BRIDLE – brillante laser a diodi per l'industria in rotta record

FBH_1010_050_zu_BRIDLE

Diode laser ad alta efficienza energetica e elevate prestazioni per l'industria sono stati sviluppati sotto la partecipazione fondamentale dell'Istituto Ferdinand-Braun nell'ambito del progetto europeo BRIDLE. Sono stati raggiunti diversi record.

Il mercato dei laser industriali cresce rapidamente e necessita di sorgenti di raggio sempre più migliorate. Finora si è spesso fatto affidamento su laser a fibra, a stato solido o a anidride carbonica, che raggiungono la densità di potenza e la brillantezza necessarie, ma consumano molta energia; hanno infatti un'efficienza massima di circa 35-40%.

Il progetto BRIDLE, finanziato dall'UE dal 2012 (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – laser a diodi ad alta brillantezza per applicazioni industriali), mirava quindi a sostenere l'industria europea in questa corsa mondiale allo sviluppo di laser compatti e allo stesso tempo altamente efficienti. Sono stati fatti progressi sia nelle tecnologie a semiconduttore che ottiche, ad esempio combinando diverse lunghezze d'onda in un singolo chip (combinazione di raggi). «L'obiettivo era di immettere la massima potenza con la massima efficienza in un raggio laser altamente brillante», afferma il Dr. Paul Crump dell'Istituto Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). «I laser a diodi hanno il miglior potenziale in questo senso, perché sono la sorgente di raggio laser più efficiente dal punto di vista energetico e quindi molto ecocompatibili.» Tali laser a diodi sono già oggi impiegati come sorgenti di pompaggio per laser più grandi. L'obiettivo è di utilizzare direttamente i piccoli laser a diodi per la lavorazione dei materiali in applicazioni ad alta brillantezza, come ad esempio il taglio dell'acciaio.

Il coordinatore del progetto BRIDLE, Thomas Brand, ha parlato di progressi straordinari che hanno portato a risultati record in diversi dei nuovi design di laser a diodi sviluppati dal gruppo di lavoro di Crump presso il FBH. Il design epitassiale è stato migliorato e il processo ottimizzato in modo che la larghezza standard di 100 micrometri (μm) dello strato emittente potesse essere ridotta a 30 μm – senza compromessi significativi in termini di efficienza e potenza. Ciò permette di raddoppiare la brillantezza del raggio laser rispetto allo stato dell'arte precedente, migliorando notevolmente il taglio di metalli e la concentrazione del fascio su un punto molto piccolo.

Il FBH ha anche sviluppato nuove strutture di chip che consentono di combinare il fascio in modo efficiente e a basso costo. Per questo, è stato inserito nei laser a diodi DFB altamente brillanti un reticolo monolitico innovativo che stabilizza e ottimizza la lunghezza d'onda. Per la prima volta, è possibile ottenere in un raggio brillante uno spettro stretto (<1 nm), una potenza elevata (5 W) e un alto rendimento (50%). Inoltre, sono stati integrati più strisce laser con lunghezze d'onda vicine e scalate in un singolo chip. Queste sorgenti sono particolarmente vantaggiose per la combinazione spettrale del raggio e la scalabilità della potenza nei sistemi di lavorazione dei materiali.

Un altro approccio si basa su laser a diodi con filtri di fascio trapezoidali interni. Questi raggiungono già oggi un'elevata brillantezza. La loro efficienza di conversione è stata significativamente migliorata dal progetto BRIDLE, passando da circa il 30% a oltre il 40%. Tuttavia, ciò non è ancora sufficiente per il loro impiego nella lavorazione industriale dei materiali. Inoltre, lo sforzo tecnico per l'accoppiamento dei raggi è leggermente superiore. Nonostante gli ostacoli ancora presenti, sono stati fatti progressi fondamentali nella ricerca sui nuovi approcci alla combinazione coerente e brillante del fascio, che saranno ulteriormente sviluppati in collaborazione tra FBH, LCFIO e ILT. Crump e i suoi colleghi sono convinti che sia possibile un ulteriore aumento di efficienza e potenza nei laser trapezoidali.

«Poiché i paesi europei pagano salari più elevati rispetto ad esempio all'Asia, abbiamo fin dall'inizio considerato anche la produzione in serie a costi contenuti», afferma Crump. «Anche in questo settore abbiamo acquisito conoscenze molto preziose.»

Soprattutto nel trattamento dei metalli – saldatura, taglio o foratura – l'industria spera in laser a diodi altamente brillanti e potenti, poiché consentono sistemi compatti e molto ecocompatibili. Finora, i laser industriali generano il fascio in modo poco efficiente dal punto di vista energetico in grandi apparecchi complessi da raffreddare, da cui il fascio deve essere trasmesso tramite cavi in fibra ottica al pezzo da lavorare. Con i laser a diodi sviluppati nel progetto BRIDLE, si raggiunge ora la brillantezza importante per l'industria. Un laser è considerato brillante quando il suo fascio può essere focalizzato su una distanza di un metro su un punto di soli 0,1 millimetri. I partner di BRIDLE hanno dimostrato con una testa laser da 1 kW che è possibile il taglio diretto dell'acciaio. Tali sistemi sono particolarmente adatti per moduli laser compatti ed energeticamente efficienti.

I laser a diodi convertono energia in luce in modo più efficiente di qualsiasi altro sistema. Sono anche economici in produzione di massa, poiché vengono processati a migliaia su un wafer e possono essere integrati in moduli piccoli e molto affidabili. «Stiamo continuando a migliorare i risultati eccezionali di BRIDLE – per un rapido trasferimento nell'industria», afferma Crump. I laser a diodi sviluppati presso il FBH hanno consentito un vantaggio tecnologico che è decisivo per il mercato mondiale.