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Wenn kleine Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte gefragt waren, stieß die Erzeugung von Hochleistungs-Weißlicht lange Zeit an technologische Grenzen. Ein neuer Lösungsansatz unter Einsatz blauer Diodenlaser und rotierender Phosphorkonverter macht jetzt Lichtströme von über 100.000 Lumen bei Leuchtdichten von mehr als 1.000 cd/mm2 möglich.
Ein blauer Laser bestrahlt eine rotierende Scheibe, auf die ein Ring aus Phosphor aufgebracht wurde – und gleißend helles Licht durchflutet den Raum. Was hier im Testlabor von Laserline erprobt wird, ist ein neuer Ansatz zur Erzeugung von Hochleistungs-Weißlicht: Um hohe Lichtströme von über 100.000 Lumen zu realisieren, „pumpt“ ein Hochleistungsdiodenlaser mit 450 nm Wellenlänge ein sogenanntes Phosphor Wheel. Das blaue Laserlicht wird vom Phosphorkonverter großteils absorbiert, zu einem kleinen Teil jedoch gestreut und bei längeren Wellenlängen re-emittiert. Ergebnis ist ein weißes Breitbandlichtspektrum. Im Dauerbetrieb lassen sich so 150.000 Lumen, kurzzeitig sogar 270.000 Lumen erreichen, bei Leuchtdichten von bis zu 1.500 cd/mm². Benötigt werden solche Lichtleistungen beispielsweise in der Solarsimulation, also zur Erprobung von Solarzellen und Photovoltaikanlagen durch künstliches Sonnenlicht. Interessant ist diese Option aber auch für messtechnische Applikationen oder für die Veranstaltungstechnik, speziell für die Erzeugung spektakulärer Lichteffekte im Rahmen von Outdoor-Events.
Diodenlaser in der Lichttechnik – bei Technologiekennern weckt das Erinnerungen, und in der Tat: Bevor Diodenlaser seit Mitte der 1990er Jahre zu Industrielasern weiterentwickelt wurden, dienten sie bereits zur Erzeugung bühnentechnischer Beleuchtungseffekte. Viel mehr trauten der Technologie allerdings zunächst auch Experten nicht zu. Die Gründer von Laserline etwa mussten sich anlässlich ihres ersten Messeauftritts fragen lassen, was sie im industriellen Umfeld „mit dieser besseren Taschenlampe“ wollten. Dass sich dieses Urteil als Fehleinschätzung erwies, ist hinlänglich bekannt: Längst hat der Diodenlaser einen festen Platz in der industriellen Materialbearbeitung erobert und wird zum Schweißen, Härten und Beschichten von Stählen und Buntmetallen, aber auch in der Kunststoffverarbeitung, in der Halbleiterfertigung sowie zur Trocknung von Druckfarben eingesetzt. Umso erstaunlicher mutet es auf den ersten Blick an, dass er nun scheinbar zu seinen Anfängen zurückkehrt und von Neuem in der Lichttechnik Anwendung findet. Doch diese Rückkehr erfolgt letztlich unter ganz anderen Vorzeichen. Denn während vor rund zweieinhalb Jahrzehnten noch gar keine Hochleistungsdiodenlaser verfügbar waren, werden für die neue Anwendung genau solche Laser eingesetzt – nämlich blaue Diodenlaser von Laserline, die ersten Diodenlaser im blauen, sichtbaren Lichtspektrum eine Ausgangsleistung im Multi-Kilowatt-Bereich erreichen.
Kleine Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte als Herausforderung
Wie aber kam es zur Entwicklung dieses neuen Ansatzes? – In der Vergangenheit wurden Lichtströme von über 100.000 Lumen lange Zeit mit Hilfe von Hochdruck-Entladungslampen erzeugt. Diese Technik, die in ihren Grundzügen schon fast ein Jahrhundert alt ist, verbindet hohe Leistung mit kleinen Lichtquellengrößen, besitzt aber mehrere Nachteile: Die Lampen sind nicht sehr langlebig, ihre Farbwiedergabequalität ist mäßig und ihre Handhabung ist aufgrund des hohen Drucks und den teilweise gesundheitsschädlichen Inhaltsstoffen mit Gefahren verbunden. Eine Alternative kam 1995 auf den Markt: die erste Weißlicht-LED mit Konvertertechnologie. Bei dieser Lösung wurde blaues LED-Licht mit Hilfe eines cerium-dotierten YAG-Leuchtstoffs – umgangssprachlich auch als Phosophorkonverter bezeichnet – in breitbandiges Weißlicht umgewandelt. Gegenüber den alten Hochdruck-Entladungslampen war dieser Ansatz gleich mehrfach im Vorteil: Die LEDs konnten mit hoher Energieeffizienz und langer Lebensdauer punkten, das breitbandige Spektrum blieb auch langfristig konstant und der Lichtstrom war flexibel skalierbar – von einzelnen LEDs bis hin zu kompletten LED-Modulen. Sobald jedoch kleine Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte benötigt wurden, stieß auch diese Lösung an ihre Grenzen: Ein hoher Lichtstrom ließ sich immer nur durch den Einsatz vieler nebeneinander platzierter LEDs erzeugen, was die maximal erreichbare Leuchtdichte begrenzte und die Kontrastwirkung von Hochleistungs-Beleuchtungsanwendungen begrenzte.
