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Forschungserfolg: Neue brillante, effiziente Industrielaser

Im EU-Forschungsprojekt BRRIDLE gelangen einige Rekorde bei Effizienz- und Leistungsparametern von Diodenlasern.

Diodenlaser Bildquelle: © FBH/schurian.com

Die neue Generation von FBH-Diodenlasern kombinierte eine hohe optische Ausgangsleistung mit hoher Effizienz.

Das EU-Projekt BRIDLE (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – hochbrillante Diodenlaser für industrielle Anwendungen) sollte die EU-Industrie im weltweiten Wettlauf um leistungsfähige, energieeffiziente Industrielaser voran bringen. Heute verwendete Faser-, Festkörper- oder Kohlendioxidlaser verbrauchen enorm Energie und haben eine maximale Effizienz von nur 35 bis 40 Prozent. Sie erzeugen den Strahl wenig energieeffizient in aufwendig zu kühlenden großen Apparaten, aus denen der Strahl via Glasfaserkabel zum Werkstück übertragen werden muss.

Diodenlaser wandeln Energie besser als andere Systeme in Licht und sind, da sie zu Tausenden auf Wafern hergestellt werden können, preiswerter in der Massenproduktion. Im BRIDLE-Projekt entwicklte Diodenlaser erreichen jetzt die industriell wichtige Brillanz. Von Brillanz wird dann gesprochen, wenn ein Laser seinen Strahl über eine Distanz von einem Meter auf einen Punkt von 0,1 mm Durchmesser fokussieren kann. Der in BRIDLE entwickelte 1kW-Laserkopf erlaubt das direkte Schneiden von Stahl.

»Ziel war es, ein Maximum an Leistung mit höchster Effizienz in einen hochbrillanten Laserstrahl einzubringen«, sagt Dr. Paul Crump vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). »Diodenlaser haben dafür das beste Potenzial, weil sie die energieeffizienteste Laserstrahlquelle und damit sehr umweltfreundlich sind,« erklärt Dr. Crump.

Direkt-Diodenlaser Bildquelle: © Fraunhofer ILT

Ein Direkt-Diodenlaser schneidet rostfreien Stahl von 1 Millimeter Dicke mit 10 Zentimetern pro Sekunde. Die Qualität entspricht der von Faserlasern gleicher Ausgangsleistung.

Durch die Verbesserung des Epitaxie-Designs und der Prozessierung konnte die bisherige Standardbreite der emittierenden Schicht von 100 µm auf 30 µm verringert werden, wodurch sich die bislang mögliche Brillanz verdoppeln ließ. Damit sind bessere Punkt-Fokussierungen möglich, was das Schneiden von Metallen verbessert.

Am FBH wurden neue Chipstrukturen entwickelt und ein neues monolithisches Gitter in die DFB-Diodenlaser eingebracht, was erstmals gleichzeitig ein schmales Spektrum (<1 nm), eine hohe Leistung (5 W) und einen hohen Wirkungsgrad (50 Prozent) erlaubt. Es gelang zudem, mehrere  Laserstreifen mit nah beieinander liegenden Wellenlängen in einen Chip zu integrieren, was für die Leistungsskalierung in Materialbearbeitungssystemen besonders vorteilhaft ist.

Die Umwandlungseffizienz von Diodenlasern mit internen trapezförmigen Strahlfiltern wurde durch BDRIDLE von 30 Prozent auf über 40 Prozent verbessert, was für eine industrielle Metallbearbeitung noch nicht ausreicht, aber die Forscher weiter anspornt. »Wir sind dabei, die hervorragenden Resultate von BRIDLE noch weiter zu verbessern – für einen schnellen Transfer in die Industrie«, sagt Crump.