BRIDLE – ragyogó Diódás lézer az ipar számára rekordtempóban

FBH_1010_050_zu_BRIDLE

Extrém energiahatékonyságú és nagy teljesítményű diódalézerek az ipar számára, amelyek a Ferdinand-Braun-Institut közreműködésével az európai BRIDLE projekt keretében kerültek kifejlesztésre. Több rekordot is sikerült megdönteniük.

Az ipari lézerek piaca gyorsan növekszik, és folyamatosan fejlesztett sugárforrásokra van szükség. Eddig gyakran az üveg-, szilárdtest- vagy szén-dioxid lézerekre támaszkodtak, amelyek elérik a szükséges teljesítmény- és fényességi szinteket, ugyanakkor sok energiát fogyasztanak; maximális hatékonyságuk csupán kb. 35-40%.

A 2012 óta az EU által támogatott BRIDLE projekt (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – Nagyfényű diódalézerek ipari alkalmazásokhoz) célja az európai ipar támogatása ebben a globális versenyben, hogy kompakt és egyben magas hatékonyságú lézereket fejlesszenek ki. A cél a félvezető- és optikai technológiák fejlődésének előmozdítása, például különböző hullámhosszú fények kombinálásával egy chipen (sugárkombináció). „Az volt a cél, hogy a lehető legnagyobb teljesítményt a legmagasabb hatékonysággal egy magas fényű lézersugárba sűrítsük” – mondja Dr. Paul Crump a Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) munkatársa. „A diódalézerek a legjobb potenciállal rendelkeznek, mert a legenergiatakarékosabb lézersugárforrások, így környezetbarátok is.” Ezek a diódalézerek már ma is alkalmazhatók nagyobb lézerek pumpálására. A cél az, hogy a kis diódalézerek közvetlenül anyagfeldolgozásra kerüljenek magas fényű alkalmazásokban, például acélvágásban.

A BRIDLE projekt koordinátora, Thomas Brand beszámolt arról, hogy nagyszerű előrelépések történtek, amelyek rekord eredményeket hoztak számos, a Crump csoportja által az FBH-nál kifejlesztett diódalézer-tervezésben. A epitaxialis kialakítást továbbfejlesztették, és a gyártási folyamatokat optimalizálták úgy, hogy a korábbi 100 mikrométer (μm) széles emissziós réteg helyett 30 μm-re csökkentették – anélkül, hogy az hatékonyságban vagy teljesítményben jelentős csökkenést szenvedett volna. Ez lehetővé teszi a lézersugár fényességének megkétszerezését a jelenlegi technológiai szinthez képest, ami jobb fókuszálást tesz lehetővé egy apró pontra, és jelentősen javítja az anyagok vágását.

Az FBH új chipstruktúrákat is kifejlesztett, amelyek segítségével a sugár hatékonyan és költséghatékonyan kombinálható. Ehhez egy új monolitikus rács került beépítésre a magas fényű, keskeny DFB-diódalézerekbe, amely stabilizálja és optimalizálja a hullámhosszt. Ez első alkalommal teszi lehetővé, hogy egy fényes sugárban egyszerre legyen szűk spektrum (<1 nm), magas teljesítmény (5 W) és magas hatásfok (50%). Emellett több lézelsávot integráltak egymáshoz közel, lépcsőzetes hullámhosszakkal rendelkező chipbe. Ezek a források különösen előnyösek a spektrális sugárkombináció és a teljesítménynövelés terén anyagfeldolgozó rendszerekben.

Egy másik megközelítés a belső trapéz alakú sugárszűrőkkel ellátott diódalézerekre épül. Ezek már ma is kiemelkedően magas fényességet érnek el. Átalakítási hatékonyságukat a BRIDLE projekt jelentősen, kb. 30%-ról több mint 40%-ra növelte. Ez azonban még nem elegendő az ipari anyagfeldolgozáshoz való alkalmazáshoz. Emellett a sugárkötegek összekapcsolásának technikai költségei is magasabbak. A trapéz lézerek alapkutatásában azonban jelentős előrelépések történtek a fényes koherens sugárkombináció új megközelítéseiben, amelyeket a FBH, az LCFIO és az ILT közötti együttműködésben kívánnak továbbfejleszteni. Crump és kollégái úgy vélik, hogy a trapéz lézerek hatékonysága és teljesítménye tovább növelhető.

„Mivel az európai országok magasabb béreket fizetnek, mint például Ázsiában, már a kezdetektől figyelembe vettük a költséghatékony sorozatgyártást” – mondja Crump. „Ebben a területen is értékes tapasztalatokat szereztünk.”

Főként az anyagok – hegesztés, vágás vagy fúrás – feldolgozásában bízik az ipar a magas fényű és nagy teljesítményű diódalézerekben, mivel ezek különösen környezetbarát, kompakt rendszereket tesznek lehetővé. A korábbi ipari lézerek kevéssé energiahatékonyan, bonyolult hűtésű nagy berendezésekben működnek, amelyekből a sugár egy üvegkábelen keresztül jut el a munkadarabhoz. A BRIDLE projektben kifejlesztett diódalézerek most elérik az ipar számára fontos fényességi szintet. Egy lézert akkor nevezünk fényesnek, ha a sugár egy méterről egy 0,1 milliméteres apró pontra fókuszálható. A BRIDLE-partnerek egy 1 kW-os lézercsúcs segítségével demonstrálták, hogy a rozsdafém vágása közvetlenül is lehetséges. Ezek a rendszerek különösen alkalmasak kompakt és energiahatékony lézermodulok számára.

A diódalézerek jobban alakítják át az energiát fényé, mint bármely más rendszer. Ráadásul a tömeggyártásban kedvező árúak, mivel ezrekben gyártják őket egy szilíciamon belül, és könnyen integrálhatók kis, különösen megbízható modulokba. „Jelenleg azon dolgozunk, hogy tovább javítsuk a BRIDLE kiváló eredményeit – a gyors átültetés érdekében az iparba” – mondja Crump. Az FBH-nál kifejlesztett diódalézerek technológiai előnyt biztosítanak, amely döntő lehet a globális piacon.