Des Laseroptikers beste Freunde

  • 23. June 2017

Synthetische Einkristall-Diamanten ermöglichen extrem leichte Schneidköpfe für Faserlaser.

Diamanten sind nicht nur besondere Schmuckstücke, künstliche Diamanten sind auch als Material für Laser­optiken attraktiv: Mit ihrer ungewöhnlich hohen Brech­zahl und der exzellenten Wärme­leitung erlauben sie zehnmal leichtere Laser­optiken. Faserlaser im Kilowatt-Bereich könnten damit deutlich flexibler agieren. Drei Fraunhofer-Institute haben in den letzten Jahren die Herstellung und Bearbeitung der Diamant­linsen optimiert, jetzt ist die erste Schneid­optik mit diesen Linsen im Test.

Abb.: Diamantoptiken zeichnen sich durch deutlich größere Wärmeleitung und höhere Brechzahl bei herausragenden mechanischen Eigenschaften aus. (Bild: Fh.-ILT/ V. Lannert)

Abb.: Diamantoptiken zeichnen sich durch deutlich größere Wärmeleitung und höhere Brechzahl bei herausragenden mechanischen Eigenschaften aus. (Bild: Fh.-ILT, V. Lannert)

Diamanten zeigen einige verblüffende Eigenschaften: Zum Beispiel liegt ihre Brechzahl bei 2,4. Das ist extrem hoch und ermöglicht viel dünnere Optiken. Die Wärmeleit­fähigkeit beträgt zwei Kilowatt pro Meter und Kelvin und ist damit mehr als 1400-mal höher als bei normalem Glas. Zusammen mit der hohen Zerstör­schwelle machen diese Eigenschaften Diamanten hoch­interessant für Optiken im Hochleistungs­bereich.

Bislang werden polykristalline Diamant­substrate als Fenster bei Kohlen­dioxid-Lasern verwendet. Aufgrund von Unreinheiten und Stör­stellen absorbieren und streuen sie Laser­strahlung bei Emissions­wellen­längen um ein Mikrometer, was sie für Faser­laser ungeeignet macht. Ein­kristalline Diamanten haben dieses Problem nicht, sind aber schwerer herzustellen.

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg wird seit Jahren an der Herstellung von mono­kristallinen Diamanten geforscht. Die am IAF entwickelten CVD-Reaktoren mit stabilen Plasma­bedingungen machen Substrate von bis zu mehreren Millimeter Dicke möglich. Dabei werden maximal sechzig Diamanten gleich­zeitig hergestellt. Mit Aufbau­raten von bis zu dreißig Mikrometern pro Stunde lassen sich so Optiken mit einer Apertur von zirka zehn Millimetern herstellen.

Linsen aus den synthetischen Einkristall-Diamanten aus Freiburg zeigen eine niedrige Absorption und auch eine niedrige Doppel­brechung. Jetzt wurden einige Exemplare mit Anti­reflexions­beschichtungen versehen und in einen Schneid­kopf für Faserlaser eingebaut. Martin Traub vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen sagt dazu: „Wir haben erstmals eine komplette Laser­optik für die Diamant­linsen optimiert. Der Schneidkopf wird damit mehr als neunzig Prozent leichter.“

Die Linsen mit sieben Millimetern Durchmesser hatten vorher Tests mit zwei Kilowatt Laser­leistung ohne Probleme absolviert. Jetzt wurde ein System für Schneid­versuche mit einem Ein-Kilowatt-Faserlaser aufgebaut. Im Schneid­kopf integriert sind eine Wasser­kühlung und die Schutz­gaszufuhr. Eine Prozess­überwachung ist derzeit noch nicht vorgesehen. Mit dem kompakten Schneid­kopf werden derzeit erste Versuche durchgeführt.

Die neue Optik dürfte die Flexibilität beim Laser­schneiden deutlich erhöhen. Die geringe Baugröße ermöglicht eine Bearbeitung auch an schwer zugänglichen Stellen, das geringe Gewicht erleichtert wiederum hoch­dynamische Bewegungen bei der 3D-Bearbeitung.

Die Entwicklung ist ein Gemeinschaftsprojekt der Fraunhofer-Institute für angewandte Festkörper­physik IAF (Freiburg), für Laser­technik ILT (Aachen) und für Produktions­technologie IPT (Aachen). Die Optik wird auch auf der Laser World of Photonics 2017 in München präsentiert. Am Gemeinschafts­stand A2.431 stehen die Experten allen Interessenten Rede und Antwort.

Fh.-ILT / DE

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