Magazin Verlag Hightech Publications KG · Wincklerstr. 4 · 31542 Bad Nenndorf Ausgabe 1/März 2014

mit Fachteil NEUE WERKSTOFFE

LEITTHEMA: Laser in der Blechbearbeitung ab Seite 9

14 LASER MAGAZIN 1/2014

Lasersysteme

Innerhalb der letzten 10 Jahre erfuhr die blau emittierende Laserdiode eine enorme entwicklung. Basierend auf der Kommerzialisierung von GaN substraten und der entwicklung GaN-basierter LeDs in den 1990er Jahren wurden anfang des 21. Jahrhunderts die ersten violett bei 405 nm emittie-renden Laserdioden verfügbar. es folgte die erste Consumer-anwen-dung in Form des Blu-ray-Players und die erweiterung der technologie auf den spektralbereich bis ca. 480 nm. eine stürmische, immer noch andau-

ernde entwicklungsphase führte zu blauen Laserdioden mit ausgangsleis-tungen bis zu 3 W im spektralbereich um 450 nm. Die entwicklung erster kommer-zieller Produkte, z. B. kom-pakter La-serbeamer für Präsentati-onszwecke, führte zur massenproduk-tion und damit zu einer guten Verfüg-barkeit der blauen Laserdioden. Heute sind blau emittierende Hoch-leistungslaserdioden mit Leistungen um 1.5 W als konfektionierte einzele-mitter standardmäßig verfügbar. Die-se Leistungen scheinen gegenüber

aktuellen einzelemittern im nahen Infrarot, mit denen Leistungen um 10 W erreicht werden, zunächst klein, jedoch werden diese Leistungen von wesentlich kleineren emittern abge-strahlt, sodass bereits heute annä-hernd Gleichstand bei der erzielbaren strahldichte herrscht. Blaue Laserdio-den werden damit für industrielle an-wendungen interessant.Die entwicklung der blauen Laserdio-den war und ist stark anwendungsge-trieben. Hauptanwendungen im Fokus der entwicklung sind dabei Display-anwendungen, wie zum Beispiel Kino-projektion oder auch Laserfernseher und Projektoren für große Veranstal-tungen. Laserdioden sollen hierbei Xenon-Bogenlampen ersetzen. Dabei können blaue Laserdioden nicht nur für die Farbe blau eingesetzt werden, sondern mittels Konversion in einer Phosphorschicht auch die ebenfalls benötigten roten und grünen spekt-ralanteile erzeugen. Im Vergleich zu heutigen Projektoren decken die dadurch verfügbaren Grundfarben einen wesentlich größe-ren Farbraum ab und ermöglichen eine realistischere, detailgetreuere farbliche Darstellung. Durch die enorm verbesserte strahlqualität im Vergleich zur Bogenlampe können Optiken mit deutlich verringerten Blendenzahlen ohne Verlust an Hellig-keit eingesetzt werden. Dies führt einerseits zu kontrastreicheren Bil-dern, somit zu einer Kostenreduktion, da Optiken mit kleinerem Durchmes-ser und weniger Linsen eingesetzt werden können. Des Weiteren entfällt ein Lampenwechsel, welcher gerade bei leistungsstarken Kinoprojektoren hohe laufende Kosten verursacht.

Die Anwendungsfelder für Hochleistungs-Diodenlaser im blauen Spektralbe-reich sind vielfältig. Sie eignen sich unter anderem für Anwendungen in der Dis-playtechnik und in der Medizintechnik. DILAS entwickelt solche einzelemitter-basierten, modularen fasergekoppelten Hochleistungs-Diodenlaser.

Fasergekoppelte Hochleistungs-Diodenlaser im blauen spektralbereich erschließen neue anwendungen

▲ Abb. 1: Das fasergekoppelte DILAS Laserdiodenmodul für Leistungen bis zu 25 W bei 450 nm.

