Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es sein?

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Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es sein?

Beitrag von VDX »

... um den Thread Post your Laser (und Zubehör) nicht total "zuzumüllen", starte ich hier einen eigenen zum Thema "Direct-Diode-Laser" und ANwendungen dazu ;)

Für einige meiner Bastel- und Entwicklungsprojekte zum Thema Laser habe ich mir auch immer wieder mal etwas stärkere Laserdiodenmodule gewünscht, weil meine bisherigen IR-Laserdioden mit 9Watt oder 25Watt aus einer 0.1mm-Faser doch etwas eingeschränkt in ihrer Wirkung auf "ernsthafte" Werkstoffe, wie Metall oder Keramik, sind ... oder ich sehr viele davon auf einen Spot kombinieren müßte, um die erforderlichen Mindestleistungen zusammenzubekommen :|

Letztens habe ich ein paar Dioden mit höheren Leistungen gefunden und baue ein paar DDL-Module (=Direct-Diode-Laser) für ein Firmenprojekt und auch für mich Daheim auf, um Versuche in Richtung Metall-Aufschweißen, Pulver-Schmelzen un Laserschneiden machen zu können.

Die ersten etwas stärkeren Laserdioden waren ein paar wenige 25Watt@975nm-Dioden mit 0.1mm-Faser aus defekten Faserlasern - dazu kamen nochmal einige mehr dazu ... und nochmal 7 Stück mit 30 Watt.

Dann habe ich ein paar 20Watt- und 25Watt@808nm-Dioden mit SMA-Anschluß für 0.6mm-Fasern bekommen und wollte sie als "Vorheizer" für die 975nm-Dioden und Faserlaser verwenden.

Zuletzt habe ich eine 808nm-Diode mit vermutlich 200Watt CW und bis 500Watt gepulst aus einer 0.4mm-Faser bekommen - jetzt lohnte sich so langsam ein Eigenbau eines "richtigen" DDL's.

Und wie ich so am Zusammensuchen und konzipieren bin, gab's dann auch noch ein paar 200Watt@976nm-Dioden mit SMA-Anschluß für 0.2mm Fasern!!

Jetzt bin ich gerade dabei, mehrere TEC-Kühler auf Basis von ausgeschlachteten Leergehäusen von defekten Faserlasern aufzubauen - eins mit 2 von den 200Watt@976nm-Dioden für die Firma, ein weiteres mit vermutlich mehr von den Dioden für meine Versuche Daheim.

In den nächsten Posts zeige ich ein paar von den Dioden von Innen und den Aufbau des ersten DDL-Moduls ...

Viktor
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... das erste DDL-Modul werde ich aber mit 200Watt@976nm-Dioden mit 0.2mm-Faseranschluß aufbauen - so sehen die Dioden aus:
Rofin-200W-Dioden 1 Offen.jpg
Rofin-200W-Dioden 1 Offen-3.jpg

... hier am "Loslasern" ab 3A und Aufnahme des "kollimierten" nach Oben abgestrahlten Laserstrahls - das letzte Bild war eher ein "Unfall" - ich wollte das nicht abfackeln
Rofin-200W-Dioden - 3A.jpg
Rofin-200W-Dioden - 3A-Karte.jpg
Rofin-200W-Dioden - 7A-Karte.jpg

Und hier der Aufbau des TEC-Kühlers mit passend gerfäster 10mm-Aluplatte über 6x 30Watt-Peltier-Modulen:
IPG-Leergehaeuse.jpg
IPG-Leergehaeuse-Offen.jpg
Fraesen-1-2-Fertig.jpg

... hier am Testen einer der 3x-Peltier-Gruppen und eine "Stellprobe" der Dioden und Elektronik:
3x30W-TEC-Test.jpg
Elektronik-Positionierung.jpg

Mit den verschiedenen Treibern habe ich die Möglichkeit entweder mit meinen "intelligenten" Treibern pro Modul CW bis 12A (die grünen) oder bis 20A (die größeren goldenen) mit normalen MOSFET's auszugeben (gepulst bis zum doppelten Strom!) - die Treiber können auch parallel geschaltet werden, so daß bis zu max. 40A für die Dioden damit auch möglich wären -- wahlweise bei 12V für die Ansteuerung der Dioden separat, oder auch mit 24V, wenn in Serie.

