Diodenlaser

Was ist ein Diodenlaser und wie wird er im Industriebereich eingesetzt?

Diodenlaser sind Laser, deren Licht mit Laserdioden erzeugt wird. Laserdioden haben Ähnlichkeit mit LEDs (Light Emitting Diodes), sind aber im Unterschied zu den LEDs für die Emission von kurzwelligem Laserlicht ausgelegt.

Laserdioden bestehen aus Halbleitermaterialien, daher werden Diodenlaser auch als Halbleiterlaser bezeichnet. Die Anregung von Laserdioden erfolgt direkt elektrisch. Die elektrische Energie wird unmittelbar in Licht umgewandelt, es erfolgt keine Gasentladung. Das ist der Grund wieso Diodenlaser einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Diodenlaser emittieren meist Licht mit einem Mikrometer Wellenlänge. Dabei kann durch eine entsprechende Wahl des Materials für das aktive Medium die Emissionswellenlänge beeinflusst werden.

Die Leistung einzelner Laserdioden liegt bei wenigen Watt. Zudem geben in der Regel einzelne Laserdioden stark divergierende Laserstrahlung ab. In der Industrie werden jedoch meist höhere Leistungen in Form eines einzelnen Laserstrahls benötigt. Daher fasst man beim Diodenlaser mit höherer Leistung mehrere Laserdioden elektrisch und optisch zusammen. Um höhere Lichtleistungen zu erzielen, wird also das Licht einer Vielzahl von nebeneinander geschalteten Laserdioden miteinander kombiniert.

Dafür integriert man mehrere Einzeldioden in Chips in Form sogenannter Barren – englisch Bars.

Auf einem streifenförmigen Chip werden dabei mehrere Laserdioden nebeneinander montiert. Die Einzeldioden werden elektrisch parallel betrieben und auf einer Wärmesenke platziert. Ein einzelner Barren liefert 50 oder mehr Watt.

Mehrere Barren werden zu Stapeln – englisch Stacks – zusammengefasst. Die Barren werden elektrisch in Reihe geschaltet, die Einzelstrahlen der Barren werden optisch kombiniert. Damit sind Leistungen bis zu 1 kW möglich. Mehrere Stapel können wiederum unter Verwendung verschiedener Wellenlängen und Polarisationsrichtungen optisch addiert werden. Dies ermöglicht beim Diodenlaser Leistungen im zweistelligen kW-Bereich. Die Strahlqualität des Laserstrahls ist beim Diodenlaser durch die Kombination vieler Einzelstrahlen jedoch signifikant schlechter als dies bei einem anderen Lasersystem gleicher Leistung der Fall ist.

Welche Vorteile bietet ein Diodenlaser im Vergleich zu anderen Lasertechnologien?

Verglichen mit anderen Lasertechnologien haben Diodenlaser eine Reihe interessanter Eigenschaften und bieten damit auch einige attraktive Vorteile:

• Sie lassen sich klein und leicht, also in sehr kompakter Bauweise, herstellen.
• Einfaches Laserpumpen mit elektrischem Strom.
• Der elektrisch / optische Wirkungsgrad ist mit 25 bis über 50 % hoch.
• Der hohe Wirkungsgrad erlaubt die Stromkosten für den Betrieb niedrig zu halten.
• Sie können einen breiten Wellenlängenbereich erzeugen, was eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht.
• Die Lebensdauer ist sehr hoch und beträgt in manchen Fällen 30.000 Stunden und mehr.
• Sie sind wartungsarm, die Wartungsintervalle sind lang.
• Es ist möglich die Strahlung in Lichtleitkabeln einzukoppeln und zu transportieren.
• Die Leistungsdegradation ist gering.

Dank der Eigenschaften und der flexiblen Anpassbarkeit haben Diodenlaser Einzug in vielen unterschiedlichen Branchen und Anwendungsgebieten gehalten.

Für welche Anwendungen und Materialien ist ein Diodenlaser besonders gut geeignet?

