Laserschneiden von 2 mm dickem Edelstahlblech (1.4301) mit einem 4KW starken CO₂ Industrielaser. Der Schnitt erfolgt im Schmelzschneideverfahren mit Stickstoff als Hilfsgas. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt 9000 mm/min. (Bild: EGU-Metall)
Eine Gruppe von Forschern der Universität Kyoto, Japan, unter der Leitung von IEEE Mitglied Susumu Noda, hat in der vergangenen Woche in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, dass sie durch die Veränderung der Struktur von oberflächenemittierenden Lasern aus photonischen Kristallen (PCSELs) einen großen Schritt in Richtung der Überwindung der Helligkeitsgrenzen von Halbleiterlasern gemacht haben.
Ein photonischer Kristall besteht aus einer Halbleiterplatte, die mit regelmäßigen, luftgefüllten Löchern im Nanometerbereich durchbohrt ist. Photonische Kristalllaser sind attraktive Kandidaten für hochbrillante Laser, aber bisher ist es den Ingenieuren nicht gelungen, sie so zu skalieren, dass sie ausreichend helle Strahlen für das praktische Schneiden und Bearbeiten von Metall liefern.
Was ist "Brillanz" bei Lasern?
Die Brillanz ist ein Maß für die Ausgangsleistung und Strahlqualität eines Lasers und gibt an, wie gut ein Lichtstrahl fokussiert werden kann bzw. wie wenig er abgelenkt wird. Der Grenzwert für die Metallbearbeitung liegt bei etwa 1 Gigawatt pro Quadratzentimeter und Steradiant.
Slicing Stainless Steel With a PCSEL
Nodas Gruppe, die sich seit mehr als zwei Jahrzehnten mit PCSELs beschäftigt, hat einen Laser mit einem Durchmesser von 3 mm entwickelt, was gegenüber früheren PCSELs mit einem Durchmesser von 1 mm einen Flächensprung um den Faktor 10 bedeutet. Der neue Laser hat eine Ausgangsleistung von 50 Watt, eine ähnliche Steigerung wie die 5 – 10 Watt der 1 mm PCSELs. Die Brillanz des neuen Lasers ist mit etwa 1 GW/cm2/sr hoch genug für Anwendungen, die derzeit von sperrigen Gas- und Faserlasern dominiert werden, wie etwa die intelligente Präzisionsfertigung in der Elektronik- und Automobilindustrie. Sie ist auch hoch genug für exotischere Anwendungen wie Satellitenkommunikation und Antriebstechnik.
Die Vergrößerung von photonischen Kristalllasern und die Erhöhung ihrer Brillanz sind nicht unproblematisch. Insbesondere bei Halbleiterlasern treten Probleme auf, wenn die Emissionsfläche vergrößert wird. Eine größere Laserfläche bedeutet, dass das Licht nicht nur in Emissionsrichtung, sondern auch seitlich schwingen kann.
Diese seitlichen Schwingungen, so genannte Moden höherer Ordnung, können die Strahlqualität beeinträchtigen. Wenn der Laser ununterbrochen in Betrieb ist, verändert die Wärme im Inneren des Lasers den Brechungsindex des Geräts, was die Strahlqualität weiter verschlechtert. Nodas Gruppe verwendete photonische Kristalle, die in den Laser eingebettet waren, und nahm Anpassungen an einem internen Reflektor vor, um die Einmoden-Oszillation über einen größeren Bereich zu ermöglichen und die thermische Störung zu kompensieren. Dank dieser beiden Änderungen konnte der PCSEL auch im Dauerbetrieb eine hohe Strahlqualität aufrechterhalten.
In einem typischen photonischen Kristalllaser sorgen die Löcher, die einen anderen Brechungsindex als der umgebende Halbleiter haben, dafür, dass das Licht im Laser präzise abgelenkt wird. Nodas Gruppe hat das Lochmuster des Kristalls so gestaltet, dass das Licht durch eine Reihe von kreisförmigen und elliptischen Löchern abgelenkt wird, die um ein Viertel der Wellenlänge des Laserlichts versetzt sind. Diese Ablenkungen führen zu Verlusten in den Moden höherer Ordnung, so dass ein qualitativ hochwertiger Strahl mit geringer Divergenz entsteht.
Dieses Konzept funktionierte für den 1 mm-Laser ausreichend gut, aber die Vergrößerung auf 3 mm erforderte weitere Erfindungen. Um den Einmodenbetrieb über einen großen Bereich zu ermöglichen, wurde die Position des unteren Reflektors des Lasers so angepasst, dass die unerwünschten Moden in vertikaler Richtung stärker unterdrückt werden. Schließlich beschäftigte sich die Gruppe von Noda mit dem Problem, dass Wärme den Brechungsindex des Geräts verändert und den Strahl ablenkt. Die Lösung dieses Problems bestand darin, die Periode der Luftlöcher im photonischen Kristall leicht zu verändern, so dass sie sich an der richtigen Position befanden, um ihre Aufgabe zu erfüllen, wenn der Laser mit voller Leistung arbeitete.
Noda und seine Gruppe gründeten das Center of Excellence for Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers an der Universität Kyoto, wo mehr als 85 Unternehmen und Institute an der Entwicklung der PCSEL-Technologie beteiligt sind. Das Team ist dabei, sein PCSEL-Design für die Massenproduktion zu industrialisieren.
Als Teil dieses Prozesses hat das Team die Herstellung des photonischen Kristalls von der Elektronenstrahllithografie auf die Nanoimprint-Lithografie umgestellt. Die Elektronenstrahllithographie ist zwar präzise, aber für die Massenproduktion in der Regel zu langsam. Die Nanoimprint-Lithografie, bei der im Wesentlichen ein Muster in einen Halbleiter gestempelt wird, eignet sich für die schnelle Herstellung sehr regelmäßiger Muster.
Noda erklärt, dass die nächsten Schritte darin bestehen, den Durchmesser des Lasers von 3 auf 10 mm zu vergrößern, eine Größe, die eine Ausgangsleistung von 1 Kilowatt ermöglichen würde - obwohl dieses Ziel auch mit einem Array von 3 mm PCSELs erreicht werden könnte. Er geht davon aus, dass die gleiche Technologie, die zu den 3-mm-Geräten geführt hat, auch für die Vergrößerung auf 10 mm verwendet werden kann. "Das gleiche Design ist ausreichend", sagt Noda.