Rechts neben dem Gehäuse liegen ein paar von den "simplen" 5xLM338-Treibern, die ich für das "Forumsprojekt" konzipiert hatte - die können bei ausreichend Kühlung auch bis 20A CW pro "Streifen" und ebenfalls parallel geschaltet werden.

Ob ich das mit "normalen" MOSFET's mache, oder mit den dicken IGBT-Ziegelsteinen, probiere ich noch aus - hängt vor Allem von der erforderlichen Schaltgeschwindigkeit ab, die ich später brauchen werde ...

Viktor
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... so langsam nimmt es erschreckende Ausmaße an :shock:

3 von den 200Watt-Dioden bekomme ich in eins meiner TEC-Module rein, 4 Stück nicht mehr:
4xDioden.jpg

Ich erwarte noch 3 von den Dioden die nächsten Tage - dann komme ich mit 5 von den 200Watt-Dioden (2 von den 4 im Bild sind für ein Firmenprojekt) so langsam in den 1kW-Leistungsbereich im CW-Betrieb

... und so wie ich das mitbekommen habe, können die gepulst bis zur doppelten Leistung ! ;)

Viktor
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... wegen mehrer Anfragen zur "Fokussierung" der Dioden -- diesen "Todesstern"-Aufbau hatte ich vor Jahren mal mit 6x blauen 1.5W-Dioden gemacht und damit einen Gesamt-Spot von etwa 0.3mm in dem Abstand hinbekommen:
6xKopf1.jpg

... jetzt baue ich das Gleiche mit bis zu 12 "variabel" einsteckbaren Laserköpfen von 6Watt Blau (direkt in der Aufnahme) bis 200Watt IR und dann noch 2 oder mehr Faserlaser "für das Feine" (jeweils mit Faser-Kollimator und Fokussierkopf) vor

Die 12-er Aufnahme ist der "Ring" unten Rechts mit 12 Bohrungen zur Aufnahme der Laserköpfe (3 Klemm+Kühl-Blöcke für die blauen 6W-Dioden sind schon dran):
Steromikroskop2-Aufgebaut2.jpg
Steromikroskop2-Aufgebaut2.jpg (103.37 KiB) 4928 mal betrachtet
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... der interne Aufbau ist doch etwas anders, als ich zuerst dachte - in der SMA-Buchse ist ein "Beam-Guide" verbaut - das ist vermutlich ein dünner Glasstab, in den die 7 Strahlen reinfokussiert werden und dann passend für den 0.2mm-Faserstecker vorne rausleuchten.

So schaut der Bündelstrahl aus, wenn er ohne Linse aus der SMA-Buchse herausstrahlt:
Strahlform-4A.jpg


Jetzt habe ich aus dem "defekten" Modul mit dem in die SMA-Buchse eingeklebten Glaskopf das SMA-Modul ausgebaut (mußte dafür eine verklebte M3-Madenschraube herausbohren) und gesehen, daß der "nach Innen ragende Glasstab" ein anderer Typ dieses "Beam-Guides" ist, der tiefer in das Lasermodul hineinragt, als bei den anderen 3, wo der Stab von Innen nicht zu sehen ist.

Hier habe ich ihn ausgebaut und Blick nach Innen auf das Auskoppelfenster, wo knapp außerhalb normal der Fokus-Punkt der 7 Strahlen auf etwa 0.2mm "komprimiert" liegt:
Beam-Guide1.jpg
Beam-Guide2.jpg

Und hier ein Bild der 7 Diodenmodule mit jeweils 5 Emittern bei kleinster Leistung und etwas mehr Power - man sieht auch, daß 2 der 35 Emitter nicht mehr leuchten:
Ohne Beam-Guide1.jpg
Ohne Beam-Guide2.jpg
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

Leute, Obacht !!

bei den Rofin-Diodenmodulen ist in der SMA-Hülse kein Glasstab oder Linse drin - nur Luft von Vorne bis zum Auskoppelfenster !!

