Der Laser in der Tasche ersetzt morgen das Schweizermesser. Bislang waren sie in CD-Spieler und Supermarktkassen verbannt. Jetzt haben die kleinen Diodenlaser in punkto Leistung einen gewaltigen Sprung nach vorn getan – zu Werkzeugen, die sogar Metallbleche schweißen. Am Horizont: der Laser im Taschenformat als Werkzeug für jedermann.
Der verwöhnte James Bond wäre mit dem Design nicht zufrieden: ein etwa schuhkartongroßes Metallgehäuse in schlichtem Grau. So sieht der brandneue Super-Laser aus, den die Ingenieure im Versuchslabor der Mainzer Dilas GmbH an einen Roboterarm montiert haben.
Doch so wenig spektakulär das Gerät auch wirkt – sein Inhalt markiert einen technischen Meilenstein. Mehrere tausend kaum sandkorngroße Miniatur-Laserdioden – sie bestehen aus Halbleitermaterialien – sind zu einem Kraftpaket kombiniert, ihr Licht ist zu einem einzigen Strahl gebündelt.
Um das Potential dieser Neuheit zu zeigen, braucht Marcel Marchiano, Geschäftsführer der kleinen High-Tech-Firma, nur auf den roten “On”-Knopf zu drücken. Aus dem Gehäuse schießt ein Laserstrahl mit zwei Kilowatt Leistung und verschweißt innerhalb von Minuten zwei dünne Stahlbleche. “Das hätte vor wenigen Jahren noch niemand für möglich gehalten”, freut sich Marchiano: Halbleiterlaser galten bislang als viel zu leistungsschwach für solch einen Kraftakt. Bis Ende 1998 wollen die Mainzer ihr Gerät auf drei Kilowatt aufgestockt haben. Die Firma Spectra Diode Labs (SDL) aus San José will sogar einen Sechs-Kilowatt-Diodenlaser realisieren.
Das scheint zunächst wenig, wenn man sich vor Augen hält, was Laser anderen Typs heute bereits leisten: Festkörperlaser – etwa der Neodym-YAG-Laser – haben die Sechs-Kilowatt-Marke längst hinter sich gelassen und schweißen beispielsweise Autokarosserien. Gaslaser – etwa der Kohlendioxidlaser, das Arbeitspferd der Lasertechnik mit 35 Kilowatt Leistung – schneiden daumendicke Stahlbleche.
Doch was die Diodenlaser trotzdem zur zukunftsträchtigen Innovation werden läßt, ist: Sie sind klein, leicht und sparsam im Energieverbrauch. Dr. Peter Loosen, Vizedirektor des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT), moniert: “Konventionelle Laser sind im Vergleich zu Diodenlasern regelrechte Dinosaurier an Größe – und zudem die reinsten Energiefresser.” Das hat mit dem Wirkungsgrad zu tun. Konventionelle Festkörperlaser setzen nur rund drei Prozent der zugeführten elektrischen Energie tatsächlich in Licht um, der Rest ist Verlustwärme und muß abgeführt werden. “Mit dem Kühlsystem eines Zwei-Kilowatt-Festkörperlasers könnte man einen Swimmingpool heizen”, witzelt Dr. Andreas Tünnermann vom Laser Zentrum Hannover.
Diodenlaser dagegen bringen es auf 30 bis 40 Prozent Wirkungsgrad. Der Kühler paßt unter jeden Schreibtisch. Hochspannungsanlagen am Arbeitsplatz werden überflüssig: Im Gegensatz zu den “Dinosauriern” kann der Diodenlaser mit Strom aus der 230-Volt-Steckdose betrieben werden – für mobile Anwendungen auch mit Batterien.
Fraunhofer-Forscher Loosen ist daher um eine Prognose nicht verlegen: “Wegen ihrer Vorteile werden Diodenlaser in den nächsten Jahren den Lasermarkt revolutionieren”, so seine Überzeugung.
