BRIDLE – láser de diodos brillante para la industria en rumbo de récord

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Los diodos láser de alta eficiencia energética y alto rendimiento para la industria fueron desarrollados bajo la participación fundamental del Instituto Ferdinand-Braun en el proyecto europeo BRIDLE. Hubo varios récords que destacar.

El mercado de láseres industriales crece rápidamente y requiere fuentes de haz continuamente mejoradas. Hasta ahora, se dependía con frecuencia de láseres de fibra, sólidos o de dióxido de carbono, que alcanzan la densidad de potencia y brillo necesarios, pero al mismo tiempo consumen mucha energía; tienen una eficiencia máxima de aproximadamente 35 a 40%.

El proyecto BRIDLE, financiado por la UE desde 2012 (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – láseres diodo de alta brillantez para aplicaciones industriales), tenía como objetivo apoyar a la industria europea en esta carrera mundial por desarrollar láseres compactos y altamente eficientes. Se buscaban avances tanto en tecnologías de semiconductores como en tecnologías ópticas, por ejemplo, mediante la combinación de diferentes longitudes de onda en un chip (combinación de haces). "El objetivo era introducir la máxima potencia con la mayor eficiencia en un haz láser de alta brillantez", dice el Dr. Paul Crump del Instituto Ferdinand-Braun, Instituto Leibniz para Tecnología de Alta Frecuencia (FBH). "Los láseres diodo tienen el mejor potencial para ello, porque son la fuente de haz láser más eficiente en términos energéticos y, por tanto, muy respetuosos con el medio ambiente." Estos láseres diodo ya se utilizan hoy en día como fuentes de bombeo para láseres más grandes. El objetivo es usar directamente estos pequeños láseres diodo en aplicaciones de alta brillantez, como el corte de acero.

El coordinador del proyecto BRIDLE, Thomas Brand, habló también de avances extraordinarios que han llevado a resultados récord en varios de los diseños de láser diodo desarrollados recientemente por el grupo de trabajo de Crump en el FBH. Se mejoró el diseño epitaxial y se optimizó el proceso de fabricación para reducir el ancho estándar de la capa emisora de 100 micrómetros (μm) a 30 μm, sin comprometer la eficiencia y el rendimiento. Esto permite duplicar la brillantez del haz láser en comparación con el estado actual de la técnica, lo que conduce a una mejor concentración en un punto diminuto y, por tanto, mejora significativamente el corte de metales.

El FBH también desarrolló nuevas estructuras de chips que permiten combinar el haz de manera eficiente y económica. Para ello, se incorporó en los láseres diodo DFB de alta brillantez una rejilla monolítica innovadora que estabiliza y optimiza la longitud de onda. De esta forma, por primera vez, es posible obtener en un haz brillante un espectro estrecho (<1 nm), una alta potencia (5 W) y un alto rendimiento (50%). Además, se integraron varias tiras láser con longitudes de onda escalonadas y cercanas en un solo chip. Estas fuentes son especialmente ventajosas para la combinación espectral de haces y la escalabilidad de potencia en sistemas de procesamiento de materiales.

Otra estrategia se basa en láseres diodo con filtros internos trapezoidales en el haz. Ya alcanzan una brillantez particularmente alta. Su eficiencia de conversión se mejoró claramente gracias a BRIDLE, pasando de aproximadamente 30% a más del 40%. Sin embargo, esto aún no es suficiente para su uso en el procesamiento industrial de materiales. Además, el esfuerzo técnico para la agrupación de haces es algo mayor. A pesar de los obstáculos existentes, en los láseres trapezoidales se lograron avances importantes en la investigación básica respecto a enfoques innovadores en la combinación de haces coherentes y brillantes, que se seguirán desarrollando en colaboración entre el FBH, LCFIO y ILT. Crump y sus colegas están convencidos de que es posible aumentar aún más la eficiencia y el rendimiento de los láseres trapezoidales.

"Dado que los países europeos pagan salarios más altos que, por ejemplo, en Asia, desde el principio también consideramos la fabricación en serie rentable", dice Crump. "También en este campo hemos obtenido conocimientos muy valiosos."

Especialmente en el procesamiento de metales — soldadura, corte o perforación — la industria espera láseres diodo de alta brillantez y potencia, ya que permiten sistemas compactos y muy respetuosos con el medio ambiente. Hasta ahora, los láseres industriales generan el haz de manera poco eficiente en dispositivos grandes que requieren enfriamiento costoso, desde donde el haz debe transmitirse mediante fibra óptica hasta la pieza de trabajo. Con los láseres diodo desarrollados en el proyecto BRIDLE, se alcanza ahora la brillantez importante para la industria. Se considera que un láser es brillante cuando su haz puede enfocar en una distancia de un metro en un punto diminuto de solo 0,1 milímetros. Los socios de BRIDLE demostraron con una cabeza láser de 1 kW que es posible cortar acero directamente. Estos sistemas son especialmente adecuados para módulos láser compactos y energéticamente eficientes.

Los láseres diodo convierten mejor la energía en luz que cualquier otro sistema. Además, son económicos en producción en masa, ya que se procesan miles en una oblea y se pueden integrar en módulos pequeños y muy confiables. "Estamos en proceso de mejorar aún más los excelentes resultados de BRIDLE para una rápida transferencia a la industria", dice Crump. Los láseres diodo desarrollados en el FBH proporcionan una ventaja tecnológica que es decisiva para el mercado mundial.