Was ist ein Diodenlaser? - Laserdiode einfach erklärt

Diodenlaser

Kernstück unserer Lasercutter-Technologie: Der Diodenlaser

Laserdiode

Unser Mr Beam Lasercutter ist nutzerfreundlich konstruiert. Dazu gehört, dass das Kernstück jeder Maschine kostengünstig und leicht auszutauschen ist. Die von uns verwendeten Halbleiterlaser zeichnen sich zudem durch eine niedrige Einbauhöhe und einen guten Wirkungsgrad aus. Das bedeutet, dass ein Großteil der Wärmeenergie tatsächlich in die Schneide- und Gravierarbeit übergeht und das Bauteil nicht übermäßig aufwärmt. Dennoch ist jede Laserdiode mit einem Kühlkörper ausgestattet. Der Kühlkörper besteht aus mehreren Komponenten. Der Kupferblock des Kühlkörpers darf z.B. nie entfernt werden. Einmal ausgebaut, lässt er sich ohne professionelle Hilfe nicht mehr montieren! In unserer Wissensdatenbank erklären wir ganz genau, was bei der Laserkopf-Reinigung alles beachtet werden muss.

Was ist ein Laser?

Ein Laser ist eine Apparatur, um elektromagnetische Wellen mit gleicher Frequenz, gleicher Richtung, gleicher Phase und gleicher Polarisation zu erzeugen. Elektromagnetische Wellenstrahlung, zu der auch sichtbares Licht gehört, liegt normalerweise nur gestreut vor. Man kann sie zwar mit einer Linse bündeln. Hinter dem Brennpunkt laufen die Strahlen aber wieder auseinander. Um Licht dauerhaft in einem einzelnen Strahl zusammenzufassen und der Ausnutzung des Laser-Effekts (Light Amplification due to Stimulated Emission of Radiation), ist ein hoher technischer Aufwand nötig. Die Idee zum Laserstrahl hatte niemand Geringeres als Albert Einstein. Basierend auf seinen Erkenntnissen wurden in den 1930er-Jahren erste Versuche zur Erzeugung von Laserstrahlen unternommen. Am Grunddesign leistungsstarker Laser hat sich seither wenig verändert. Sie bestehen aus einem transparenten, zylinderförmigen Einkristall, z. B. Rubin.

Dieser ist an den beiden Seiten verspiegelt. Um den Kristall herum ist eine spiralförmige Blitzlampe angebracht. Leuchtet diese auf, erzeugt sie im Rubin eine stehende Lichtwelle. Die Photonen in dieser stehenden Lichtwelle stimulieren die Emission weiterer Photonen aus angeregten Elektronen. Je mehr Photonen zwischen den Spiegeln mit Lichtgeschwindigkeit hin und her rauschen, desto mehr verbreiten sich die Photonen im Resonator und die Lichtwelle verstärkt sich selbst. Diese tritt an einer Seite aus und wird noch einmal durch eine Linse leicht fokussiert. Einer der beiden Spiegel ist nicht vollständig verspiegelt und lässt daher einen kleinen Anteil durch. Dahinter setzt sich der Laserstrahl praktisch unendlich weit in einer exakt gerade Linie immer weiter fort. Ein typischer CO2-Laser ist in der Bauweise meistens sehr groß und hat daneben noch weitere Nachteile. Der Leistungsverlust über die Zeit, die Wasserkühlung und die geringere Genauigkeit des Lasers im Vergleich zu anderen Modellen, machen diesen Laser etwas unattraktiv. Deshalb wurde der Diodenlaser erfunden. Wie genau ein Laser funktioniert, haben wir ausführlich in diesem Blogartikel schon ein mal erklärt.

Was ist ein Diodenlaser?

Eine Laserdiode ist eng mit den LEDs, den Licht aussendenden Dioden (Light emitting Diodes) verwandt. Der wesentliche Unterschied ist, dass ein Diodenlaser auf die Emission von kurzwelligem Laserlicht ausgelegt ist. Da Dioden immer auch Halbleiter sind, werden diese Lasertypen auch "Halbleiterlaser" genannt.