Ich ging nach meinen ersten Test mit 4 bis 8A und dem Fokussier-Aufsatz auf die Trumpf-Faser davon aus, das der Strahl "für eine 0.2mm-Faser" (laut Datenblatt) vorne in der SMA-Buchse fokussiert würde (so habe ich das bei den Limo- und Trumpf-Diodemodulen).

Dem ist aber nicht so - die brauchen für den Betrieb über die SMA-Buchse spezielle Fasern mit einem längeren "Glasstift" vorne dran !!!

Bei dem einen "kaputten" hatte jemand den Glas-Kern in die SMA-Buchse reingeklebt bei den anderen ist das beim Demontieren rausgezogen worden.

Also - wer die mit SMA-Faser betreiben will, braucht unbedingt so einen "Light-Guide" bis knapp vor das Auskoppelfenster innen im Gehäuse.

Ansonsten -> SMA-Hülse (mit Ausbohren der beiden M3-Madenschrauben an der Seite) ausbauen und dann mit einer Linse vor dem Loch den "Quadrat-Strahl" fokussieren !!!

Viktor
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... so -- weiter im Text ...

Hab' bei dem Diodenmodul mit der herausmontierten SMA-Hülse ausprobiert, ob die Fokussierung genau mittig ist und wie weit weg die vor dem Auskoppelfenster liegt.

Ja, der Fokus ist mittig und ziemlich nahe am Fenster -- beim Ausmessen der Position und des Abstands hatte ich das Modul nur bei Mindesteistung mit kleinem Strom laufen gehabt und einen zufällig genau reinpassenden Edding (15mm Durchmesser) mit aufgeklebtem Pappscheibchen als "Zielscheibe" in das Loch reingeschoben.

Schon diese "minimale" Energie im Fokus bei 3A Strom hat den Karton entflammt und mit dem Rauch die Glasscheibe von Außen bedampft und der Strahl hat durch den erhitzten Ruß die Beschichtung weggedampft! - die Scheibe hat jetzt einen deutlichen Fleck genau in der Mitte, der bei höherer Leistung die Scheibe überhitzen und sprengen dürfte (bei 8A leuchtet genau in der Mitte ein winziger Punkt orange auf) -- ich werde bei dem Modul die Scheibe also herausbrechen und das ganz ohne laufen lassen - das ist kein Problem mit einer Linse vor der Öffnung als Abdichtung ... und der Leistungsverlust durch die Scheibe selber entfällt damit auch noch ;)

Ansonsten sollte man die Scheibe als Schutz drinlassen - so kommt kein Staub ins Gehäuse-Innere.

Statt einer von den "speziellen" SMA-Fasern mit dem Glasstift vorne dran, bietet es sich an, die SMA-Hülse zu entfernen und dann einen passenden Zylinder mit 15mm Außendurchmesser und einer Bohrung für die jeweilige Faser da reinzustecken.

Norbi überlegt sich eine andere Alternative: - die Hülse abzusägen und nur den SMA-Kopf mit dem Gewinde dran reinzustecken, so daß normale SMA-Fasern reingeschraubt werden können ...