Das Einsatzspektrum von Diodenlasern ist beeindruckend. Da die Laser meist ein breites Wellenlängenspektrum erzeugen können, lassen sie sich für viele Anwendungen flexibel anpassen:

Industrie:

• Schneiden, Löten und Schweißen dünner Metalle und Kunststoffe
• Gravieren von Bauteilen
• Markieren von Produkten
• Bohren kleinster Löcher (Mikrolöcher)
• Oberflächenbehandlung

Medizin:

• In der Chirurgie zur Epilation
• In der Dermatologie bei Gefäßveränderungen
• In der Zahnmedizin unter anderem zur Entfernung von Zahnfleischwucherungen
• In der Augenheilkunde beispielsweise zur Behandlung von grauem Star
• Als fotodynamische Therapie

Elektronik:

• Schneiden von Leiterplatten
• Mikroschweißen

Kunsthandwerk:

• Holz Laserschneiden (Gravuren), Metall sowie einer Vielzahl anderer Materialien
• Herstellung von Kunstwerken

Werbung und Graphik:

• Beschriftung von Werbematerialien
• Herstellung von Schildern

Sonstiges:

• Kommunikationstechnik: In der Kommunikationstechnik kommen Diodenlaser häufig für die Datenübertragung in faseroptischen Kommunikationssystemen zum Einsatz.
• Werkzeuge: Laserpointer werden in der Regel aufgrund der kompakten Größe und des geringen Stromverbrauchs mit einem Diodenlaser realisiert.
• Messtechnik und Sensorik: Vor allem dank der kompakten Bauweise und des niedrigen Energieverbrauchs kommen Diodenlaser in vielen Messvorrichtungen zum Einsatz.
• Pumplaser: Diodenlaser kommen als Pumplaser zum Einsatz beispielsweise für Faserlaser.

Wie effizient ist ein Diodenlaser in der Materialbearbeitung?

Diodenlaser kommen wegen ihrer Effizienz, ihrer kompakten Bauweise und ihrer präzisen Steuerbarkeit in der Materialbearbeitung verbreitet zum Einsatz:

• Schweißen: Kunststoffe und dünne Metalle lassen sich mit Diodenlaser schweißen.
• Härten: Das gezielte Erhitzen mit einem Diodenlaser ermöglicht die Härtung von bestimmten Materialoberflächen. Damit kann der Verschleiß verringert werden.
• Pulverauftrag: Das Aufbringen von Schutzschichten bzw. das Beschichten von Werkzeugen kann in vielen Anwendungen mit einem Diodenlaser erfolgen.
• Umschmelzen: Diodenlaser kommen zum Aufschmelzen von Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz bzw. um Defekte zu entfernen.

Verglichen mit anderen Lasersystemen überzeugen Diodenlaser mit einer sehr hohen Lebensdauer und sind wartungsfreundlich. Damit stellen Diodenlaser in bestimmten Einsatzbereichen eine attraktive und kostengünstige Option dar.

Wie präzise sind die Ergebnisse eines Diodenlasers im Vergleich zu anderen Laserarten?

Diodenlaser können grundsätzlich in bestimmten Anwendungsbereichen eine hohe Präzision erzielen. Jedoch gibt es eine Vielzahl von Faktoren, die sich auf die Genauigkeit der Bearbeitung durch einen Diodenlaser im Vergleich zu anderen Lasersystemen auswirken. Zudem ist es notwendig die spezifische Anwendung zu berücksichtigen:  

• Wellenlängenstabilität: Da Diodenlaser über eine gute Wellenlängenstabilität verfügen, sind sie für Messungen und spektroskopische Anwendungen gut geeignet.
• Mobiler Einsatz in rauen Umgebungen: Diodenlaser sind sehr kompakt und robust. Daher eignen sie sich sehr gut für portable Geräte in rauen Umgebungen und weisen einen vergleichsweise geringen Stromverbrauch auf.
• Modulierbarkeit: Da sich Diodenlaser schnell und verhältnismäßig einfach modulieren lassen, bringen sie für optische Kommunikation sowie Laser-Radar-Systeme gute Voraussetzungen mit.

Folgende Aspekte wirken sich beim Diodenlaser negativ auf die Präzision der Ergebnisse aus:

• Strahlqualität: Die Strahlqualität ist ist in der Regel nicht mit jener von Gas- oder Festkörperlasern vergleichbar und deutlich schlechter. Die Folge können Auswirkungen auf die Fokussierbarkeit und die erzielbare Spotgröße sein.
• Leistung: Sie kommen im Regelfall nicht an die Leistung von Hochleistungssystemen wie beispielsweise dem CO2-Laser heran.
• Temperaturstabilität: Sie sind häufig hinsichtlich Wellenlänge und Leistung sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen.

