BRIDLE – błyszczący laser diodowy dla przemysłu na rekordowej drodze

FBH_1010_050_zu_BRIDLE

Ekstremalnie energooszczędne i wydajne diodowe lasery dla przemysłu zostały opracowane przy znaczącym udziale Instytutu Ferdinanda-Brauna w europejskim projekcie BRIDLE. Odnotowano przy tym kilka rekordów.

Rynek laserów przemysłowych rośnie szybko i nieustannie potrzebuje lepszych źródeł wiązki. Dotychczas często korzystano z laserów światłowodowych, twardofilmowych lub dwutlenkowych, które osiągają wymaganą gęstość mocy i jasność, ale jednocześnie zużywają dużo energii; mają maksymalną sprawność około 35 do 40%.

Projekt BRIDLE (High Brilliance Diode Lasers for Industrial Applications – wysokiej jasności diodowe lasery dla zastosowań przemysłowych), finansowany od 2012 roku przez UE, miał wspierać europejski przemysł w tym globalnym wyścigu na rozwój kompaktowych i jednocześnie wysokosprawnych laserów. Dążono do postępów zarówno w technologiach półprzewodnikowych, jak i optycznych, na przykład poprzez łączenie różnych długości fal na jednym chipie (łączenie wiązek). „Celem było wprowadzenie maksymalnej mocy przy najwyższej sprawności do wysokiej jasności wiązki laserowej”, mówi Dr Paul Crump z Instytutu Ferdinanda-Brauna, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). „Lasery diodowe mają na to najlepszy potencjał, ponieważ są najefektywniejszym źródłem wiązki laserowej i tym samym bardzo przyjazne dla środowiska.” Takie lasery diodowe są już dziś wykorzystywane jako źródła pompowania dla większych laserów. Celem jest bezpośrednie użycie małych laserów diodowych do obróbki materiałów w aplikacjach wysokiej jasności, takich jak cięcie stali.

Koordynator projektu BRIDLE, Thomas Brand, mówił o wspaniałych postępach, które doprowadziły do rekordowych wyników w kilku nowych projektach laserów diodowych opracowanych przez grupę Crumpa w FBH. Udoskonalono design epitaksji i zoptymalizowano procesy, tak aby zredukować dotychczasową standardową szerokość warstwy emisyjnej z 100 mikrometrów (μm) do 30 μm – bez większych strat w sprawności i mocy. Dzięki temu można podwoić jasność wiązki laserowej w porównaniu do obecnego stanu techniki, co prowadzi do lepszego skupienia na maleńkim punkcie i znacznie poprawia cięcie metali.

FBH opracowało także nowe struktury chipów, które umożliwiają efektywne i ekonomiczne łączenie wiązek. W wysokiej jasności wąskie diody laserowe DFB wbudowano nowatorski monolityczny siatkę, która stabilizuje i optymalizuje długość fali. Po raz pierwszy możliwe jest uzyskanie w jednym promieniu wysokiej jasności jednocześnie wąskiego spektrum (<1 nm), wysokiej mocy (5 W) i wysokiej sprawności (50%). Dodatkowo zintegrowano na jednym chipie kilka pasm laserowych o zbliżonych, stopniowo zmieniających się długościach fal. Takie źródła są szczególnie korzystne dla spektralnego łączenia wiązek i skalowania mocy w systemach obróbki materiałów.

Kolejne podejście opierało się na laserach diodowych z wewnętrznymi trapezoidalnymi filtrami wiązki. Już dziś osiągają one szczególnie wysoką jasność. Ich sprawność konwersji została znacznie poprawiona przez BRIDLE z około 30% do ponad 40%. Jednak to jeszcze nie wystarcza do zastosowań w przemysłowej obróbce materiałów. Ponadto techniczny nakład na łączenie wiązek jest nieco wyższy. Pomimo istniejących jeszcze przeszkód, w laserach trapezowych dokonano istotnych postępów w podstawowych badaniach nad nowatorskimi podejściami do wysokiej jasności koherentnego łączenia wiązek, które mają być kontynuowane we współpracy między FBH, LCFIO i ILT. Crump i jego zespół są przekonani, że możliwy jest dalszy wzrost sprawności i mocy laserów trapezowych.

„Ponieważ europejskie kraje płacą wyższe wynagrodzenia niż na przykład w Azji, od początku uwzględnialiśmy także efektywną kosztowo produkcję seryjną”, mówi Crump. „W tej dziedzinie zdobyliśmy również bardzo cenne doświadczenia.”

Przede wszystkim w obróbce metali – spawaniu, cięciu czy wierceniu – przemysł liczy na wysokiej jasności i mocne diodowe lasery, ponieważ umożliwiają one szczególnie przyjazne dla środowiska, kompaktowe systemy. Dotychczasowe lasery przemysłowe generują wiązkę w mało energooszczędny sposób w skomplikowanych do chłodzenia dużych urządzeniach, z których wiązka musi być przesyłana przez światłowód do obrabianego elementu. Dzięki laserom diodowym opracowanym w ramach projektu BRIDLE możliwe jest teraz osiągnięcie istotnej dla przemysłu jasności. Laser jest uważany za wysokiej jasności, gdy jego wiązka może być skupiona na maleńkim punkcie o średnicy 0,1 mm z odległości jednego metra. Partnerzy projektu BRIDLE pokazali, że możliwe jest bezpośrednie cięcie stali za pomocą 1-kilowatowego głowicy laserowej. Takie systemy są szczególnie odpowiednie dla kompaktowych i energooszczędnych modułów laserowych.

Lasery diodowe lepiej niż jakikolwiek inny system przekształcają energię w światło. Są także tanie w masowej produkcji, ponieważ można je procesować na tysiącach na waflu i integrować w małe, niezwykle niezawodne moduły. „Pracujemy nad dalszym ulepszaniem znakomitych wyników BRIDLE – dla szybkiego transferu do przemysłu”, mówi Crump. Opracowane w FBH lasery diodowe zapewniają przewagę technologiczną, która jest kluczowa na światowym rynku.