Was ist ein blauer Hochleistungs-Halbleiterlaser?

DerBlaue Halbleiterlaser mit hoher Helligkeit und hoher Leistungwerden ständig bis zu neuen Grenzen verbessert, was auch zu mehr und breiteren Anwendungen führen wird. Blaue Halbleiterlaser erwarten neben der effizienten Metallmaterialbearbeitung auch branchenübergreifende Anwendungen, insbesondere im Maschinenbau soll die Lasermaterialbearbeitung mit blauem Licht unter Wasser möglich werden. Für die Fertigung ist das natürlich ein großer Vorteil. Darüber hinaus kann die Lichtindustrie auch hochwertige Lichttechnik auf Basis blauer Halbleiterlaser einsetzen.

1. Einschränkungen von Hochleistungslasern im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich

In den letzten Jahrzehnten haben sich Hochleistungs-CW-Laser zu einem gängigen Werkzeug in der modernen Fertigung entwickelt und decken Anwendungen wie Schweißen, Plattieren, Oberflächenbehandlung, Härten, Hartlöten, Schneiden, 3D-Druck und additive Fertigung ab. Der erste Entwicklungshöhepunkt der Hochleistungs-Dauerlasertechnologie trat vor dem Jahr 2000 auf, als ein Hochleistungs-Kohlendioxidlaser (CO2) mit einer Wellenlänge von 10,6 µm und ein halbinfraroter, halbleitergepumpter Nd:YAG-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm entwickelt wurden. Aufgrund seiner Wellenlänge ist es jedoch schwierig, Kohlendioxidlaser durch optische Fasern zu übertragen, was für industrielle Anwendungen gewisse Schwierigkeiten mit sich bringt; während Festkörperlaser durch Helligkeit und Leistungsverstärkungsfähigkeiten begrenzt sind. Nach dem Jahr 2000 entwickelten sich leistungsstarke industrielle Faserlaser als Lösungen für Laser mit hoher Helligkeit und hoher Leistung, die über optische Fasern geliefert werden konnten. Heutzutage haben Faserlaser in den meisten Anwendungen CO2-Laser ersetzt und werden in vielen industriellen Verarbeitungsanwendungen effektiv eingesetzt. Insbesondere in den letzten Jahren hat es sich zur Hauptkraft industrieller Laser wie Laserschweißen und -schneiden entwickelt, die eine höhere Geschwindigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit aufweisen als Kohlendioxidlaser.

Allerdings arbeiten diese CW-Hochleistungsfaserlaser typischerweise bei Wellenlängen im nahen Infrarot (NIR) innerhalb von 1 µm, was für viele Anwendungen in Ordnung ist. Es eignet sich beispielsweise für die Bearbeitung von Stahl mit einer Absorptionsrate von mehr als 50 Prozent, ist jedoch eingeschränkt, da manche Metalle 90 Prozent oder mehr der auf ihre Oberflächen einfallenden nahinfraroten Laserstrahlung reflektieren. Insbesondere beim Schweißen gelber Metalle wie Kupfer und Gold mit Nahinfrarotlasern ist aufgrund der geringen Absorptionsrate viel Laserleistung erforderlich, um den Schweißvorgang zu starten. Im Allgemeinen gibt es zwei Laserschweißverfahren: Schweißen im Leitungsmodus (bei dem das Material einfach geschmolzen und wieder zum Fließen gebracht wird) und Schweißen im Tiefdurchdringungsmodus (bei dem der Laser das Metall verdampft und der Dampfdruck einen Hohlraum oder ein Schlüsselloch bildet). Das Tiefschweißen führt aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen des Laserstrahls mit dem Metall und dem Metalldampf auf seinem Weg durch das Material zu einem stark absorbierten Laserstrahl. Die Betätigung des Schlüssellochs mit einem Nahinfrarotlaser erfordert jedoch eine erhebliche einfallende Laserintensität, insbesondere wenn das zu schweißende Material stark reflektierend ist. Und sobald sich das Schlüsselloch gebildet hat, steigt die Absorptionsrate stark an und der hohe Metalldampfdruck, der durch den Hochleistungs-NIR-Laser im Schmelzbad erzeugt wird, führt zu Spritzern und Porosität, sodass die Laserleistung oder Schweißgeschwindigkeit angepasst werden muss sorgfältig kontrolliert, um zu verhindern, dass übermäßig viel Spritzer aus der Schweißnaht austritt. Metalldämpfe und „Blasen“ im Prozessgas können ebenfalls eingeschlossen werden, wenn das Schmelzbad erstarrt, was zu Porosität in der Schweißverbindung führt. Eine solche Porosität schwächt die Schweißnahtfestigkeit und erhöht den Verbindungswiderstand, was zu einer schlechteren Qualität der Schweißverbindung führt. Daher ist die Bearbeitung von Materialien wie Kupfer mit NIR-Lasern eine große Herausforderung<5% absorption at 1 µm. In order to process these high-reflectivity materials better, methods such as increasing the laser absorption rate of the material by generating plasma on the processed material have been adopted. However, because these methods limit material processing to deep penetration processes, conduction mode welding cannot be used for thin materials, and there are inherent risks of sputtering and controlled energy deposition. Therefore, existing 1 µm laser systems have their limitations when processing highly reflective materials such as non-ferrous metals, as well as in underwater applications.

Um diese lasergesteuerten Anwendungen im nahen Infrarot zu entwickeln, müssen Menschen an neuen Laserlichtquellen forschen. Um Treibhausgasemissionen zu reduzieren, ersetzen neue Energiefahrzeuge außerdem Benzinmotoren und Verbrennungsmotoren durch Elektromotoren. Die große Menge an Kupfer, die beim Bau von Elektromotoren, insbesondere Energiebatterien, verwendet wird, hat zu einer enormen Nachfrage nach zuverlässigen Kupferverarbeitungslösungen geführt, während es in anderen erneuerbaren Energiesystemen wie Windkraftanlagen ein ebenso breites Anwendungsspektrum gibt.