An dieser Stelle kommt nun die neue Lösung unter Einsatz blauer Hochleistungsdiodenlaser ins Spiel: Sie ermöglicht erstmals, einen sehr hohen Lichtstrom effektiv und ohne Gefahren in der Anwendung mit einer hohen Leuchtdichte zu verbinden. Das Konzept geht vom selben physikalischen Prinzip aus, das schon bei den LEDs mit Konvertertechnologie genutzt wurde – nämlich blaues Licht via Phosphorkonverter in weißes Licht zu verwandeln. Doch während bei der LED-Lösung und anderen bisherigen Laserkonzepten Einzelemitter von etwa 3 bis 5 Watt Ausgangsleistung verwendet und zu Gesamtsystemen von etwa 50 Watt kombiniert wurden, greift der neue Lösungsansatz auf ein Vielfaches dieser Ausgangsleistungen zurück: Nachdem Laserline in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit Technologiepartnern aus dem Halbleitersegment ein neues Aufbaukonzept für blaue Diodenlaser entwickelt hat, stehen heute mit den blauen Diodenlasern im Dauerstrichbetrieb bis zu 4.000 Watt Ausgangsleistung bei 450nm Wellenlänge zur Verfügung. Das neue Aufbaukonzept nutzt – wie auch schon bei Infrarot-Diodenlasern – hochverdichtete Laserbarren statt kombinierter Einzelemitter; das komplette Lasersystem kann problemlos in verschiedenste Anwendungskonfigurationen integriert werden.
Blauer Hochleistungsdiodenlaser „pumpt“ rotierenden Phosphorkonverter
Um diese hohen Ausgangsleistungen optimal für die Weißlichterzeugung nutzen zu können, musste indessen auch das etablierte Konzept der Phosphorkonversion modifiziert werden. Die zentrale Herausforderung bestand dabei darin, den – im Vergleich zu Einzelemittern – weitaus höheren Energieeintrag des blauen Hochleistungsdiodenlasers möglichst effektiv auf eine größere Fläche zu verteilen und so die verfügbare Leistung maximal auszuschöpfen. Die im Niedrigleistungsbereich eingesetzten statischen Konverter waren hierfür nicht mehr geeignet. Als Lösung wurden von Materialherstellern neue Ausformungen des Phosphors für einen dynamischen Konverter entwickelt – das eingangs erwähnte Phosphor Wheel, dessen Scheibe im Konversionsprozess mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Der Laserspot von 15 bis 20 mm2 Größe bestrahlt dadurch jede Stelle des Phosphorrings immer nur sehr kurz, sodass ohne Überhitzung des Konverters eine hohe Laserleistung eingebracht und eine entsprechend hohe Lichtleistung generiert werden kann. Über dieses optimierte thermische Management hinaus profitiert der Prozess auch ganz wesentlich von den guten Fokussiereigenschaften des blauen Diodenlasers, der mit variablen Spotgrößen und bis zu 20 mm·mrad Strahlqualität exzellente Voraussetzungen für die präzise Adaption der Bestrahlung an den Phosphorkonverter mitbringt. Die optische Konversionseffizienz des Prozesses liegt bei 230 bis 300 Lumen je Watt Laserleistung, und erzielt in den Testläufen kontinuierlich Hochleistungs-Weißlicht mit einem Wellenlängenspektrum von 450 bis 750 nm und hoher Kontrastwirkung. Das generierte Weißlicht ist mit Hilfe von Kompaktoptiken gut fokussierbar, es kann gescannt und so beispielsweise auch für Spezialbelichtungen eingesetzt werden. Die Größe der Lichtquelle ist flexibel einstellbar, die Verwendung von Kollimationsoptiken sorgt für eine geringe Divergenz, und das emittierte Wellenlängenspektrum lässt sich je nach Anwendungsbedarf durch entsprechende Wahl des Phosphorkonverters modifizieren.
Durch die systematische Kombination des etablierten Phosphorkonversionsprozesses mit blauen Laserline Hochleistungsdiodenlasern ist so letztlich ein Verfahren entstanden, das bisher ungekannte Möglichkeiten zur Erzeugung von Hochleistungs-Weißlicht mit hohen Leuchtdichten von mehr als 1.000 cd/mm2 eröffnet. Die oben genannten Lichtströme von 150.000 Lumen im Dauer- und 270.000 Lumen im Kurzzeitbetrieb – ermittelt per 180°-Vollwinkelmessung – sind dabei nur Momentaufnahmen. In den bisherigen Testläufen wurde im Dauerbetrieb mit lediglich rund 630 Watt maximaler Laserausgangsleistung agiert, das aktuelle Leistungsspektrum der blauen Diodenlaser wurde somit nicht einmal zur Hälfte ausgeschöpft. Perspektivisch werden bei verbessertem thermischen Packaging, größeren Phosphorrädern und gepulster Laseranwendung mehr als 200.000 Lumen im Dauerbetrieb als realistisch angesehen.
In diesem Video stellt Dr. Simon Britten den neuen Ansatz zur Erzeugung von Hochleistungs-Weißlicht vor.
Erfahren Sie mehr über den blauen Diodenlaser!
