BRIDLE – schitterende diodelaser voor de industrie op recordtempo

FBH_1010_050_naar_BRIDLE

Extreem energie-efficiënte en krachtige diode-lasers voor de industrie zijn onder belangrijke betrokkenheid van het Ferdinand-Braun-Institut ontwikkeld in het Europese project BRIDLE. Er waren daarbij meteen meerdere records te melden.

De markt voor industrielasers groeit snel en heeft voortdurend verbeterde straalbronnen nodig. Tot nu toe was men vaak afhankelijk van vezel-, vaste-stof- of kooldioxidelasers, die wel de benodigde vermogensdichtheid en schittering bereiken, maar tegelijkertijd veel energie verbruiken; ze hebben slechts een maximale efficiëntie van ongeveer 35 tot 40%.

Het sinds 2012 door de EU gefinancierde project BRIDLE (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – hoogbrillante diode-lasers voor industriële toepassingen) moest daarom de Europese industrie ondersteunen in deze wereldwijde wedloop om compacte en tegelijk zeer efficiënte lasers te ontwikkelen. Er werden vooruitgangen nagestreefd op zowel halfgeleider- als optisch technologisch gebied, bijvoorbeeld door de combinatie van verschillende golflengten op een chip (straalcombinatie). "Het doel was om een maximum aan vermogen met de hoogste efficiëntie in een hoogbriljant laserstraal te brengen," zegt Dr. Paul Crump van het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). "Diodelasers hebben hiervoor het beste potentieel omdat ze de energie-efficiëntste laserstraalbron zijn en daarmee zeer milieuvriendelijk." Zulke diodelasers worden al vandaag de dag gebruikt als pompbronnen voor grotere lasers. Het doel is om de kleine diodelasers direct te gebruiken voor materiaalkundige bewerkingen in hoogbriljante toepassingen, zoals het snijden van staal.

De BRIDLE-projectcoördinator Thomas Brand sprak dan ook van geweldige vooruitgang die geleid hadden tot recordresultaten bij verschillende van Crumps werkgroep ontwikkelde nieuwe diodelaser-ontwerpen. Het epitaxie-ontwerp werd verbeterd en de verwerking zodanig geoptimaliseerd dat de tot nu toe standaardbreedte van 100 micrometer (μm) van de emitterende laag kon worden gereduceerd tot 30 μm – zonder grote concessies aan efficiëntie en vermogen. Hierdoor kan de schittering van de laserstraal worden verdubbeld ten opzichte van de huidige stand van de techniek, wat leidt tot een betere focus op een klein punt en daarmee het snijden van metalen aanzienlijk verbetert.

Het FBH ontwikkelde ook nieuwe chipstructuren waarmee de straal efficiënt en kosteneffectief kan worden gecombineerd. Hiervoor werd in de hoogbriljante smalle DFB-diodelasers een nieuw monolithisch rooster ingebracht dat de golflengte stabiliseert en optimaliseert. Daarmee is het voor het eerst mogelijk om in een schitterende straal tegelijkertijd een smal spectrum (<1 nm), een hoog vermogen (5 W) en een hoge efficiëntie (50%) te realiseren. Daarnaast werden meerdere lasersporen met dicht bij elkaar liggende, gestapelde golflengten in één chip geïntegreerd. Zulke bronnen zijn bijzonder geschikt voor spectrale straalcombinatie en vermogensschaalvergroting in materiaalkundige bewerkingssystemen.

Een andere benadering was gebaseerd op diodelasers met interne trapezvormige straalfilters. Ze bereiken al vandaag de dag een bijzonder hoge schittering. Hun conversie-efficiëntie werd door BRIDLE aanzienlijk verbeterd van ongeveer 30% naar meer dan 40%. Dit is echter nog niet voldoende om ze in de industriële materiaalkundige bewerking te gebruiken. Bovendien is de technische inspanning voor het bundelen van de stralen iets hoger. Ondanks de nog bestaande obstakels werden bij de trapezlases belangrijke vorderingen in fundamenteel onderzoek gedaan naar nieuwe benaderingen voor de schitterende coherente straalcombinatie, die in samenwerking tussen FBH, LCFIO en ILT verder zullen worden voortgezet. Crump en zijn collega’s zijn ervan overtuigd dat verdere efficiëntie- en prestatieverbeteringen bij trapezlases mogelijk zijn.

“Omdat de Europese landen hogere lonen betalen dan bijvoorbeeld in Azië, hebben wij vanaf het begin ook rekening gehouden met kosteneffectieve serieproductie,” zegt Crump. “Ook op dit gebied hebben we zeer waardevolle inzichten opgedaan.”

Vooral bij de bewerking van metalen – lassen, snijden of boren – hoopt de industrie op hoogbrillante en krachtige diodelasers, omdat deze bijzonder milieuvriendelijke, compacte systemen mogelijk maken. Tot nu toe genereren industrielasers de straal weinig energie-efficiënt in omvangrijke, moeilijk te koelen apparaten, waarvan de straal via glasvezelkabels naar het werkstuk moet worden overgebracht. Met de in het BRIDLE-project ontwikkelde diodelasers wordt nu de voor de industrie belangrijke schittering bereikt. Een laser wordt als schitterend beschouwd als zijn straal over een afstand van één meter op een klein punt van slechts 0,1 millimeter kan worden gefocust. De BRIDLE-partners demonstreerden met een 1-kW-laserkop dat het direct snijden van staal mogelijk is. Zulke systemen zijn bijzonder geschikt voor compacte en energie-efficiënte laser modules.

Diodelasers zetten energie beter om in licht dan elk ander systeem. Ze zijn bovendien goedkoop in massaproductie, omdat ze in duizenden op een wafer worden verwerkt en in kleine en bijzonder betrouwbare modules kunnen worden geïntegreerd. “We zijn bezig de uitstekende resultaten van BRIDLE nog verder te verbeteren – voor een snelle overdracht naar de industrie,” zegt Crump. De bij het FBH ontwikkelde diodelasers bieden een technologisch voordeel dat van cruciaal belang is voor de wereldmarkt.