Immer mehr Anwendungen für Hochleistungs-Diodenlaser Strahlung auf den Punkt gebracht

War der Laser schon eine der außergewöhnlichsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts, so ist unter seinen vielen Arten der Halbleiterlaser der eigentliche Star. Leistungen bis in den kW-Bereich und gegenüber früher sehr viel schärfere Fokussierbarkeit eröffnen jetzt immer mehr Einsatzmöglichkeiten, vor allem in der Materialbearbeitung.

Immer mehr Anwendungen für Hochleistungs-Diodenlaser

War der Laser schon eine der außergewöhnlichsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts, so ist unter seinen vielen Arten der Halbleiterlaser der eigentliche Star. Leistungen bis in den kW-Bereich und gegenüber früher sehr viel schärfere Fokussierbarkeit eröffnen jetzt immer mehr Einsatzmöglichkeiten, vor allem in der Materialbearbeitung.

Seitdem im Jahre 1962 der allererste Gallium-Arsenid-Kristall kohärentes Licht ausstrahlte, haben ganze Generationen von Halbleiterlasern einander abgelöst – mit immer komplexeren Strukturen und immer besseren Eigenschaften. Massenanwendungen in optischer Nachrichtenübertragung und CD-/DVD-Lauf-werken ließen die Preise in den Keller fallen; damit finden sich immer neue Einsatzfelder, die vorher entweder überhaupt nicht denkbar oder aber anderen Laserarten vorbehalten waren. Die technologischen Fortschritte zeigen sich in ständig steigenden Leistungen, verbesserter Strahlqualität und vor allem längerer Lebensdauer. Hier ist eine Schlüsseltechnologie entstanden, entsprechend viele Firmen sind weltweit auf diesem Gebiet tätig. Zahllose verschiedene Bautypen haben sich herausgebildet, meist optimiert auf spezielle Anwendungen. Die Innovationen kommen Schlag auf Schlag, die deutsche Forschung und Industrie kann dabei im internationalen Wettbewerb gut mithalten. Hier sind einige Entwicklungen der letzten Zeit zusammengestellt.

Der Weltmarkt kam 2003 auf rund 3 Mrd. $, die Zuwachsrate liegt bei etwa 10 % jährlich. Wegen des rapiden Preisverfalls steigen die Stückzahlen noch schneller, in diesem Jahr dürften es etwa 500 Mio. werden. Die weitaus größten Umsätze (knapp zwei Drittel) werden im Bereich der CD-/DVD-Laufwerke gemacht, an zweiter Stelle (knapp ein Drittel) steht die optische Nachrichtentechnik. Der Rest verteilt sich auf viele kleinere Anwendungen, darunter Pumplaser, Materialbearbeitung, Medizin, Kassen-Scanner, Sensorik und vieles mehr.

In der Anfangszeit blieben die Ausgangsleistungen im Milliwattbereich. Noch relativ jung sind die Hochleistungstypen, ihr Aufschwung verlief dafür um so schneller. Schon Einzeldioden geben heute bis zu einigen zig Watt an Lichtleistung ab; Stapel kommen auf Gesamtleistungen bis zu einigen kW, die früher nur aus klobigen, energiehungrigen Großlasern zu erhalten waren. Damit können Diodenlaser in vielen Fällen an deren Stelle treten. Ihre Überlegenheit zeigt sich in den sehr viel kleineren Abmessungen, im geringeren Gewicht, im Betrieb mit Niederspannung und im sehr viel höheren elektrisch/optischen Umwandlungs-Wirkungsgrad – oft über 60 %.

Vielschichtige Strukturen

Aus den anfänglichen einfachen PN-Dioden, eingeschlossen in einen optischen Resonator, sind nach mehr als 40 Jahren Entwicklungszeit überaus komplexe Bauelemente geworden, bestehend aus einer Vielzahl von Schichten mit unterschiedlicher Dotierung und Halbleiterzusammensetzung. Das Spektrum der verschiedenen Varianten ist nur noch schwer zu überblicken. Die Bauform der Hochleistungstypen ist immer ein Kantenemitter, bei dem der Strahl an der Seite austritt. Die vertikal emittierenden VCSELs erreichen bisher keine hohen Leistungen.