2. Die Geburt des blauen Hochleistungslasers

Die Entwicklung der industriellen Lasertechnologie erfolgte stets entlang der Roadmap der Produktionstechnologie und neuer gesellschaftlicher Anforderungen. In den letzten 60 Jahren hat die Lasertechnologie von der digitalen Wirtschaft und Gesellschaft über nachhaltige Energie bis hin zu gesundem Leben große Beiträge zur Lösung wichtiger Zukunftsaufgaben der Menschheit geleistet. Die Lasertechnik ist heute aus vielen Kernbereichen unserer Wirtschaft nicht mehr wegzudenken, von der Produktionstechnik über den Automobilbau, die Medizintechnik, die Mess- und Umwelttechnik bis hin zur Informations- und Kommunikationstechnik. Da die Metallverarbeitungstechnologie immer weiter voranschreitet und die Anforderungen der Anwender immer weiter steigen, erfordern Laser Innovationen hinsichtlich Kosten- und Energieeffizienz sowie der Leistung des Lasersystems. Die Marktnachfrage nach einer effizienten Bearbeitung hochreflektierender Metalle hat die Entwicklung der blauen Hochleistungslasertechnologie angeregt, die sicherlich die Tür zu neuen Technologien in der Metallbearbeitung öffnen wird.

Bei Nichteisenmetallen nimmt die Absorption von Lichtenergie mit abnehmender Lichtwellenlänge zu. Beispielsweise erhöht sich die Lichtabsorption von Kupfer bei Wellenlängen unter 500 nm im Vergleich zu Infrarotlicht um mindestens 50 Prozent, sodass kurze Lichtwellenlängen besser für die Kupferverarbeitung geeignet sind. Das Problem besteht darin, dass die Entwicklung kurzwelliger Hochleistungslaser für diese industriellen Anwendungen schwierig ist. Es stehen nur wenige Hochleistungsoptionen zur Verfügung, und selbst die vorhandenen sind teuer und ineffizient. Beispielsweise gibt es auf dem Markt einige auf Frequenzverdopplung basierende Festkörperlaserquellen, die in diesem Wellenlängenbereich eingesetzt werden können und Laserlicht mit Wellenlängen von 515 nm und 532 nm (grünes Spektrum) erzeugen. Allerdings sind diese Laserquellen auf ihre nichtlinearen optischen Kristalle angewiesen, um die Pumplaserenergie in die Energie der Zielwellenlänge umzuwandeln. Der Umwandlungsprozess führt zu einem hohen Leistungsverlust und der Laser erfordert komplexe Kühlsysteme und komplexe optische Aufbauten.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, richten die Menschen ihr Augenmerk auf blaue Halbleiterlaser. Einer davon liegt darin, dass Blu-ray seine spezifischen Eigenschaften hat. Hochreflektierende Metallmaterialien weisen eine hohe Absorptionsrate für blaues Licht auf, was bedeutet, dass blaues Licht einen großen Vorteil bei der Metallverarbeitung hochreflektierender Materialien (wie Kupfer usw.) hat. Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die Absorption von blauem Licht durch Kupfer mehr als 13-mal (13-mal) höher als die von Infrarotlicht. Darüber hinaus ändert sich die Absorptionsrate beim Schmelzen von Kupfer kaum. Sobald der blaue Laser mit dem Schweißen beginnt, hält die gleiche Energiedichte den Schweißvorgang aufrecht. Das Blu-Ray-Laserschweißen ist von Natur aus gut kontrolliert und weist weniger Fehler auf. Das Ergebnis sind schnelle und qualitativ hochwertige Schweißnähte. Gleichzeitig wird blaues Licht im Meerwasser weniger absorbiert und hat daher eine längere Übertragungsstrecke, was die Entwicklung des Bereichs der Unterwasser-Lasermaterialbearbeitung ermöglicht. Darüber hinaus lässt sich blaues Licht relativ einfach in weißes Licht umwandeln, sodass sich Flutlicht- und andere Beleuchtungsanwendungen mit blauen Lasern sehr kompakt umsetzen lassen. Zweitens können Halbleiterlaser auf Basis von Galliumnitridmaterialien ohne weitere Frequenzverdopplung direkt Laserlicht mit einer Wellenlänge von 450 nm erzeugen und verfügen daher über eine höhere Energieumwandlungseffizienz.

Der Laser mit einer Wellenlänge von 450 nm soll die Bearbeitungseffizienz von Kupfermaterialien im Vergleich zur Wellenlänge von 1 µm um fast das Zwanzigfache steigern. Im Vergleich zu herkömmlichen Nahinfrarot-Laserschweißverfahren haben blaue Hochleistungslaser quantitative und qualitative Vorteile. Quantitative Vorteile: Höhere Schweißgeschwindigkeiten und ein breiteres Prozessfenster führen direkt zu einer schnelleren Produktivität und minimierten Produktionsausfallzeiten. Qualitative Vorteile: größere Prozessfreiheit, spritzerfreie und porösitätsfreie Schweißnähte in hoher Qualität sowie höhere mechanische Festigkeit und geringerer elektrischer Widerstand. Die gleichbleibende Schweißqualität kann die Produktionsausbeute erheblich verbessern. Darüber hinaus kann der blaue Laser auch den Wärmeleitungsschweißmodus durchführen, was mit dem Nahinfrarotlaser nicht möglich ist.

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