BRIDLE – brilantní diodový laser pro průmysl na rekordní cestě

FBH_1010_050_zu_BRIDLE

Extrémně energeticky efektivní a výkonné diodové lasery pro průmysl byly vyvinuty za významného podílu Ferdinand-Braun-Institutu v evropském projektu BRIDLE. Přitom bylo možné zaznamenat rovnou několik rekordů.

Trh s průmyslovými lasery rychle roste a neustále vyžaduje zdroje paprsku s lepšími vlastnostmi. Dosud se často spoléhalo na vláknové, pevnolátkové nebo oxidové lasery, které sice dosahují potřebné výkonové hustoty a brilance, ale zároveň spotřebují hodně energie; mají pouze maximální účinnost kolem 35 až 40 %.

Projekt BRIDLE (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – vysoce brilantní diodové lasery pro průmyslové použití), na který od roku 2012 přispívala EU, měl proto podpořit evropský průmysl v tomto celosvětovém závodě na vývoj kompaktních a zároveň vysoce účinných laserů. Usilovalo se o pokroky jak v polovodičových, tak optických technologiích, například kombinací různých vlnových délek na jednom čipu (sloučení paprsku). „Cílem bylo vložit maximální výkon s nejvyšší účinností do vysoce brilantního laserového paprsku,“ říká Dr. Paul Crump z Ferdinand-Braun-Institutu, Leibniz-Institutu pro vysokofrekvenční techniku (FBH). „Diodové lasery mají pro to nejlepší potenciál, protože jsou nejenergeticky efektivnějším zdrojem laserového paprsku a jsou proto velmi šetrné k životnímu prostředí.“ Takové diodové lasery se již dnes používají jako pumpovací zdroje pro větší lasery. Cílem je přímo je využívat k materiálové úpravě v aplikacích s vysokou brilancí, například při řezání oceli.

Koordinátor projektu BRIDLE Thomas Brand hovořil o skvělých pokrocích, které vedly k rekordním výsledkům u řady nově vyvinutých designů diodových laserů jeho skupinou na FBH. Vylepšeno bylo epitaxní design a optimalizováno zpracování tak, že se podařilo snížit dosavadní standardní šířku emitující vrstvy z 100 mikrometrů (μm) na 30 μm – bez větších kompromisů v účinnosti a výkonu. Díky tomu lze brilanci laserového paprsku zdvojnásobit oproti dosavadní technice, což vede k lepšímu zaostření na malý bod a tím i k výraznému zlepšení řezání kovů.

FBH také vyvinulo nové struktury čipů, které umožňují efektivní a nákladově výhodné kombinování paprsku. Do vysoce brilantních úzkých DFB diodových laserů bylo vloženo nové monolitické mřížkování, které stabilizuje a optimalizuje vlnovou délku. Díky tomu je poprvé možné v jednom brilantním paprsku současně dosáhnout úzkého spektra (<1 nm), vysokého výkonu (5 W) a vysoké účinnosti (50 %). Navíc bylo do jednoho čipu integrováno několik laserových pruhů s blízko sobě ležícími, stupňovitými vlnovými délkami. Takové zdroje jsou zvlášť výhodné pro spektrální sloučení paprsku a škálování výkonu v systémech pro materiálovou úpravu.

Další přístup spočíval v použití diodových laserů s interními trapezoidními filtry paprsku. Ty již dnes dosahují zvlášť vysoké brilance. Jejich konverzní účinnost byla díky BRIDLE výrazně zvýšena z přibližně 30 % na více než 40 %. To však zatím nestačí k jejich použití v průmyslové materiálové úpravě. Navíc je technická náročnost spojování paprsků o něco vyšší. Přestože přetrvávají překážky, v oblasti trapezoidních laserů byly dosaženy zásadní pokroky v základním výzkumu týkajícím se nových přístupů ke brilantní koherentní sloučení paprsku, které mají být dále rozvíjeny ve spolupráci mezi FBH, LCFIO a ILT. Crump a jeho kolegové jsou přesvědčeni, že je možné dosáhnout dalšího zlepšení účinnosti a výkonu u trapezoidních laserů.

„Protože evropské země platí vyšší mzdy než například v Asii, od začátku jsme zohlednili také nákladově efektivní sériovou výrobu,“ říká Crump. „I v této oblasti jsme získali velmi cenné poznatky.“

Především v oblasti zpracování kovů – svařování, řezání nebo vrtání – doufá průmysl v použití vysoce brilantních a výkonných diodových laserů, protože umožňují velmi ekologicky šetrné kompaktní systémy. Dosavadní průmyslové lasery generují paprsek s nízkou energetickou účinností v náročně chlazených velkých zařízeních, odkud je paprsek přenášen přes skleněná vlákna na obrobek. Díky diodovým laserům vyvinutým v projektu BRIDLE je nyní dosažena důležitá brilance pro průmyslové použití. Laser je považován za brilantní, pokud je jeho paprsek schopen zaostřit na vzdálenost jednoho metru na malý bod o průměru pouhých 0,1 milimetru. Partneři projektu BRIDLE předvedli s 1kW laserovou hlavou, že je možné přímo řezat ocel. Takové systémy jsou zvlášť vhodné pro kompaktní a energeticky efektivní laserové moduly.

Diodové lasery lépe než jakýkoli jiný systém přeměňují energii na světlo. Jsou také cenově dostupné ve velkosériové výrobě, protože se na waferu zpracovávají tisíce kusů a dají se integrovat do malých a zvlášť spolehlivých modulů. „Pracujeme na dalším zlepšení vynikajících výsledků BRIDLE – pro rychlý přenos do průmyslu,“ říká Crump. Vyvinuté diodové lasery na FBH umožnily technologický náskok, který je klíčový pro světový trh.