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Laserdiodenbasierte Lichtquellen sind mit Lebensdauern von mehreren zehntausend stunden praktisch war-tungsfrei. Der flächendeckenden Um-stellung der Projektionstechnik auf Laserstrahlquellen stehen momentan noch hohe Initialkosten gegenüber. Durch den Wegfall von Wartungskos-ten erscheint es aber realistisch, dass die Kosten über den gesamten Le-benszyklus eines Projektors mit La-serstrahlquelle gegenüber einem bo-genlampenbasierten system konkur-renzfähig sind.Der einsatzbereich blauer Diodenla-ser ist allerdings nicht auf Display-anwendungen beschränkt. auch im Bereich der medizintechnik gibt es zahlreiche anwendungen. so können blaue Laser beispielsweise in der photodynamischen therapie (PDt) eingesetzt werden. Diese wird zum Beispiel zur Behandlung von tumoren oder Gewebeveränderungen einge-setzt. Dabei wird ein nichtgiftiger sen-sibilisator in den menschlichen Kör-per eingebracht und durch stoffwech-selvorgänge in dem zu bekämpfenden tumor angereichert. Durch Bestrah-lung mit Licht zersetzt sich dieser stoff dann in Bestandteile, die toxisch auf den tumor wirken und diesen zerstö-ren. auch für Pumpanwendungen können blaue Diodenlaser eingesetzt werden. so können Pr3+ Festkörperlaser z. B. mit der Wellenlänge 444 nm gepumpt werden und direkt, ohne Frequenz-verdopplung, Laserstrahlung auf meh-reren Laserlinien im sichtbaren Be-reich, unter anderem grün (522 nm), orange (607 nm), und rot (637 nm), erzeugen. Wie bereits erwähnt, kön-nen die Laserdioden auch mittels Phosphor in andere Farben konver-tiert werden. Konvertierung in Weiß-licht macht sie aufgrund ihrer enor-men strahldichte im Vergleich zu LeDs auch für Beleuchtungszwecke interessant, insbesondere wenn De-signanforderungen zu kleinen Bau-größen zwingen. so haben sowohl audi als auch BmW mittlerweile Front-scheinwerfer basierend auf blau emit-

tierenden Laserdioden angekündigt.Die erschließung der einsatzbereiche blauer Laserdiodenmodule steht erst am anfang. Durch die stetig steigende Verfügbarkeit solcher module wird die entwicklung vieler weiterer anwen-dungen erwartet.Um den zunehmenden Bedarf an fa-sergekoppelten Hochleistungs-Dio-denlasern im blauen spektralbereich um 450 nm Wellenlänge zu bedienen, wurde von DILas eine einzelemitter-basierte modulare Plattform entwi-ckelt. Diese besteht aus einem sub-modul mit bis zu 6 einzelemittern, welche kollimiert und auf eine gemein-same abstrahlrichtung justiert wer-den. Je nach gewünschter ausgangsleistung können mehrere solcher submodule auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet werden. Die Kühlung kann dabei sowohl über eine Wasserküh-lung (Industriewasser) als auch eine thermoelektrische Kühlung erfolgen. mit einer gemeinsamen Koppeloptik werden die module dann in eine Lichtleitfaser eingekoppelt. Das so aufgebaute Lasermodul kann optional mit sensorik, z. B. temperaturmes-sung und Leistungsmessern, ausge-stattet werden. Basierend auf dieser modularen Plattform werden stan-dardmäßig Lasermodule mit 10 W oder 25 W aus einer Faser mit 400 µm Durchmesser und einer numerischen apertur von 0.2 hergestellt. aufgrund des modularen aufbaus können aller-dings auch module bis etwa 100 W auf Kundenanfrage realisiert werden. Für anwendungen in der Displaytechnik werden neben den blau emittieren-den modulen zusätzlich noch module mit 40 oder 80 W rot bei 638 nm ange-boten, welche ebenfalls in die 400 µm Faser gekoppelt werden. abb. 1 zeigt das DILas standardmodul mit 25 W ausgangsleistung aus einer 400 µm Faser. es hat eine Größe von 150 x 120 x 65 mm3. abb. 2 zeigt die zugehörige ausgangskennlinie, die Leistung als Funktion des Diodenstroms. Durch die interne Verschaltung aller Dioden in reihe wird bei einem strom von nur

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Lasersysteme

1.1a eine ausgangsleistung von 25 W erreicht. Die dabei erzielte elektroop-tische effizienz beträgt 23 %. Die pri-märe anwendung für dieses modul ist die Displaytechnologie. Die realisie-rung von speziellen Wellenlängen- selektionen, z. B. kleiner 450 nm für die medizintechnik, ist möglich. mo-dule für kleinere Faserdurchmesser, z. B. 200 µm, befinden sich momentan in der entwicklung.

