Диодные лазеры, используемые в лазерных указателях, сканерах штрих-кодов, DVD-плеерах и других маломощных устройствах, возможно, являются наиболее эффективными, компактными и недорогими из имеющихся лазеров.
На протяжении многих лет предпринимались попытки увеличить яркость этих ценных лазеров для промышленных применений, таких как сварка и резка металла. Но увеличение мощности обычно означает снижение качества луча или фокуса. И луч никогда не становится достаточно интенсивным, чтобы расплавить металл.
Сейчас компания TeraDiode, занимающаяся производством в лаборатории Линкольна в Массачусетском технологическом институте, выпускает на рынок многокиловаттную диодную лазерную систему, достаточно яркую, чтобы резать и сваривать даже полдюйма стали с большей эффективностью, чем современные промышленные лазеры.
В 4-киловаттном TeraBlade используется новая технология масштабирования мощности, разработанная в Массачусетском технологическом институте, которая преобразует отдельные лучи диодных лазеров в один выходной луч. Это позволяет увеличить мощность диодного лазера, сохраняя при этом очень сфокусированный луч.
«[TeraBlade] имеет сопоставимое качество луча по сравнению с традиционными производственными лазерами, такими как углекислый газ, диск и оптоволокно», - говорит соучредитель и вице-президент TeraDiode Робин Хуанг, бывший исследователь лаборатории Линкольна и соавтор TeraBlade. «Однако, поскольку TeraBlade - это лазер с прямым диодом, он имеет самую высокую эффективность и самую низкую стоимость владения по сравнению с другими лазерами».
Хуанг говорит, что TeraBlade представляет «третье поколение» промышленных лазеров. Первое поколение, появившееся несколько десятилетий назад, было лазером на углекислом газе, в котором электричество проходит через газ, чтобы произвести свет. Они очень яркие, но могут быть размером с грузовики и работать с эффективностью около 20 процентов.
Затем появились твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSS), в том числе дисковые и волоконно-оптические, которые сначала передают энергию диодных лазеров в среду, обычно в кристалл, прежде чем преобразовывать ее в лазерный луч. Они работают только с КПД около 30%.
Но TeraBlade, удачно названный "прямым диодным" лазером, использует свет непосредственно от диодов, пропуская этап преобразования DPSS и экономя энергию, - говорит Хуанг. Это означает, что TeraBlade работает с такой же мощностью и яркостью, что и все другие промышленные лазеры - около 2600 мегаватт на квадратный сантиметр на стерадиан - при примерно 40-процентной эффективности.
Комбинирование пучка по длине волны
В основе TeraBlade лежит метод масштабирования мощности, известный как комбинирование пучков по длине волны (WBC) или некогерентное комбинирование пучков, разработанный Хуангом и бывшим исследователем лаборатории Линкольна и соучредителем TeraDiode Бьеном Каналом, который в настоящее время является вице-президентом компании и Главный технический директор.
Диодные лазеры - это крошечные полупроводниковые устройства, которые, будучи электрически заряженными, заставляют электроны создавать фотоны одной длины волны или цвета, движущиеся в одном направлении. При прохождении через выходную коллимационную линзу он создает луч лазерного света.
По словам Хуанга, отдельный диодный лазер - например, лазерная указка - может излучать луч в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, который может быть точно сфокусирован в очень маленькое пятно, но с небольшой мощностью. Однако перекрытие множества похожих лучей на разных длинах волн создает луч, который фокусируется на небольшом пятне, что делает его очень интенсивным. И количество перекрывающихся лучей с разными длинами волн может быть очень большим.
В начале 2000-х годов Хуанг, Ченн и коллеги из лаборатории Линкольна построили несколько прототипов лазеров на основе технологии WBC. Один, который достиг уровня мощности 50 Вт, «был мировым рекордом по яркости диодного лазера в то время», - говорит Хуанг.
В 2009 году Хуанг и Ченн вместе с Фредом Леонбергером, бывшим сотрудником лаборатории Линкольна, который сейчас входит в совет директоров TeraDiode, и бывшим генеральным директором Дэвидом Соссеном, запустили TeraDiode в Уилмингтоне, штат Массачусетс, чтобы вывести технологию на рынок. (Нынешний генеральный директор компании - предприниматель в области фотоники Парвиз Тайебати.)
Сегодня TeraBlade на основе WBC представляет собой лазерный модуль, который содержит диодные лазерные стержни (длинные массивы диодных лазеров), трансформирующую линзу, дифракционную решетку и выходную линзу. Свет от диодных лазеров проходит через трансформирующую линзу на тщательно расположенную дифракционную решетку - стеклянную пластину с царапинами параллельными линиями. Однако вместо того, чтобы рассеивать свет под разными углами, для чего она предназначена, решетка направляет лучи в одном направлении, накладывая их друг на друга.
Есть несколько других мультикиловатных лазеров с прямыми диодами, но они работают на другом популярном и похожем методе масштабирования мощности, называемом параллельным или пространственным объединением лучей, который объединяет лучи с одинаковыми длинами волн. По мере увеличения количества диодных лазеров качество луча ухудшается, что приводит к образованию большого сфокусированного пятна, ограничивающего интенсивность луча.
Это означает, что лазерная сварка TeraBlade излучает луч примерно в 100 раз ярче, чем эти увеличенные модели прямых диодных лазеров, говорит Хуанг.
Каждый модуль TeraBlade выдает около 1000 Вт и может масштабироваться для увеличения мощности. Компания также разработала коммерческую систему TeraBlade: куб высотой 3 фута, который поставляется с несколькими лазерными двигателями, управляющим компьютером, источниками питания и выходной головкой для сварки и резки, среди других компонентов.
По словам Хуанга, технология TeraDiode все чаще находит клиентов в таких странах, как Япония и Германия, где затраты на электроэнергию высоки.
В апреле компания начала поставки своей системы для компании Panasonic Welding Systems в Европе и Японии. Среди других заказчиков - ведущие мировые производители промышленных лазерных машин и системные интеграторы.
«В более широком смысле, наше видение состоит в том, чтобы произвести революцию в лазерной индустрии», - говорит Хуанг, внедряя мощные диодные лазеры для различных приложений по всему миру.
Он добавляет, что в будущем компания также будет уделять внимание оборонным приложениям. Одна из идей состоит в том, чтобы создать лазер, который действует как средство сдерживания ракет с тепловым наведением: он запускает инфракрасный лазерный луч на ракету, что может сбить с толку программу ракеты и привести к потере цели. Компактная конструкция лазера позволяла устанавливать его на истребитель.
