeignet macht. Einkristalline Diamanten haben dieses Problem nicht, sind aber schwerer herzustellen.

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF…

...in Freiburg wird seit Jahren an der Herstellung von monokristallinen Diamanten geforscht. Die am IAF entwickelten CVD-Reaktoren mit stabilen Plasmabedingungen machen Substrate von bis zu mehreren Millimeter Dicke möglich. Dabei werden maximal 60 Diamanten gleichzeitig hergestellt. Mit Aufbauraten von bis zu 30 µm pro Stunde lassen sich so Optiken mit einer Apertur von ca. 10 mm herstellen.

90 % Gewichtseinsparung
 
Linsen aus den synthetischen Einkristall-Diamanten aus Freiburg zeigen eine niedrige Absorption und auch eine niedrige Doppelbrechung. Jetzt wurden einige Exemplare mit Antireflexionsbeschichtungen versehen und in einen Schneidkopf für Faserlaser eingebaut. Martin Traub vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen sagt dazu: »Wir haben erstmals eine komplette Laseroptik für die Diamantlinsen optimiert. Der Schneidkopf wird damit mehr als 90 Prozent leichter.«

Die Linsen mit 7 mm Durchmesser…

...hatten vorher Tests mit 2 kW Laserleistung ohne Probleme absolviert. Jetzt wurde ein System für Schneidversuche mit einem 1-kW-Faserlaser aufgebaut. Im Schneidkopf integriert sind eine Wasserkühlung und die Schutzgaszufuhr. Eine Prozessüberwachung ist derzeit noch nicht vorgesehen. Mit dem kompakten Schneidkopf werden derzeit erste Versuche durchgeführt. Die neue Optik dürfte die Flexibilität beim Laserschneiden deutlich erhöhen. Die geringe Baugröße ermöglicht eine Bearbeitung auch an schwer zugänglichen Stellen. Das geringe Gewicht erleichtert wiederum hochdynamische Bewegungen bei der 3D-Bearbeitung.