20. NOVEMBER 2018

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Was wollt Ihr mit dieser besseren Taschenlampe?


Diodenlaser

»Diodenlaser? Was wollt Ihr mit dieser besseren Taschenlampe? Schweißen? Hartlöten? Härten?« – Diese Frage wurde nach der Gründung von Laserline den Unternehmern Dr. Christoph Ullmann und Volker Krause des Öfteren gestellt. Heute, 17 Jahre später, erreichen Diodenlaser 20000 W und mehr Laserleistung und sind aus dem Schweißbereich nicht mehr wegzudenken.
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Diodenlaser mit vier und sogar fünfstelligen Wattleistungen sind die Domäne der Laserline GmbH aus Mülheim-Kärlich bei Koblenz. Moooment! Mülheim-Kärlich? Da war doch was! Genau! Das Kernkraftwerk, das nach 100 Tagen Regelbetrieb aus formalen Gründen wieder vom Netz genommen werden musste und derzeit auf den viele Hundert Millionen Euro teuren Abriss wartet. Nun ja! Der Standort hat sich ohne Frage verändert. Daher kehren wir lieber wieder zum Thema Diodenlaser zurück!

Laserdioden, Diodenlaser, diodengepumpte Laser – wer nicht damit arbeitet, kann schnell durcheinanderkommen. Klären wir also auf: Mit Laserdioden hat schon fast jeder Mensch zu tun gehabt, in CD-Spielern, in Pointern, in Messgeräten … Eine Laserdiode (Größenordnung 1 mm² mal 0,1 mm Dicke) besteht aus einer monochromen Lichtquelle und einem Resonator.

Laserdioden ist eines gemeinsam: Ihre Leistung reicht von einigen Dutzend bis wenigen Tausend Milliwatt, viel zu wenig, um Blech auch nur zu kitzeln, geschweige denn zu schneiden oder zu schweißen. Nun haben Laserdioden den Vorteil, sehr klein zu sein. Es bietet sich also an, viele Dioden zu einer Baugruppe zusammenzufassen und auch diese Baugruppen zu einem größeren Aggregat, einem Diodenlaser.


»Wir bieten derzeit Laserquellen bis 25 kW und demnächst sogar mit 40 kW für die Materialbearbeitung an«, erklärt Laserline-Geschäftsführer Dr. Christoph Ullmann. Ein bisschen viel für eine Taschenlampe. Bei Laserline kennt man sich aus in der Physik und insbesondere in der Laserphysik. Das Unternehmen wurde 1997 gegründet von Dr. Christoph Ullmann, der am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) studierte, und Volker Krause, der im Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen tätig war.

Aus dem Zweimannbetrieb wurde in den folgenden 17 Jahren ein Unternehmen mit fast 200 Mitarbeitern. Das entspricht einem Durchschnittswachstum von etwa 30 Prozent pro Jahr – nicht zuletzt auch eine organisatorische Herausforderung. Noch größer war das Wachstum in Sachen Laserleistung und Strahlqualität. Dr. Ullmann: »Seit 1999 hat sich etwa alle zwei Jahre die Strahlqualität oder die Maximalleistung bei gleichem Faserdurchmesser verdoppelt. Wir blicken also auf eine ähnlich rasante Entwicklung zurück wie die Chip-Entwickler.«

Die Macht der Masse

›Chip‹ ist ein gutes Stichwort für die weitere Beschreibung des Weges von der Multimilliwatt-Laserdiode zum Multikilowatt-Diodenlaser: Zunächst werden mehrere Dioden zu einem ›Barren‹ zusammengefasst. Diese Barren können ›gestapelt‹ und die emittierten Laserstrahlen optisch gekoppelt und in eine Lichtleitfaser von typisch 0,6 mm Durchmesser gebündelt werden.

Nicht nur auf der Emissionsseite eine nicht triviale Herausforderung, wie Dr. Ullmann veranschaulicht: »Diodenlaser haben zwar einen hohen Wirkungsgrad – ein 200-W-Diodenlaser gibt tatsächlich 200 W Licht ab, während es bei einer 200-W-Glühlampe nur 10 W wären –, aber dennoch müssen bei dieser Laserleistung 100 W Wärme abgeführt werden von einer Fläche unter 0,5 cm².

Vergleichen Sie das mal mit einer kleinen Herdplatte mit 16 cm Durchmesser: Die schafft 1600 W auf 200 cm² Fläche, also maximal 8 W/cm²! Nun können Sie sich ein Bild machen, welche Leistung unsere wassergeführten Kühlelemente wegschaffen müssen.« Kein Wunder, dass die Kühleinrichtungen weit mehr Platz beanspruchen als die Laserdioden selbst.

Kombiniert man wiederum mehrere Stapel, so hat man Laserquellen von mehreren Kilowatt – und die nächste Herausforderung. Hören wir wieder Dr. Ullmann: »Wir erhalten auf diese Weise ein Strahlenbündel mit einem Querschnitt von beispielsweise 10 mal 40 mm. Nun stellt sich die Frage: Wie bekomme ich dieses Strahlenbündel in eine Faser mit 0,6 mm Durchmesser? Dazu haben wir einen Strahlformer entwickelt, der dieses Laserbündel entsprechend verarbeitet.«

Von der Faser geht es über die Optik auf das Bauteil, sei es mehr oder weniger stark gebündelt zum Schweißen oder flächig zum schnellen, definierten Erwärmen. Die hohe Effizienz der Dioden selbst und die vergleichsweise einfache Aufbereitung führen zu einem Wirkungsgrad, der deutlich über dem diodengepumpter Festkörperlaser liegt.

An dieser Stelle die dritte Begriffsklärung: Bei den diodengepumpten Lasern wird die herkömmliche Lichtquelle, eine Lampe, durch eine Diode ersetzt, die den externen Resonator versorgt – eine verlustbehaftete Umwandlung, die die Laserdiode nicht nötig hat. »Unsere Diodenlaser erreichen Effizienzen über 45 Prozent, gemessen von der Steckdose bis zum Bauteil«, beziffert Dr. Ullmann. »Das ist unerreicht und ein wesentlicher Grund für die hohe Akzeptanz des Diodenlasers in der Industrie.«

Dazu kommt, dass Diodenlaser deutlich kompakter – dadurch auch robuster – und kostengünstiger sind als andere Laser. Wie aber sieht es mit der Strahlqualität aus? Schließlich kann es nicht so einfach sein, eine ganze Herde einzelner Laserstrahlen zu zähmen. »Wir können heute Systeme bauen, die die Stahlqualität lampengepumpter Festkörperlaser erreichen. Wir können zum Beispiel im Schweißbereich alle Leistungen anbieten, für die sich Laser überhaupt eignen, auch schwierige Fälle wie Edelstahl, verzinkte Bleche und Aluminium.

Wir können aber auch leistungsfähigere Systeme anbieten, etwa zum Beschichten oder Härten. Grundsätzlich sind der Leistung des Diodenlasers keine Grenzen gesetzt. Zwei in der Praxis limitierende Faktoren habe ich schon angesprochen: die Kühlung und die Einkopplung in die Faser. Und natürlich brauchen wir die geeigneten Anwendungen für unsere Lösungen.«


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