Was ist eigentlich ein Diodenlaser?

Diodenlaser in ihrer Anwendung – Teil 1: Die Grundlagen

So wirklich aktuell scheint sie nicht mehr, diese Frage. Was ist ein Diodenlaser – sollte das nicht längst klar sein? Immerhin ist diese Technologie nicht erst seit gestern auf dem Markt und in der Industrie fest verankert. Doch wie sagte einst der Komponist Robert Schumann? „Es ist des Lernens kein Ende.“ Im „Jahrhundert des Lichts“, in dem auch Diodenlaser eine Schlüsselrolle spielen, ist eine vertiefte Beschäftigung mit den Grundlagen und möglichen Anwendungsbereichen dieser Technologie deshalb auf jeden Fall angebracht. Ab heute wollen wir eben dies in einer kleinen Serie tun.

Was also ist ein Diodenlaser? Vielleicht gehen wir am besten erst mal einen Schritt zurück und fragen: Was ist überhaupt ein Laser? Die Antwort beginnt mit Albert Einstein, der 1917 das Prinzip der stimulierten Emission formulierte. Es besagt, dass ein angeregtes Elektron oder Molekül Energie in Lichtform abgeben kann. Ausgelöst wird diese stimulierte Emission, indem man einem idealerweise lichtverstärkenden Material (dem sogenannten laseraktiven Material bzw. Medium) Energie zuführt und es so auf ein höheres Energieniveau (einen energetisch angeregten Zustand) versetzt. Diese Energiezufuhr wird in der Lasertechnologie als Pumpen bezeichnet. Fallen die angeregten Elektronen oder Moleküle anschließend wieder in ihren Grundzustand zurück, wird die vorher aufgenommene Energie als Lichtstrahlung abgegeben. Das heute selbstverständlich verwendete Akronym LASER steht für genau dieses Phänomen: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (deutsch: Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung).

Doch welches Material ist eigentlich als laseraktives Medium geeignet? Das kann ein Gas oder Gasgemisch sein, ein Kristall oder auch eine Flüssigkeit. Dass man beispielsweise von Gas- oder Festkörperlasern spricht, hat mit genau diesen Materialoptionen und den daraus folgenden Spezifikationen eines Lasers zu tun. Und beim Diodenlaser? Hier ist das laseraktive Material ein Halbleiter – die Laserdiode. Sie wurde schon 1962 entwickelt und erzeugt das Laserlicht über Kristallplättchen, die aus einer Stromquelle mit stimulierender Energie versorgt werden, gepumpt wird also mit elektrischer Energie.

Der Diodenlaser ist also ein Halbleiterlaser und definiert damit einen ganz eigenen Lasertyp. Dass mit diesem Laser etwas Produktives anzufangen sei, wurde anfangs jedoch ebenso bezweifelt wie bei allen übrigen Lasern. Selbst der US-amerikanische Physiker Theodore Maiman, der 1960 den ersten funktionsfähigen Laser – einen Rubin-, also Festkörperlaser – konstruiert hatte, traute seiner Erfindung zunächst nicht viel zu und nannte sie „eine Lösung, die ihr Problem sucht“. Die Laserdiode wurde nicht besser bewertet. Erst nachdem die Lasertechnik 1969 erstmals industriell eingesetzt wurde, nämlich zum Verschweißen von Uhrenfedern, zeichnete sich ein Umdenken ab. Tatsächlich konnten Laserdioden in den Folgejahrzehnten in der Bühnentechnik und der Unterhaltungselektronik wichtige Anwendungsfelder erobern.

Der Einsatz in der industriellen Materialbearbeitung wurde indessen erst durch einen Wandel der Laserbauart möglich, nämlich die Entwicklung des Diodenbarrens. Hierbei handelt es sich um eine Wärmesenke, auf der viele Laserdioden nebeneinander montiert sind, sodass ein Diodenlaser mit hunderten einzelnen Laseremittern arbeitet. Dieser Ansatz wurde im Zuge der technologischen Entwicklung noch ausgeweitet. Hochleistungsdiodenlaser, wie sie Laserline herstellt und vertreibt, sind aus übereinandergestapelten Diodenbarren aufgebaut, den sogenannten Stacks. In einem Laser sind dann je nach angestrebter Ausgangsleistung mehrere solcher Stacks enthalten. Das emittierte Licht aller Laserdioden in den Barren und Stacks wird optisch kombiniert und die Laserleistung so zu einem Hochleistungssystem addiert. In den Anfängen der industriellen Diodenlasertechnik war man dabei schon auf 1 kW stolz. Heute werden Laserline Diodenlaser standardmäßig in Leistungsbereichen zwischen 500 W und 25 kW angeboten, bei speziellen Konfigurationen werden in Tests sogar bis zu 60 kW erreicht. Selbst 100 kW sind mit der aktuellen Bauweise möglich.

Diodenlaser überzeugen aber nicht nur durch hohe Ausgangsleistung, sondern sind auch aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz beliebt. Mit einem Steckdosenwirkungsgrad von rund 50 Prozent erreichen sie den besten Wirkungsgrad aller heutigen Lasertypen. Und obwohl beim Diodenlaser die Strahlung hunderter Einzelemitter kombiniert werden muss, erreicht die Technologie auch bei der Fokussierung sehr gute Werte. Laserline Diodenlaser punkten mit hoher Brillanz; sie verbinden ihre hohe Ausgangsleistung also mit einer hohen Strahlqualität, d.h. einer exzellenten Fokussierbarkeit. Beim Strahlparameterprodukt – einer physikalischen Kenngröße, die über die Fokussierbarkeit von Laserstrahlen Auskunft gibt – erreichen sie hervorragende Werte von bis zu 4 mm·mrad.* Möglich machen dies spezielle, von Laserline entwickelte Konzepte im Laser. Zusammen mit hochwertigen Bearbeitungsoptiken, mit deren Hilfe der Laserstrahl auch gezielt geformt werden kann, erhält man ein variables Werkzeug, denn der Laserstrahl trifft dann nicht nur in klassisch-runder, sondern wahlweise auch in linienförmiger, rechteckiger oder quadratischer Form auf das Werkstück.

Mit ihrer hohen Ausgangsleistung, ihrer Brillanz und ihrer herausragenden Energieeffizienz sind Diodenlaser für eine Fülle von Anwendungen geeignet. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Fügen, Wärmebehandeln oder Beschichten von Metallen. Aber auch Kunststoffe oder Druckerzeugnisse werden mit Hilfe von Diodenlasern bearbeitet. Details gefällig? Dann schauen Sie doch im nächsten Teil unserer Serie rein, wenn wir auf Anwendungen und Branchen zu sprechen kommen. Und wenn Sie es gar nicht erwarten können, stöbern Sie doch einfach schon mal auf unserer Homepage. Auf unseren Anwendungsseiten finden Sie zahlreiche Beispiele aus der Praxis.

*Beim Strahlparameterprodukt werden der engste Querschnitt (Strahltaille; in Millimeter/mm) und der halbe Öffnungswinkel (Strahlaufweitung; in Milliradiant/mrad) des Laserstrahls miteinander multipliziert. Je geringer das Produkt, desto höher die Fokussierbarkeit und damit die Strahlqualität.