Diamantlenzen maken laseroptiek aanzienlijk lichter

Dankzij een extreem hoge brekingsindex en een uitstekende warmtegeleiding zijn synthetische diamanten erg aantrekkelijk om als lens te gebruiken voor laseroptieken. Drie Fraunhofer instituten hebben de afgelopen jaren de productie en verwerking van diamanten geoptimaliseerd en de eerste snijtesten met een diamantlens uitgevoerd. Laseroptieken met diamantlenzen zijn tien keer lichter dan conventionele laseroptieken. Fiberlasers in het kW-bereik worden hierdoor een stuk flexibeler.

Diamanten hebben een aantal opvallende eigenschappen: hun brekingsindex van 2,4 is extreem hoog, waardoor een veel dunnere optica mogelijk is. Daarnaast is de thermische geleidbaarheid met 2.000 W/m*K meer dan 1.400 keer hoger dan die van optisch glas. Deze eigenschappen, samen met hun hoge schadedrempel, maken diamanten zeer interessant voor high-power lasers.

Monokristallijne diamant

Tot op heden zijn polykristallijne diamant substraten alleen gebruikt voor CO₂-lasers. Door onzuiverheden en onvolkomenheden absorberen en verspreiden ze laserstraling bij emissiegolflengten van ongeveer 1 micrometer, waardoor ze ongeschikt zijn voor fiberlasers. Kristaldiamanten hebben dit probleem niet, echter zijn deze moeilijker te produceren. Het Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF in Freiburg heeft jarenlang de productie van monokristallijne diamanten onderzocht. De bij de IAF ontwikkelde CVD-reactoren kunnen maximaal 60 van deze diamanten gelijktijdig produceren met behulp van stabiele plasma condities. Bij opbouwsnelheden tot 30 micrometer per uur kunnen de reactoren optica produceren met een diafragma van circa 10 mm.

90% gewichtsbesparing

Momenteel zijn een paar synthetische kristaldiamanten uit Freiburg voorzien van antireflectiecoatings en opgenomen in een fiberlaser snijkop. Martin Traub van het Fraunhofer ILT in Aken zegt: “We hebben voor het eerst een volledig laser optisch systeem voor de diamantlens geoptimaliseerd. Dankzij dit is de snijkop meer dan 90 procent lichter.” De lenzen met een diameter van 7 mm hebben zonder problemen tests doorstaan met een 2 kW laservermogen. Momenteel wordt er onderzoek gedaan naar het snijden met een 1 kW fiberlaser met de nieuwe compacte snijkop. De snijkop is voorzien van een geïntegreerde waterkoeling en een aanvoer voor het beschermgas. Het nieuwe optische systeem zou de flexibiliteit bij lasersnijden aanzienlijk moeten vergroten. Het compacte formaat maakt het mogelijk om toegang te krijgen tot gebieden die moeilijk toegankelijk zijn. Het lage gewicht zorgt voor dynamische bewegingen tijdens 3D-verwerking.