Der aktive (lichterzeugende) Streifen ist als Rippen-Wellenleiter („ridge“) ausgeführt – typisch etwa 0,5 bis 1 µm hoch. Bei den Versionen für niedrige Leistung ist er nur wenige µm breit; damit ist der abgegebene Strahl einmodig und hat eine sehr hohe Strahlqualität – in dem Sinne, dass der Intensitätsverlauf in horizontaler und vertikaler Richtung annähernd eine Gauss-förmige Verteilung hat. Dies erlaubt eine scharfe Bündelung. Die Ausgangsleistung hängt vom gepumpten Volumen und von der Facettenbelastbarkeit ab; damit bleibt sie bei Streifenbreiten von wenigen µm im mW-Bereich.

Um auf höhere Leistungen zu kommen, macht man den aktiven Streifen breiter – bis etwa 300 µm. Dabei wird allerdings die Qualität des Strahls deutlich schlechter. Er bekommt dann einen ovalen Querschnitt: In vertikaler Richtung („schnelle Achse“) ist er stark divergent, der Öffnungswinkel – gemessen bis zur halben Intensität – ist typisch einige zig Grad. In dieser Richtung ist er aber nach wie vor einmodig, so dass er sich mit geeigneten Mikrolinsen gut bündeln lässt. In horizontaler Richtung („langsame Achse“) ist er weniger divergent (Öffnungswinkel typisch einige Grad), dafür bilden sich jedoch sehr viele Schwingungsmoden aus. Die Intensitätsverteilung ist nicht mehr Gauss-förmig, sondern der Querschnitt des Strahls zeigt starke In-tensitätsschwankungen und -spitzen („Filamente“). Hier ist eine gute Bündelung prinzipiell nicht möglich; so bleibt die erreichbare Leistungsdichte weit unterhalb der Werte, die konventionelle Großlaser bieten können. Das übliche Maß für die Strahlqualität ist das „Strahl-Parameter-Produkt“ (SPP), definiert als wo x θo (Bild 1), gemessen in mm x mrad. Je kleiner dieser Wert, desto schärfer lässt sich der Strahl fokussieren.

Derartige Diodenlaser sind heute Standardbauelemente, die von zahllosen Herstellern in Europa, Nordamerika und Fernost in großen Stückzahlen produziert werden. In Bild 2 sind einige Entwicklungen des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg (IAF) gezeigt. Viele Ausführungen sind vorzugsweise für Dauerbetrieb ausgelegt, andere mehr für Pulsbetrieb. Die typischen Ausgangs-Aperturen liegen zwischen 100 und 200 µm, die Resonatorlängen bei 1 bis 2 mm, die Ausgangsleistungen bei einigen Watt.

Einige deutsche Firmen, die sich auf diesem Gebiet etabliert haben, sind z.B. Jenoptik Laserdiode GmbH in Jena (JOLD), DILAS in Mainz (Tochter von Rofin), Osram Opto Semiconductor in Regensburg, M2K in Freiburg, Laserline in Mülheim-Kärlich und mehrere weitere. Zu den führenden Forschungsstätten zäh-len die Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg (IAF) und für Lasertechnik in Aachen (ILT) sowie das Ferdinand-Braun-Insti-tut für Höchstfrequenztechnik in Berlin.