Viktor
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... und so schauen die Spezial-Laserfasern mit "Beam-Guide" aus, die dann mit der Glas-Führung in den SMA-Stecker reingesteckt und verschraubt werden:
Beam-Guide-Faser.jpg
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... hab' noch ein Datenblatt zu den 200Watt-Dioden gefunden - wenn die bei 3 Ampere (gerade am "Loslasern") schon Karton und Holz verkohlt, dann bin ich echt gespannt, was mit der gut fokussiert bei 35 Ampere geht :shock:
200W@976nm-Datasheet.jpg

Und hier gleich nochmal im Vergleich die Absorptionsraten bei Metall gegenüber CO2- und Faserlaser:
LaserCutting.jpg
LaserCutting.jpg (47.13 KiB) 4841 mal betrachtet
- mit einem 150Watt-CO2-Laser und kurz fokussierender Linse kann schon Metall geschnitten werden ... mit meinem 20Watt-Faserlaser "schneide" ich 0.5mm Stahlfolie mit 6x langsam drübergravieren bei voller Leistung (hier zählt weniger die Puls-Spitzenleistung von bis zu 10kW, als eher die Mittlere Leistung für den Energie-Eintrag zum Wegdampfen).

Mal schauen, was mit 200Watt @976nm auf 0.2mm Fokus-Durchmesser möglich ist ;)

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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... vorhin kamen nochmal 4 Stück von den 200Watt-Dioden - diesmal aber mit Aufklebern von Dilas (was der eigentliche Hersteller sein dürfte) statt von Rofin ... und mit den Kunststoff-Wasserküler-Anschlüssen dran:
+4x Dilas.jpg

Er hat mir auch noch 4 von den "Beam-Guide"-Fasern dabeigelegt - bei drei war das Einkoppelende noch halbwegs intakt, nur etwas verschmutzt ... bei einem waren da einiges weggeplatzt :?

Hier ein kurzer Test mit einer der Fasern und einfach nur abgebrochenem Ende - bei 3A (gerade so am Lasern) fängt das Ende schon an zu rauchen ... bei 6A glüht das schon hell auf!
Beamguide-Faser-3A.jpg
Beamguide-Faser-6A.jpg

Werde die also noch richtig in eine Ferrule einpacken und polieren müssen ...

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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von Norbi »

Was zur Hölle willst Du mit anderthalb Kilowatt anfangen?

Oder waren die einfach nur zu günstig? Für den Preis kriegt man die ja bestimmt wieder weg, mit Datenblatt etc......
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

... wer schon immer mal wissen wollte, wie es in einem 1.5kW-Diodenlaser zum Schneiden von Stahlplatten und zum Laserschweißen ausschaut:
1.5kW-DDL.jpg

Das in dem Foto vom DDL sind 135Watt-Dioden ... ich sammle gerade 200Watt-Dioden zusammen ... wäre momentan bei etwa 1kW mit 6 davon (2 sind für ein Firmenprojekt) ... evtl. bekomme ich mit meiner "Spezial-Fokussierung" einen kleineren Spot hin, als bei dem 1.5kW-Laser - dann wäre die Energiedichte (und evtl. auch die "Wirkung" pro Kilowatt) deutlich höher, als bei den "üblichen" Spot-Durchmessern der Industrie-Laser! 8)

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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von Norbi »

VDX hat geschrieben:evtl. bekomme ich mit meiner "Spezial-Fokussierung" einen kleineren Spot hin, als bei dem 1.5kW-Laser - dann wäre die Energiedichte (und evtl. auch die "Wirkung" pro Kilowatt) deutlich höher, als bei den "üblichen" Spot-Durchmessern der Industrie-Laser! 8)

Das Strahlparameterprodukt der Laserquelle lässt sich nachträglich schwerlich verbessern ;) Die ganzen Diodenmodule in dem Schneidelaserbild werden wohl kaum direkt zum Schneiden verwendet sondern viel eher die Ytterbium Faser unter der weißen Abdeckung pumpen.

