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Winzige Diodenlaser haben Licht in die Elektronik gebracht und in jeden Haushalt neue CD-Player. Nun schicken sie sich an, eine Revolution in der industriellen Fertigung auszulösen. Um Bleche schweißen und schneiden zu können, müssen sie aber Leistungen im Kilowatt-Bereich und hohe Strahlqualität erreichen. Den dafür nötigen Technologiesprung packt nun ein Konsortium von Forschung und Industrie in einem Leitprojekt an - eine große Chance für die deutsche Wirtschaft, eine Spitzen-position in dieser Schlüsseltechnologie zu sichern.
Sie sind das Herzstück von CD-Playern, Laser-Druckern, Scanner-Kassen und der optischen Datenübertragung. Doch kaum einer bekommt die winzigen Lichtspender direkt zu sehen. Unbemerkt und zuverlässig verrichten sie ihre Präzisionsarbeit: Diodenlaser, kleine Halbleiterchips, die Laserstrahlung aussenden.
Laserstrahlen lassen sich auf kleinstem Raum fokussieren und in kleinsten Zeitintervallen pulsen. Diese phantastischen Eigenschaften machen den Laser zum universalen Werkzeug von der Produktion bis zur Medizin - stark genug, um Stahl zu durchbohren und sanft genug, um Augen zu operieren. Diodenlaser - die kleinsten und jüngsten Varianten der Laserfamilie - liefern Leistungen im Milliwattbereich, die zwar für Anwendungen in der Unterhaltungsindustrie ausreichen, nicht aber in der Materialbearbeitung. So entstanden Hochleistungsdiodenlaser. Diese haben den konventionellen Gas- und Festkörperlasern viel voraus: Sie erzielen einen bis zu 10mal höheren Wirkungsgrad, sind 100mal kleiner, erheblich kostengünstiger, sehr zuverlässig und langlebig. Diese Vorteile bieten faszinierende Perspektiven: Solche kompakten Laser können als Universalwerkzeug optimal in die Fertigungstechnik integriert werden - bisher scheiterte das allein an der Größe der Laseranlagen. »Der Übergang von konventionellen Lasersystemen zu Diodenlasern stellt eine Revolution in der Lasertechnik dar, vergleichbar mit dem Sprung von der Radioröhre zum Transistor in der Unterhaltungselektronik«, unterstreicht Prof. Reinhart Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen, die Bedeutung dieses Generationswechsels.
Um die dafür geforderte hohe Leistung und Strahlqualität zu erreichen, sind neue Konzepte gefordert. Diese Erkenntnis war Anlaß für das ILT in Kooperation und unter Federführung der Rofin-Sinar Laser GmbH, ein Leitprojekt zu initiieren, das die konsequente Erarbeitung wissenschaftlich-technischer Grundlagen in der Halbleiter- und Lasergerätetechnik sowie die industrielle Anwendung der neuen Diodenlaser zum Ziel hat. Das Projekt »Modulare Strahlwerkzeuge« gehört zu den Gewinnern des Ideenwettbewerbs des BMBF. In einem Zeitraum von fünf Jahren werden nun neue leistungsfähige Diodenlasergeräte entwickelt und Anwendungen wie das Schneiden und Schweißen von Blechen, das Beschriften und Bohren sowie das Sintern und Umschmelzen erschlossen.
Das Konsortium aus 15 Industriepartnern und sechs Forschungsinstituten versammelt alle führenden deutschen Experten. Ziel ist, den Stellenwert Deutschlands als weltweit bedeutendes Zentrum der Laserfertigungstechnik langfristig zu sichern. Immerhin hält Deutschland bei industriellen Laseranlagen einen beachtlichen Weltmarktanteil von 30 Prozent und sogar 40 Prozent bei den eingesetzten Laserquellen. Mit einer neuen Generation von Hochleistungs-Diodenlasern eröffnen sich darüber hinaus vielfältige Märkte.
