Mikrolinsen

Hochleistungs-Diodenlaser sind klein, haben aber eine große Zukunft vor sich. Hier wird der Laserkopf einer fasergekoppelten Bauform geprüft. Foto: Laserline
Thilo Horvatitsch

Schrittmacher im Photonen-Zeitalter

Diodenlaser erobern inzwischen auch die Werkhallen der Autohersteller. Für die Aufsteiger der Schlüsseltechnologie Laser liefert SCHOTT wichtige Komponenten: hochwertige Mikrolinsen.

Wenn der Scanner an der Einkaufskasse die Strichcodes von Milch oder Duschgel einliest, wenn die DVD abgetastet wird, wenn im Laserdrucker die Belichtung stattfindet – dann sind Diodenlaser am Werk. Seit es 1962 erstmals gelang, Laserlicht aus einem Halbleiterchip zu erzeugen, hat sich die Technologie rasant entwickelt. Getrieben vom Masseneinsatz in der optischen Datenübertragung beanspruchen die winzigen Strahlquellen heute über die Hälfte des jährlich rund sechs Milliarden US-Dollar umfassenden Weltlasermarktes. Eine spezielle Bauform lässt nun auch in Werkhallen die Muskeln spielen: Kompakte Hochleistungsdiodenlaser sind dabei, sich auf vorderste Plätze in der industriellen Materialbearbeitung zu schieben. Mit Leistungen bis in den Kilowattbereich bewähren sie sich heute in einer Fülle von Anwendungen – vom Schweißen von Kunststoffen und Metallen, Härten von Oberflächen und Löten von Bauteilen bis zum Schmelz- oder Brennschneiden.

Dabei setzt eine einflussreiche Klientel verstärkt auf die potenten Halbleiterlaser: die deutsche Automobilindustrie. „Wir sehen einen ganz starken Trend in diese Richtung”, bekräftigt Volker Krause. Der Geschäftsführer von Laserline, einem der international führenden Hersteller von Diodenlasern für die industrielle Materialbearbeitung, muss es wissen. Das deutsche Unternehmen pflegt Geschäftskontakte mit so gut wie allen namhaften Autoherstellern und hat bereits über 600 Strahlquellen im Weltmarkt platziert – in der Autoindustrie, Elektrotechnik, Kunststoffverarbeitung, Medizintechnik sowie im Sondermaschinenbau. Dabei hat sich Laserline vor allem im innovativen Feld des Diodenlaser-Direkteinsatzes einen Namen gemacht und bietet diese Strahlquellen mit Ausgangsleistungen bis zu zehn Kilowatt an. „Lötverbindungen etwa zwischen Dach und Karosserie werden damit ebenso realisiert wie das Löten von Anbauteilen wie etwa Türen oder Heckklappen. Unser Kunde Audi arbeitet flächendeckend mit solchen Lasern”, so Krause. Die deutsche Autoindustrie ist in dieser Nutzung weltweit ein Vorreiter und ersetzt in der Produktion zunehmend lampengepumpte Festkörperlaser durch kompakte Halbleiterlaser für den Direkteinsatz.

Dazu ist zu sagen: Hochleistungsdiodenlaser lassen sich einerseits als direkte Strahlquelle einsetzen, andererseits indirekt zum „Pumpen” (Anregen) der Kristalle eines Festkörperlasers. Im letzteren Fall lösen die Halbleiterlaser als optische Pumpquelle die wartungsintensiven Blitz- oder Bogenlampen ab. Vor diesem Hintergrund lässt sich auch der Unterschied der Diodenlaser- zur konventionellen Lasertechnik erklären. Denn Diodenlaserlicht selbst wird nicht durch Pumpen eines Kristalls oder durch die Gasentladung in einer Röhre wie beim Gaslaser erzeugt, sondern in einer winzigen mikroelektronischen Diode aus Halbleitermaterial. Ein elementarer Vorteil: Diodenlaser wandeln Strom ohne Umwege direkt in Licht um und öffnen damit die Tür zu einem völlig neuen Zeitalter der Lasertechnik – vergleichbar mit dem Technologiesprung von der Röhre zum Transistor.

Strom für 100.000 Euro sparen

Kompakte Hochleistungsdiodenlaser erreichen heute Kilowattleistungen und bewähren sich selbst beim Schneiden in der industriellen Materialbearbeitung. Foto: Highyag-Laserline
Der Nutzen zeigt sich an vielen Stellen: Diodenlaser haben einen bis zu 10-mal höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Laser und bleiben bei einer hohen Lebensdauer von bis zu 30.000 Betriebsstunden nahezu wartungsfrei. Vor allem sind sie klein und lassen sich optimal in die Fertigungstechnik integrieren. Ein großer Fortschritt gegenüber konventionellen Laseranlagen: Statt aus einem mannshohen, Energie fressenden Schrank kommt dieselbe Leistung nun aus einem Schuhkarton. „Im Vergleich kann ein Diodenlaser mit 4 kW Ausgangsleistung bei 8.000 Betriebsstunden im Jahr gut 100.000 Euro an Stromkosten sparen”, schätzt Volker Krause. Damit amortisiert sich die Investition in diese Technologie rasch.

Solche Vorteile lassen sich verstärkt nutzen, seit eine Schwäche des Hochleistungsdiodenlasers immer besser beherrscht wird: die Strahlqualität. Denn das stark aufgefächerte Licht ist nicht leicht zu fokussieren und muss optisch erst aufwändig vorbereitet werden, bis es sich zur Materialbearbeitung eignet. Dazu liefert der Technologiekonzern SCHOTT eine Schlüsselkomponente: FAC-Linsen zur Strahlparallelisierung. Deren Abbildungseigenschaften müssen auch in großen Stückzahlen homogen sein und die Strahlqualität des Lasers erhalten. „Es gibt nur einen kleinen Kreis von langfristig zuverlässigen Lieferanten wie SCHOTT, die diese Linsen in der geforderten Qualität anbieten”, urteilt Volker Krause.

Wenn aber selbst die anspruchsvollen Autohersteller mit dem „Gesamtpaket” zufrieden sind, hat der kleine Laser noch eine große Zukunft vor sich – nicht nur als Universalwerkzeug in der industriellen Produktion, sondern auch in interessanten Nischen wie der Laserchirurgie, der industriellen thermischen Trocknung, der Druck- oder Displaytechnik. Eines sei jedenfalls schon absehbar, so Krause: „In fünf Jahren hat der Diodenlaser die lampengepumpten Laser ersetzt.”