Im spezifischen Vergleich mit anderen Lasersystemen ergeben sich einige bemerkenswerte Unterschiede:

• Gaslaser: Beispielsweise bietet der Helium-Neon-Laser eine hervorragende Strahlqualität. Meist sind Gaslaser jedoch größer und teurer als Diodenlaser.
• Festkörperlaser: Festkörperlaser wie der Nd:YAG-Laser (sprich Neodym-YAG-Laser) sind in der Lage hohe Leistung und gute Strahlqualität zu erreichen. Jedoch sind sie in der Regel deutlich komplexer aufgebaut und teurer als Diodenlaser.
• Faserlaser: Sie kombinieren die Vorteile von Festkörper- und Diodenlasern. Das Resultat sind Laser mit hoher Leistung, guter Strahlqualität, Robustheit und Flexibilität.

Faserlaser sind im übrigen Laser, die mithilfe einer optischen Faser Licht erzeugen und dieses weiterleiten.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die folgenden Faktoren in eine fundierte Entscheidung für das zum Einsatz kommende Lasersystem einfließen sollten:

• Benötigte Leistung: Die erforderliche Leistung bestimmt grundsätzlich die Wahl des Lasersystems sowie der Kühlung.
• Benötigte Wellenlänge: Diodenlaser sind diesbezüglich flexibel, da sie in einem breiten Wellenlängenbereich arbeiten können.
• Strahlqualität: Fokussierbarkeit und erzielbare Spotgröße des Laserstrahls werden durch die Strahlqualität bestimmt.
• Stabilität: Für die Durchführung präziser und reproduzierbarer Messungen ist die Stabilität der Leistung und Wellenlänge unverzichtbar.
• Kosten: Es ist notwendig, die Anschaffungs- und Wartungskosten für den Laser und das Gesamtsystem zu berücksichtigen.
• Größe und Gewicht: Speziell für portable Anwendungen sind Größe und Gewicht des Lasers entscheidend.

Welche Leistungsstufen bietet ein Diodenlaser für industrielle Anwendungen?

Diodenlaser sind heute in einer Vielzahl von Konsumprodukten, Messgeräten sowie Kommunikationstechnologien meist in Form von Einzelemitter-Laserdioden verbaut. Einzelemitter werden dabei üblicherweise mit Leistungen bis zu einigen Watt hergestellt. Anders ist dies für die industrielle Anwendung von Diodenlasern. Hier sind in der Regel hohe Leistungen erforderlich, da der Laserstrahl für die Materialbearbeitung eine hohe Leistungsdichte aufweisen muss. Zu den typischen industriellen Anwendungen gehören beispielsweise das Schweißen, Umschmelzen, Löten, Härten oder Pulverbeschichten.

Die hohen Leistungen von Multikilowatt-Diodenlasern werden durch das nebeneinander Schalten vieler Laserdioden erreicht. Dazu schaltet man eine größere Anzahl von Laserdioden in sogenannten Barren (englisch Bars) nebeneinander und kombiniert deren Laserstrahlen. Mehrere Barren werden wiederum zu einem Stapel (englisch Stack) zusammengefasst. Schließlich werden mehrere Stacks miteinander kombiniert. Die Lichtstrahlung der einzelnen Dioden werden für eine möglichst hohe Leistungsdichte über spezielle Mikrooptiken kombiniert und gebündelt. Bei dem solcherart erzeugten ‚Laserstrahl‘ handelt es sich genau genommen nicht um einen einzigen Laserstrahl, sondern um eine Vielzahl einzelner Laserstrahlen. Die Strahlqualität ist im Vergleich zu anderen Lasern mit einem einzigen Laserstrahl gleicher Leistung signifikant schlechter.     

Multikilowatt-Diodenlaser haben im Vergleich zu anderen Lasersystemen mit einem Wirkungsgrad von 20 bis 30 % eine gute Effizienz.

Ist der Diodenlaser auch für komplexe Geometrien und filigrane Arbeiten geeignet?

Diodenlaser kommen aufgrund ihrer schlechten Strahlqualität nur für eine sehr feine Schweißnaht bzw. für das Schneiden sehr dünner Materialien zum Einsatz. Die Laser weisen dabei einen niedrigen Wärmeeintrag auf. Geht es um komplexe Geometrien bzw. filigrane Arbeiten, so müssen diese Limitierungen von Diodenlasern berücksichtigt werden:

• Strahlqualität: Diodenlaser haben im Vergleich zu anderen Lasersystemen eine höhere Divergenz, d.h. eine deutlich schlechtere Strahlqualität. Vereinfacht gesagt breitet sich der Laserstrahl rasch aus. Das bewirkt einen schnell größer werdenden Fokuspunkt. Die Folge sind weniger präzise Schnitte und eine geringere Genauigkeit bei filigranen Strukturen.
• Leistungsschwankungen: Die Leistung von Diodenlasern ändert sich in der Regel in Abhängigkeit von der Temperatur. Dies kann zu schlechterer Prozesskontrolle und damit zu Inkonsistenzen bei der Bearbeitung führen. Besonders anfällig für Temperaturdrift sind Vorgänge mit langen Bearbeitungszeiten bzw. hohen Leistungsanforderungen.
• Kühlung: Beim Betrieb von Diodenlasern entsteht bei hoher Leistung viel Wärme, die mithilfe von aufwendigen Kühlsystemen abgeführt werden muss. Zudem kann durch den komplizierten Kühlsystemaufbau die Flexibilität des gesamten Lasersystems leiden.
• Strahlführung: Da der Laserstrahl eines Diodenlasers aus einer Vielzahl von Einzelstrahlen kombiniert werden muss, ist die Strahlführung wesentlich aufwendiger und komplexer als bei anderen Lasersystemen. Höhere Kosten und eine größere Fehleranfälligkeit im Zusammenhang mit der Strahljustierung können die Folge sein.
• Effizienz: Die Effizienz von Diodenlasern wird bei hohen Leistungen wesentlich schlechter. Dies kann wiederum höhere Energiekosten zur Folge haben.

Zusammenfassend haben Diodenlaser zwar ein breites Einsatzspektrum, ihre Eignung zur Durchführung hochpräziser Arbeiten mit komplexen Geometrien bzw. filigranen Strukturen ist jedoch sehr eingeschränkt. In der Regel liefern andere Lasersysteme mit besserer Strahlqualität und höherer Stabilität deutlich bessere Ergebnisse. Dazu gehören beispielsweise Festkörperlaser oder Faserlaser.

Was sind die Vor- und Nachteile eines Diodenlasers und warum verwendet BLS Lasertechnology GmbH ihn nicht?

Diodenlaser haben eine Reihe von interessanten Eigenschaften. Dies hat die Entwicklung eines sehr breiten Einsatzspektrums für dieses Lasersystem ermöglicht. Im Vergleich mit anderen Lasertechnologien haben Diodenlaser diese Vorteile:

• Kompakte Bauweise
• Einfaches elektrisches Laserpumpen
• Hoher Wirkungsgrad bis über 50 %
• Wellenlängenbereich an die Anwendung anpassbar
• Hohe Lebensdauer
• Geringe Leistungsdegradation

Dem stehen vor allem bei hohen Leistungen diese Nachteile gegenüber:

• Strahlqualität – Divergenz verschlechtert Fokussierbarkeit und erzielbare Spotgröße
• Schlechtere Präzision und Genauigkeit wegen der reduzierten Stahlqualität
• Temperaturabhängigkeit im Hochleistungsbereich mit negativen Auswirkungen in der Prozessführung 

Daher sind Diodenlaser kaum zum Schneiden sowie nur eingeschränkt zum Lasertiefschweißen von Metallen geeignet und weisen Einschränkungen in der erreichbaren Präzision und Widerholgenauigkeit auf. Die Montage der Laserdioden auf einer Wärmesenke sowie die Justierung der Mikrooptiken sind außerdem aufwendig und sind ein relevanter Kostenfaktor für einen Diodenlaser.

Welche besseren Alternativen verwendet BLS für sein Dienstleistungsangebot stattdessen?

BLS Lasertechnology GmbH setzt für die angebotenen Dienstleistungen einen Hochleistungsfestkörperlaser der Firma Trumpf zum Schweißen, Härten und zur Oberflächenbearbeitung von Metallen ein. Der Hochleistungsfestkörperlaser überzeugt vor allem dort, wo hohe Leistung bei gleichzeitig höchster Strahlqualität gefragt sind. Dank des Hochleistungslasersystems der Firma Trumpf sowie des umfassenden Know-how gepaart mit der langjährigen Erfahrung des Mitarbeiter-Teams ist BLS Lasertechnology GmbH in der Lage die angebotenen Dienstleistungen in hoher Qualität und Präzision sowie zuverlässig wiederholgenau zu erbringen.

BLS Lasertechnology GmbH ist Ihr kompetenter und zuverlässiger Partner für

• Laserbeschriftung
• Laserschweißen
• Laserhärten
• Lasermakieren

Die erfahrenen Experten von BLS Lasertechnology GmbH und die leistungsstarke Lasermaschine: Ein starkes Team für anspruchsvolle Aufgaben.