Einzelne Laserdioden bringen höchstens einige Watt Leistung. Deshalb wollen die Laserentwickler eine möglichst große Anzahl einzelner Diodenstrahlen miteinander kombinieren. Dafür reihen sie auf einen Chip von 10 Millimeter Breite eine Serie vieler Laserelemente nebeneinander. Solche Barren erzeugen heute eine Leistung von 20 bis 30 Watt. Dann werden diese Barren übereinandergestapelt. 60 bis 80 solcher Dioden-Barren können gemeinsam 1,5 Kilowatt Leistung erzeugen, wenn es gelingt, die Einzelstrahlen mit Mikro- und Makrooptiken so zu formen und zu bündeln, daß ein kräftiger Gesamtstrahl entsteht. Mit dieser Technik konnten in den letzten Jahren sehr kompakte und robuste Lasergeräte gebaut werden. Allerdings kann der Laserstrahl nicht so fein gebündelt werden wie bei herkömmlichen Lasern und eignet sich nur für Anwendungen, die geringe Anforderungen an die Fokussierbarkeit des Strahls stellen.
»Grundlagenuntersuchungen belegen, daß es möglich ist, zu erheblich höheren Strahlqualitäten bei hohen Ausgangsleistungen zu kommen und somit nahezu alle Fertigungsverfahren für den Diodenlaser zu erschließen«, sagt Dr. Peter Loosen vom ILT. »Das dazu entworfene Konzept sieht vor, die Ausgangsleistung und die Strahlqualität der Laserbauelemente zu steigern und innovative Techniken der Strahlformung mit hochdichten Packungskonzepten zu kombinieren«, berichtet Peter Loosen.
Das erste Ziel, die Leistung der einzelnen Halbleiterlaser auf über 100 Watt zu steigern - zu vervierfachen - und die Strahlqualität zu verbessern sowie die Lebensdauer zu steigern, ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Denn solche Strahlquellen gibt es noch nirgends auf der Welt. Die Projektpartner Siemens AG, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg und das Berliner Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, haben in vergangenen Projekten genügend Know-how gesammelt, um das zu schaffen. Die Laserelemente werden auf Galliumarsenid-Substraten mit Epitaxieverfahren Schicht für Schicht aufgebaut. Diese Verfahren gilt es nicht nur zu verbessern, sondern auch neue Lösungskonzepte wie Trapezlaser und verkoppelte Einzelemitter zu realisieren. Die Steigerung der Brillanz der Diodenlaser ist ein vorrangiges Ziel. Denn eine bessere Strahlqualität ist die Voraussetzung für höhere optische Leistungsdichte.
Der Aufbau und der Test der neuen Barren erfolgt dann in enger Zusammenarbeit mit dem ILT und den Komponenten- und Geräteherstellern. Diese Barren werden zunächst auf Mikrokühler montiert, um die entstehende Wärme effektiv abzuleiten. Genauso wichtig sind die mikrooptischen Komponenten, die alle Einzelstrahlen zusammenführen und zu einem Gesamtstrahl formen.
Parallel zur Erarbeitung der technologischen Grundlagen ist ein breites Spektrum grundlegender Anwendungsuntersuchungen geplant. In Zusammenarbeit zwischen dem ILT und einer Anzahl industrieller Partner wird die Integration in die Fertigungstechnik untersucht und völlig neue Werkzeuge wie eine optische Schere, verzugsfreies Simultanhärten oder Tiefschweißen entwickelt. Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT wird etwa das laserunterstützte Zerspanen erprobt, eine neue Fertigungstechnik, mit der auch härteste Materialien zerspant werden können. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS testet das Härten mit Diodenlasern. Weitere Beispiele sind das Weich- und Hartlöten, die Kunststoffbearbeitung, die Mikrotechnik und das Reparieren von Formen und Motorteilen. Nicht nur die deutschen Lasergeräte- und Laseranlagenhersteller werden von der neuen Technologie profitieren, sondern auch die Werkzeugmaschinen- und Anlagenbauer: Die Automobilindustrie, die Elektrotechnik, die Verpackungsbranche und die metallverarbeitende Industrie können mit den neuen Werkzeugen erhebliche Produktivitätsfortschritte erzielen. Das belegen die Initiatoren des Leitprojekts mit zahlreichen Beispielen.
Weitere Informationen:
Dr. Peter Loosen
Telefon 02 41/89 06-1 62, Telefax 02 41/89 06-1 21
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15, D-52074 Aachen
email: loosen@ilt.fhg.de
Durch Stapeln einzelner Diodenlaser zu Stacks werden Leistungen bis in den kW-Bereich erzielt. Diese ...
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Criteria of this press release:
Electrical engineering, Energy, Information technology, Mechanical engineering
transregional, national
Research projects
German
Durch Stapeln einzelner Diodenlaser zu Stacks werden Leistungen bis in den kW-Bereich erzielt. Diese ...
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