Physik lässt sich meistens nicht betrügen.
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von VDX »

Hi Norbi,

... bei den "Kilowatt-Lasern" werden aktuell immer mehr "Direct-Diode-Lasser" eingesetzt, weil sie die Strahlformung von der Diode in eine Faser rein immer besser hinbekommen - damit haben sie einen deutlich besseren Wirkungsgrad als mit "nur Pumpen" ;)

Bei den Multi-kW-Faserlasern werden mit steigender Leistung die damit noch möglichen Faser-Duchmesser für die Strahl-Führung immer dicker (bis 0.8mm!) ... und bei den Dioden bei steigender Leistung immer dünner (bei diesen 200W-Dioden etwa 0.2mm, bei 0.1mm-Fasern gibt's Module bis 150Watt zu kaufen)!

Mit einer 0.2mm-Faser (wenn ich das mit dem Einkoppeln nahe am Fenster gut hinbekomme ... sonst 0.4mm-Faser) kann ich bei 50mm Fokus-Abstand auch wieder einen Spot-Durchmesser von etwa 0.2mm hinbekommen.

Wenn ich einen "Multidioden-Kopf" mit ganz vielen von den kleinen Fokussierköpfen für die Diodenfasern zusamenbaue (meine bisherigen haben 12mm Durchmesser, das geht aber mit GRIN-Linsen auch bis runter zu 2mm), dann komme ich mit 1kW Dioden-Leistung etwa in den gleichen Energiedichtebereich, wie mit einem 1kW-CW-Faserlaser ... der aber 2-3kW Pump-Dioden dafür braucht !!

Viktor
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Re: Projekt "Direct-Diode-Laser" - wieviel Leistung muß es s

Beitrag von Norbi »

Wenn Du bei 50mm Abstand zur Linse einen Spot haben willst der wieder so groß ist wie der Faserdurchmesser muss auf der anderen Seite der Linse die Faser auch _mindestens_ 50mm von von der Linse entfernt sein. Das setzt aufgrund der Strahldivergenz aus der Faser eine Mindestgröße der Linse voraus.
Bei gleicher Gegenstandsweite wie Bildweite ist der Strahl auf der einen Seite genauso konvergent wie er auf der Faserseite divergent ist. Wenn Du nun vier Optiken aus vier Fasern auf einen Punkt bündelst hast Du einen Strahl der mindestens doppelt so konvergent ist wie das was aus der Faser rauskommt divergent ist.
Man kann die Linsen auch gerne auf 2mm verkleinern, das ändert an der resultierenden Konvergenz nur überhaupt nichts und man hat einen völlig unpraktikablen Fokusabstand.

Du kannst eigtl. genau so gut die vier Fasern zu einem Bündel zusammenkleben und die "resultierende 0,4mm Faser" mit einer einzelnen Optik auf einen 0,2mm Punkt fokussieren, kommt aufs selbe raus was die Strahlqualität angeht.

Das Stahlparameterprodukt ergibt sich nunmal aus der Duchmesser aller Fasern(geschickt gebündelt) zusammen mit der Divergenz die man aus den Diodenkloppern halt hat. Und egal was man macht das ist unmöglich ohne Leistungsverlust zu verbessern.

Für Oberflächenbearbeitung und zum schneiden von "sehr" dünnem Material macht die extrem miese Strahlqualität natürlich nicht viel aus, aber sobald man eine vernünftige Rayleighlänge benötigt hat man ein kleines Problem. Mit einem Kilowatt auf ein 0,4er Blech einzuprügeln macht ja recht wenig Sinn (es sei denn es kommt auf die Geschwindigkeit an), und stärkeres Material haut eben wegen der geringen Rayleighlänge nicht hin.

Wäre wirklich interessant zu wissen wie die bei diesen "Direkt Diode Lasern" so eine gute Strahlqualität hinbekommen dass die zentimeterdicke Platten schneiden können, mir fällte da spontan irgendwie wenig ein......

P.S. Ah hab schon was gefunden, scheint harter Tobak zu sein :p Verschieden Wellenlängen überlagern, Polarisation überlagern und dazu offensichtlich extrem gute Strahlformung.......
1-s2.0-S0007850617301361-gr1.jpg
Zuletzt geändert von Norbi am Do 14. Mär 2019, 22:31, insgesamt 1-mal geändert.
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