Von der Leistung her war eine Laserdiode lange Zeit auch schwächer als die großen Laborlaser. Sie waren nur als Pointer oder Lesekopf für CD-Spieler verwendbar. Das hat sich inzwischen geändert. Eine hochenergetische Laserdiode, wie wir sie verwenden, ist durchaus in der Lage, Material zu schneiden und zu gravieren.

Aufbau der Laserdiode

Ein Halbleiterlaser besteht ähnlich wie eine LED aus einem Kristallkörper und einer Stromquelle. Ein Ende ist voll verspiegelt, das andere nicht ganz voll verspiegelt. So entsteht der gewünschte optische Resonator. Innerhalb der Spiegelflächen bildet sich bei Stromzufuhr die stehende Lichtwelle. Halbleiterlaser von heute erzeugen einen gleichmäßigen, kontinuierlichen Strahl. Für manche Anwendungen wird teilweise auch ein gepulster Laser benötigt. - bei einem Pulslaser wird kein kontinuierlicher Strahl erzeugt.

Die stehende Lichtwelle entsteht durch den optischen Resonator zwischen den Spiegeln. Bei Laserdioden wird die Energiezufuhr elektrisch geregelt. Der Strom wird dabei begrenzt, damit die Laserdiode sich aufgrund des geringen Innenwiderstands nicht sofort selbst zerstört. Eine Möglichkeit wäre es, den Strom schnell an- und auszuschalten. Beim Mr Beam Lasercutter ist das nicht notwendig. Der Strom wird durch einen Lasertreiber, eine elektronische Platine, geregelt. Diese haben wir bei Mr Beam selbst entwickelt.

Der Laserstrahl selbst verlässt das Bauelement an seiner Vorderkante. Man nennt LED und Laserdioden deshalb auch "Kantenemitter". Die Aussendung des Lichts geschieht quer zum Verlauf des elektrischen Stroms im Bauelement selbst. Der Wirkungsgrad bei einer besonders leistungsstarken Laserdiode liegt zwischen 25 - 50 %. Der Mr Beam liegt bei ca. 30 %. Ein CO2-Laser hat im Vergleich einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad. Der Rest wird als Wärme erzeugt. Ein Diodenlaser benötigt deshalb stets eine angepasste Kühlung. Im mittleren Leistungsbereich genügt dazu ein Kühlkörper aus Aluminium, der mit Wärmeleitpaste auf der Laserdiode befestigt wird. Bei einem stärkeren Diodenlaser mit mehr als tausend Watt ist hingegen eine aktive Kühlung mit Luft und Heatpipes, Wasser, Glykol oder sogar flüssigem Stickstoff erforderlich. Eine gute Kühlung verlängert immer die Lebensdauer der Laserdiode.

Für den Aufbau der Laserdiode, wie er in unseren Geräten eingesetzt wird, ergibt sich dadurch eine konstruktive Herausforderung. Zum einen muss die Laserdiode stark genug sein, um das Material für Schnitt oder Gravur zu verbrennen, schmelzen oder zu verdampfen. Zum anderen muss der Emitter klein genug sein, damit der Schnitt nicht zu breit wird. Je kleiner der Emitter, desto schwieriger ist es, die Hitze von der Laserdiode wegzuführen. Eine sperrige Kühlung mit Heatpipes ist dazu unvorteilhaft. Wir haben viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit investiert, um diese Herausforderung optimal zu lösen. Dennoch wirken sich die hohen Temperaturen an einer Laserdiode auf Dauer zerstörerisch auf das Bauteil aus. Das lässt sich auch mit den besten Materialien und dem ausgeklügeltesten Design nicht vermeiden. Mit einer Lebensdauer von 10.000 Stunden haben wir aber einen Wert erreicht, mit dem unsere Lasercutter bei einem 8 Stunden Betrieb pro Tag für einen Zeitraum von 3,4 Jahren beste Ergebnisse liefern können. Ab 10.000 Laserstunden ist die Leistung unseres Laserkopfs bei 80 % im Vergleich zu einem neuwertigen Mr Beam Laserkopfes.