Die weitaus größte Auswahl an Hochleistungs-Diodenlasern besteht im Wellenlängenbereich von etwa 800 bis 1080 nm. Deren genauer Wert lässt sich über den Indium-Gehalt im InGaAs einstellen. Dünn gesät waren bisher solche mit Leistungen im Watt-Bereich bei größeren Wellenlängen. Auf diesem neuen Gebiet kann das IAF jetzt Erfolge vorweisen. Basis-Halbleiter ist Gallium-Antimonid (GaSb). Die damit aufgebauten Breitstreifenlaser sind 1 mm lang und 150 µm breit, sie geben bei 2 bis 3 µm Wellenlänge Dauerleistungen bis 1,7 W und Pulsleistungen bis 9 W ab und haben bisher eine Lebensdauer von 16 000 h erreicht. Anwendungen liegen in den Bereichen Spurengas-Analytik, Prozesskontrolle, Umwelt-Analytik, medizinische Diagnostik und Therapie.

Bessere Strahlqualität aus Barren

Um auch bei hohen optischen Leistungen eine gute Strahlqualität zu erzielen, setzt man viele schmale Streifen nebeneinander. Ein solcher „Barren“ ist ein monolithischer Kristall, typisch etwa 10 mm breit, mit einigen zehn bis einigen tausend optisch getrennten Einzellasern. Deren Strahlen werden extern vereinigt, wobei die Phasenlage erfahrungsgemäß keine Probleme bereitet. Die erzielten Leistungen reichen bis zu einigen zig Watt; Bild 3 zeigt eine konkrete Ausführung. In Bild 4 ist die Form der austretenden Strahlen verdeutlicht. Der Labor-Leistungsrekord aus einem 1-cm-Barren steht bei 267 W (IAF).

Noch sehr viel höhere Leistungen bis in den kW-Bereich erzielt man durch Übereinanderstapeln mehrerer solcher Barren zu einem „Stack“. Bild 5 zeigt das Prinzip, Bild 6 ein industrielles Produkt.

Forschungspreis für Trapezlaser

Ein ganz neuer, vielversprechender Weg zur Verbesserung der Strahlqualität ist der am IAF entwickelte Trapezlaser. Es handelt sich genau genommen um zwei optoelektronische Bauelemente, die zusammen auf einem Chip integriert sind. Das eine ist ein einmodiger Kleinleistungs-Diodenlaser, der als Strahlquelle dient. Das andere ist ein optischer Verstärker („Laser“ bedeutet ja „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“). Dessen aktiver Bereich beginnt schmal (3 µm) und verbreitert sich auf einer Länge von 2 mm bis auf 200 µm (Bild 7). Einzelausführungen erreichen Leistungen bis 5 W, damit aufgebaute Barren noch weit mehr. Die dabei erzielte Strahlqualität ist so gut wie die der einmodigen Quelle. Durch die schärfere Bündelbarkeit erreicht die Leistungsdichte den 25-fachen Wert von herkömmlichen Breitstreifen-Diodenlasern gleicher Ausgangsleistung. Auch die Einkoppelbarkeit des Strahls in eine Faser ist sehr viel besser. Diese hervorragenden Eigenschaften eröffnen dem Trapezlaser ein breites Spektrum neuer Anwendungen. Schon mehrere Firmen haben mit der Herstellung begonnen: M2K Laser GmbH in Freiburg – eine Ausgründung aus dem IAF, ferner DILAS – auch in Form von Barren mit vielen Einzellasern.

Der Trapezlaser wurde 2002 mit dem Landesforschungspreis für angewandte Forschung des Landes Baden-Württemberg ausgezeichnet. Entwicklungsleiter Marc Kelemen vom IAF erläutert, was das eigentlich Revolutionäre ist: „Er verbindet die starke Strahlleistung von Hochleistungs-Dioden-lasern aus der Materialbearbeitung mit der genauen Fokussierbarkeit von Milliwatt-Diodenlasern aus der Computer- und Kommunikationstechnik.“ Dennoch ist er kostengünstig herzustellen, wartungsfrei und langlebig.