Die Basistechnologie ist nicht neu. In CD-Spielern tasten Diodenlaser mit einer Leistung von bescheidenen 10 Milliwatt die Vertiefungen der silbrigen Scheibe ab. Sie finden sich ebenfalls in Laserdruckern und in Scannerkassen im Supermarkt. Auch bei jedem Telefonat über Glasfaserkabel übernehmen Diodenlaser mit bis zu einem Watt Leistung die Einkopplung und Verstärkung der optischen Signale. Doch der Durchbruch zu kraftvollen Hochleistungs-Diodenlasern ist erst jetzt gelungen.
Neben den USA steht Deutschland dabei an der Weltspitze. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms “Laser 2000” investierte das Bundesforschungsministerium in den vergangenen drei Jahren 52,5 Millionen Mark an Fördergeld. Mehr als 20 Forschungsinstitute und Firmen waren involviert. “Verfahren der Halbleiterherstellung, der Mikrosystemtechnik, Mikooptik und Feinmechanik mußten optimiert und aufeinander abgestimmt werden”, erläutert Dr. Roland Diehl vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg, Sprecher des Projekts.
Weltweit sind bislang nur rund ein halbes Dutzend Firmen in der Lage, solche Laser zu produzieren: in Europa neben der Dilas GmbH die Jenoptik Laserdiode GmbH in Jena und die Fisba Optik in St. Gallen, in den USA neben SDL die Firmen Opto Power und Coherent.
Ausgangspunkt bei der Herstellung sind zehn Millimeter lange, streifenförmige Halbleiterchips (“Barren”) – 0,1 Millimeter hoch und 0,6 Millimeter breit. Sie enthalten rund 500 Laserdioden. Ein Laserbarren kann rund 30 bis 50 Watt an kontinuierlichem Laserlicht aussenden. “Vor fünf Jahren war höchstens ein Zehntel dieser Leistung möglich”, erinnert sich Roland Diehl.
Unter dem Mikroskop werden die Laserbarren auf etwa büroklammergroße Kühlkörper aus Kupfer gelötet. Anschließend plaziert man eine haarfeine Mikrolinse vor den Laserbarren. Um mehr Leistung zu erhalten, werden bis zu 20 Barren aufeinandergestapelt. Bei dem Zwei-Kilowatt-Laser der Firma Dilas hat der Stapel die Größe einer Zigarettenschachtel. Weitere Optiken fokussieren das Licht.
So einfach dieses Prinzip klingt – bis zur Realisierung mußten etliche Hürden überwunden werden: Bis zu 60 Schichten von unterschiedlichen Halbleitermaterialien müssen bei der Produktion aufgetragen werden, einige mit einer Genauigkeit von wenigen Atomlagen. Zum Vergleich: Leuchtdioden bestehen nur aus rund fünf Schichten. “Eine so komplexe Prozeßkette meistern nur wenige Firmen”, weiß Diehl. In Europa sind es Siemens und Thomson, in Japan Sony und Toshiba, in den USA die Laserproduzenten SDL, Opto Power und Coherent. Ein Laserbarren entwickelt in einem nur stecknadelkopfgroßen Volumen 100 bis 125 Watt Wärme – rund tausendmal mehr als eine Herdplatte. “Ohne sehr leistungsfähige Kühlung würden die Dioden innerhalb von Millisekunden verdampfen”, betont Marcel Marchiano. Die Kühlkörper sind daher von einem komplizierten System aus wasserdurchflossenen Mini-Kanälen durchzogen – eine harte Nuß für Fertigungsingenieure. Ähnlich diffizil ist der Bau der Mikrooptiken, mit denen der Laserstrahl gebündelt und fokussiert wird. Hier liegt eine Schwachstelle der Diodenlaser: Je höher ihre Leistung, desto mehr verzerrt sich zwangsläufig der Strahlquerschnitt – bei einem Zwei-Kilowatt-System aus 20 aufeinandergetürmten Barren liegen das unterste und das oberste Diodenelement immerhin vier Zentimeter auseinander.
Die Folge: Trotz bester Optiken ist der Strahlquerschnitt bei Hochleistungs- Diodenlasern nicht kreisrund, sondern ein schmales, rund drei Millimeter langes Rechteck. Das geht zu Lasten der Intensität: Das Licht-Rechteck weist zuwenig Leistungsdichte auf, um tiefe Schweißnähte in Stahl zu schmoren oder dicke Bleche zu zerschneiden.