Typenvielfalt der Diodenlaser

Der Aufbau der Laserdiode legt fest, in welchem Wellenbereich das Bauteil arbeitet. Dabei kommt es vor allem auf den Kristallkern an. Je nachdem, welches Material dort eingebaut ist, bekommt der Diodenlaser andere Eigenschaften und Leistungsdaten. Die Farbe des Laserlichts ist mittlerweile sehr vielfältig. Die gängigsten Farben sind rot, blau oder weiß. Es gibt aber auch violett (405 nm), türkis (462 nm), grün 532 nm) und im nahen Infrarot-Bereich zwischen 808 und 1560 nm.

 

  • Rote Diodenlaser sind einfach und kostengünstig in der Herstellung. Es gibt sie in unterschiedlichen Wellenbereichen. Sie werden hauptsächlich für Laserpointer, Laserscanner oder als Leseköpfe für CD-Spieler eingesetzt.
  • Die blaue Laserdiode erzeugt Laserlicht in einer Wellenlänge von 445 bis 455 Nanometer. Als Material wird für den Halbleiter Indium-Gallium-Nitrid verwendet. Die Laserdiode wird beispielsweise in DLP Beamern oder in Frontlichtern von Autos eingesetzt. Außerdem arbeiten unsere Gravur- und Schneidlaser genau in diesem Lichtspektrum.

  • Die violette Laserdiode wird z.B. für Blu-Ray und HD-DVD Laufwerken verwendet
  • Weißer Laser ist sehr hochenergetisch herstellbar. Sie finden in Gasspektrometern Verwendung.

Umgang mit einem Lasercutter

Laserdiode Sicherheit

Beim Umgang mit Lasern ab Laserklasse 3 ist in Forschung und Industrie das Tragen spezieller Schutzbrillen vorgeschrieben, da Lidschlussreflex nicht mehr ausreichend schützt. Bei einer Strahlung von mehr als 5 mW, die dem Auge zugänglich ist, ist es daher zwingend notwendig. Beim direkten Blick in die Sonne ist es im Vergleich 1 mW.  Die Schutzbrillen absorbieren und / oder reflektieren das einfallende Laserlicht so stark, dass es deinen Augen nicht mehr schaden kann. Beim Reflektieren kann das Licht gegebenenfalls noch den Augen eines Dritten schaden. Darauf kannst du aber beim Betrieb unserer Lasercutter verzichten. Wir haben unsere Geräte so gestaltet, dass in jeder Betriebssituation sichergestellt ist, dass kein Laserlicht das Gehäuse verlässt. Unser Mr Beam Lasercutter funktioniert nämlich nur, wenn die orange Schutzklappe des Gerätes geschlossen ist. Wenn du während des Schneide- oder Gravurbetriebs die Klappe öffnest, stoppt das Gerät sofort und schaltet die Stromzufuhr am Laserkopf ab und damit die blaue Laserdiode aus. Das ist einer von vielen Gründen, wieso unsere Lasermaschine der Laserklasse 1 angehört. - damit ist übrigens auch kein Laserschutzbeauftragter notwendig! - wie beim Betrieb eines DVD-Brenners auch.

 

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Mit dem Mr Beam kannst du viele verschiedene Laser Anwendungen vollziehen. Egal ob Steine gravieren, Filz schneiden oder Holz lasern. - Die Möglichkeiten sind wirklich vielfältig. Durch die userfreundliche Bedienung und den Sicherheitsvorkehrungen ist die Nutzung des Mr Beams für viele Branchen und Bereiche, sehr interessant. Du kannst unseren Mr Beam Lasercutter z.B. optimal in Schulen, auf Messen oder ganz einfach im Büro nutzen. - dank Laserklasse 1.

 Mr Beam Lasercutter

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