Bemerkenswert hoch ist heute der elektrisch/optische Umwandlungs-Wirkungsgrad: Mit häufig über 60 % sind Diodenlaser die effizientesten Lichtquellen überhaupt. Dennoch ist bei hohen optischen Ausgangsleistungen eine erhebliche Verlustwärme abzuleiten, damit der Kristall nicht durch Überhitzung zerstört wird. Zwei Kühlmethoden stehen zur Auswahl: passive und aktive. Erstere verwenden als Wärmesenke einen massiven Kupferblock und erreichen minimale thermische Widerstände von etwa 0,7 K/W. Die Obergrenze der damit abführbaren Verlustleistung liegt bei etwa 50 W.

Aktive Kühler enthalten Mikrokanäle, durch die eine Kühlflüssigkeit gepumpt wird – meist deionisiertes, d.h. nicht leitfähiges Wasser. Durch die große innere Oberfläche ist die Kühlwirkung weitaus stärker. Hergestellt werden sie aus einer Vielzahl von Kupferlagen mit eingeätzten Strukturen (Bild 8). Wesentliche Innovationen auf dem Gebiet der Mikrokanal-Wärmesenken (MKWS) stammen vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen (ILT) und von JOLD. Der thermische Widerstand konnte damit bis auf 0,29 K/W abgesenkt werden.

Probleme bereitete lange Zeit die immer noch unzureichende Lebensdauer. Deren Ende ist als die Betriebszeit bei 20 °C definiert, zu der die optische Ausgangsleistung um 20 % gegenüber dem Ausgangswert abgefallen ist. (Aus messtechnischen Gründen führt man eine beschleunigte Alterung bei 50 °C durch und extrapoliert dann.) Bis vor wenigen Jahren lag sie meist in der Größenordnung von 10 000 Stunden; seitdem man die Degradationsvorgänge besser verstanden und einige bahnbrechende technologische Neuerungen eingeführt hat, konnte man sie deutlich verlängern. Wichtige Arbeiten auf diesem Gebiet wurden z.B. bei JOLD geleistet. Die Verbesserungen bei den Halbleitermaterialien haben dann zu der überraschenden Situation geführt, dass nicht mehr dies der Lebensdauer-bestimmende Faktor ist, sondern die Mikrokanal-Wärmesenke, die häufig eher ihren Geist aufgab als der Chip selbst – typisch nach etwa 15 000 Stunden. Die Ursache sind Erosions- und Korrosionsvorgänge, verursacht durch Kühlwasser und Stromfluss. Da der Halbleiterbarren mit der Anode direkt auf der Wärmesenke aufgelötet ist, liegt an dieser ein elektrisches Potential von ca. 2 V an. Bei Verwendung von Leitungswasser würden mehrere Wärmesenken über dessen Leitfähigkeit kurzgeschlossen. Deionisiertes Wasser verhält sich aber zu einer Reihe von Materialien sehr aggressiv. Zusätzlich führen die hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu einer mechanischen Erosion in den Mikrokanälen; sie werden mit der Zeit ausgewaschen, wodurch sich die Effizienz der Wärmeableitung verschlechtert.

Eine neue Konstruktion von JOLD mit „horizontalem Stack“ kombiniert die Vorteile und vermeidet die Nachteile von beiden, dadurch hält sie deutlich länger. Die Barren (in Bild 9 gelb) sind auf einer passiven Wärmesenke montiert. Die elektrischen Anschlüsse sind durch eine keramische Schicht (grau) vom Wasserkreislauf isoliert (blau = Kaltwasserzulauf, rot = Warmwasserrücklauf). Dadurch können keine elektrochemischen Reaktionen mehr ablaufen. Für die Kühlung ist normales Brauchwasser zulässig, durch den Zusatz von Korrosions- und Frostschutzmitteln wird ein problemloser Betrieb über viele 10 000 Betriebsstunden erreicht. Durch Vergrößerung der Kanäle reduzieren sich die Strömungsgeschwindigkeiten, so dass die Erosion keine Probleme mehr bereitet. Bild 10 zeigt die praktische Realisierung eines solchen horizontalen Stacks.