Print deze pagina
PrintversieHet licht van een diode laser kan niet alleen gebruikt worden om energie te pompen in een Nd:YAG kristal (zie Nd:YAG laser), maar kan ook direct gebruikt worden om materiaal te bewerken.
In dit kristal is een laag gedoteerd met positief geladen GaAs ionen (zie onderstaande figuur, die gaten of p-ladingsdragers worden genoemd. Daarnaast is er een laag die gedoteerd is met GaAs moleculen met extra elektronen, die n-ladingsdragers worden genoemd. Ten gevolge van een aangebrachte electrische spanning over het kristal, 'reizen' de p-ladingsdragers en de n-ladingsdragers (electronen) naar de pn-overgang (circa 1 mm dik), waar ze recombineren tot een ongeladen GaAs-molecuul. Deze recombinatie gaat gepaard met het uitzenden van energie in de vorm van fotonen (laserstraling). Deze pn-overgang vormt, wanneer deze aan de voor en achterzijde wordt voorzien van spiegelende lagen, de laser-resonator.
Een uitvoeringsvorm van de pn-overgang van een diodelaser.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
De golflengte van het laserlicht hangt onder andere af van de concentratie van eventuele toevoegingen, bijvoorbeeld aluminium (780 tot 880 nm), indium (880 tot 1100 nm) en fosfor (630 tot 690 nm). De aluminium toevoeging wordt het meest toegepast voor hoogvermogen diode lasers. Veel toegepaste golflengtes zijn 808 en 940 nm.
De pn-overgang straalt een laservermogen uit van enkele milliwatts. Om de vereiste hoge vermogens (> 1kW) te verkrijgen, wordt een groot aantal pn-overgangen naast elkaar aangebracht waardoor er een diodebar ontstaat, zie onderstaande figuur.
Meerdere laserdiodes naast elkaar vormen een diodebar.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Met deze configuratie kan een vermogen van circa 50W worden opgewekt. Om meer vermogen te verkrijgen worden enkele tientallen diodebars, voorzien van waterkoeling en op elkaar gestapeld tot een stack (stapel), waardoor vermogens tot circa 1.5 kW bereikt kunnen worden. Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van een stack. Door het combineren van meerdere stacks kunnen vermogens tot 6 kW worden bereikt.
Stapeling van diodebars tot een stack.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Door de opbouw van de diodelaser is de laserbundel niet rond en vertoont een grote divergentie, die bovendien verschillend is haaks en parallel aan de diodebar, respectievelijk de slow- en fast-axis, zie de figuur van de diodebar hierboven. Dit resulteert in een lage helderheid en dus lage bundekwaliteit in vergelijking met de CO2-laser en Nd:Yag laser. Daarom worden per diodebar en per stack speciale lenzen, prisma's en spiegels gebruikt om de afzonderlijke laserbundels te bundelen, zie de figuur van de laserstack hierboven. Het laserlicht is niet coherent omdat licht van meerdere resonatoren wordt gebundeld. Dit is echter niet nadelig voor het bewerken van materialen.
Na focussering wordt een rechthoekig focus verkregen met dimensies variërend van 0.6 bij 0.8 mm tot 1.5 bij 1.5 mm. Het licht kan echter ook, net als bij een Nd:YAG-laser, worden ingekoppeld in een glasfiber (kern diameter 0.4 tot 1.5 mm). Met de huidige fibertechnologie is het vermogen beperkt tot 2.5 kW. De verwachting is dat toekomstige ontwikkelingen tot verbeteringen zullen leiden.
Voordelen van de diodelaser t.o.v. de CO2 en Nd:YAG laser zijn de moduleerbaarheid van het laservermogen tot wel 10 Ghz, het hoge energetische rendement h van circa 30 %, het lage gewicht (circa 10 kg) en kleine afmetingen ter grote van een schoenendoos, zie onderstaande figuur. Dit laatste maakt het mogelijk om de diodelaser te monteren aan een robot of mobiele bewerkingssystemen.
De diodelaser heeft de afmetingen van een schoenendoos.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
De relatief grote focusafmetingen en grote divergentie maakt de diodelaser zeer geschikt voor toepassingen waar geen goede focuseerbaarheid en geen extreem hoge energiedichtheden nodig zijn, zoals bij solderen, het geleidingslassen en het oppervlaktebewerken (transformatie harden, cladden).