Um die Nachfrage nach kompakten schlüsselfertigen Diodenlasersyste-men in der Forschung und entwick-lung und im industriellen Umfeld zu bedienen, wurde von DILas die COm-PaCt Plattform entwickelt. Diese kom-biniert die Diodenlasermodule zu-sammen mit den Laserdiodennetz-teilen, Kühlung und ansteuerungs- und Interlocklogik in einem 19 Zoll Gehäu-se mit 4 Höheneinheiten.

es entsteht so ein schlüsselfertiges Lasersystem, welches unter anderem auch in Industrieanlagen integriert werden kann. Die blau emittierenden Laserdiodenmodule lassen sich eben-falls in diese Plattform integrieren. Beispielhaft ist der einsatz eines 25 W COmPaCt Diodenlasersystems mit speziellem Kollimator zur erzeugung einer homogenen Flächenbeleuch-tung.mit diesem modularen system kön-nen die unterschiedlichsten anforde-rungen erfüllt werden, von der Liefe-rung des reinen Diodenlasermoduls zur Oem-Integration bis hin zum ein-satzfertigen Komplettsystem. stan-dardmäßig werden Leistungen bis 25 W angeboten. Darüber hinaus ermög-licht der modulare aufbau der Dio-denlasermodule aber auch die schnel-le entwicklung von modulen höherer Leistung. auch anwendungsspezifi-sche Kollimationsmodule oder Be-arbeitungsköpfe können angeboten werden, um z. B. Linienfoki oder homogen beleuchtete Flächen für die Halbleiterindustrie zu realisieren.

■ INFO

autor:Dr. andreas UngerOptikentwickler bei der DILas Dioden-laser GmbH, zuständig für das optische Design von fasergekoppelten Hochleis-tungs-Diodenlasern.

Kontakt:DILas Diodenlaser GmbHGalileo-Galilei-str. 1055129 mainztel.: 06131 9226 0Fax: 06131 9226 253e-mail: sales@dilas.dewww.dilas.com

▲ Abb. 2: Typische Ausgangsleistung und elektrooptische Effizienz des 25 W Laserdio-denmoduls aus der 400 µm NA0.2 Faser.

▲ Abb. 3: Das schlüsselfertige DILAS COMPACT Diodenlasersystem mit integriertem 25 W Modul und speziellem Kollimator zur Erzeugung einer homogen beleuchteten Fläche im Einsatz.

Das Titelbild zeigt DILAS' fasergekoppelte Multi-Singleemitter Diodenlaserquelle im spektralen Bereich um 450 nm, die in diesem höchste Ausgangsleistungen und Strahl-qualitäten erzielt. Das skalierbare Konzept ermöglicht dabei Leistungen von 10 W bis 100 W, wobei 10 W und 25 W als Standardprodukt erhältlich sind.Das Modul wurde zum Kreis der Finalisten des Prism Award 2014 für Innovationen aus dem Bereich Photonik nominiert, der im Zuge der diesjährigen Photonics West in San Francisco verliehen wurde.

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DILAS Diodenlaser GmbHGalileo-Galilei-Str. 1055129 MainzTel.: 06131 9226 0Fax: 06131 9226 253E-Mail: sales@dilas.dewww.dilas.com

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Geplante ThemenLaserbearbeitungin der ElektronikUKP-LaserLaserstrukturierenLaseranwendungenin der EnergietechnikProzessüberwachung

Fachteil NEUE WERKSTOFFELaserpigmenteElektronikwerkstoffe, Keramiken

Redaktionsschluss 17. April 2014Anzeigenschluss 25. April 2014

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VORSCHAU LASER MAGAZIN 2/2014 (Hauptausgabe zur Optatec und Lasys)