“Doch bei vielen Anwendungen ist das auch gar nicht erforderlich”, betont Peter Loosen. Beispielsweise beim Kunststoffschweißen: Bislang werden die Bauteile mit Ultraschall großflächig erhitzt, was den Nebeneffekt haben kann, daß sie sich als Ganzes verformen. “Diodenlaser hingegen verschmelzen den Kunststoff punktgenau nur an den Fugen, und die Schweißnaht ist um rund 50 Prozent belastbarer”, lobt Loosen.
Besonders in der Automobilbranche sehen die Aachener ein großes Einsatzpotential. Bei der Herstellung eines elektronischen Autoschlüssels für den Stuttgarter Daimler-Benz-Konzern werden Diodenlaser inzwischen in der Serienproduktion eingesetzt. Ein 40-Watt-Laser verschweißt innerhalb von Sekunden die beiden Hälften des Kunststoffgehäuses wasserdicht miteinander, während die empfindliche Elektronik für die Wegfahrsperre im Inneren des Gehäuses unversehrt bleibt. “Mit herkömmlichen Verfahren wäre das nicht möglich”, bestätigt Bernd Friedrich von der Rietheimer Produktionsfirma Marquardt.
Auch Mediziner haben an den kompakten Lasern Gefallen gefunden. So entwickelt das Laser Zentrum Hannover ein etwa handygroßes Gerät, mit dem der Notarzt schon am Unfallort Hirnblutungen diagnostizieren kann. Seit zwei Jahren behandeln Mediziner der Universitäts-Augenklinik Tübingen im Rahmen von Studien bestimmte Formen des grünen Stars mit einem kleinen, zwei Watt starken Diodenlaser.
Noch stehen einem breiteren Einsatz auch die Kosten im Wege: Licht aus Diodenlasern kostet derzeit rund 80 Mark pro Watt Ausgangsleistung. Das ist etwa das Preisniveau von Festkörperlasern. Doch werden die nach den Methoden der Chip-Industrie hergestellten Diodenlaser ein-mal in großen Stückzahlen produziert, läßt sich eine ähnliche Preisentwicklung wie in der Mikroelektronik voraussagen.
In der Tat zeichnen sich Anwendungen ab, die das Potential zum Massenmarkt haben. “In spätestens fünf Jahren wollen wir den Handwerkermarkt erobern”, verkündet Dilas-Manager Marchiano. Elektriker und Installateure sollen dann mit kleinen Diodenlasern – Schutzvorrichtungen für die Augen vorausgesetzt – Elektrokabel verlöten oder Wasserrohre schweißen. Von dort aus wäre es nur noch ein kleiner Sprung zum Laserwerkzeug im Westentaschenformat.
“Der Diodenlaser wird zum Alltagsprodukt”, ist auch Roland Diehl überzeugt. Ideen hat er bereits in der Schublade. Die eine, die er sich entlocken läßt, zielt auf einen Diodenlaser als Büchsenöffner – scharfe, verletzungsträchtige Metallkanten wären von da an passé.
Laserlicht aus dem Sandkorn
Alles, was ein Laser braucht, ist in einem Diodenlaser auf engstem Raum realisiert, nur den Bruchteil eines Kubikmillimeters groß. Wird an den Diodenkristall ein elektrisches Feld angelegt, wandern Elektronen von der elektronenreichen n-Schicht in die elektronenarme p-Schicht. In der laseraktiven Zone, die nur wenige Atomlagen dick ist, entstehen dabei Photonen. Zwei Halbleiterschichten, an denen die Photonen reflektiert werden, bilden den Resonator: eine schmale Zone, in der jedes neu entstandene Photon dazu gezwungen wird, mit bereits vorhandenen Photonen “in Phase” – quasi im Gleichtakt – zwischen den beiden verspiegelten Endflächen der Diode hin- und herzulaufen. Erst wenn genügend Photonen beisammen sind, ist ihre gemeinsame Energie groß genug, um als Laserstrahl durch den vorderen, halbdurchlässigen Spiegel der Diode auszutreten.
Infos im Internet
Ein interessantes Lasertechnik-Lexikon bietet das “Photonics Dictionary”: http://www.laurin.com/DataCenter/Dictionary/CD/wrdlstd.htm
Martin Pollack
