10 Juni Thuliumfaserlaser erreicht Leistungsrekord
Hochleistungsfaserlaser sind für zahlreiche Anwendungen vielseitig einsetzbar, wie in der Materialbearbeitung oder Langstreckenkommunikation über Freistrahlstrecken. Bisherige Systeme stoßen bei hohen Leistungen auf physikalische Grenzen, insbesondere durch Überhitzung aufgrund niedriger Kombinations- und Lasereffizienzen. Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF haben nach eigenen Angaben einen bedeutenden Meilenstein erreicht: Sie entwickelten ein System aus drei Hochleistungs-Thuliumfaserlasern, die im Spektralbereich von 2030 bis 2050 nm emittieren und eine Ausgangsleistung von 1,91 kW erreichen. Dies ist nach Angabe der Forschenden fast doppelt so viel wie bei herkömmlichen Systemen, die maximal 1,1 kW erreichen würden.
Strahlkombination durch Beugungsgitter
Zentrales Prinzip ist die spektrale Strahlkombination (Spectral Beam Combining, SBC). Dabei werden Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen unter angepassten Winkeln auf spezielle optische Reflexionsgitter gestrahlt. Durch die Beugung werden die Laserstrahlen so zu einem einzigen Strahl kombiniert. Dies führt zu einer Leistungssteigerung des Faserlasersystems, erhält aber gleichzeitig die Strahlqualität und dadurch die gute Fokussierbarkeit des Laserstrahls.
Erreicht wurde die Rekordleistung mit neuen, effizienteren Einzelquellen und verbesserten Kühlsystemen. So ermöglicht eine spezielle Verbindungstechnik für Fasern, das sogenannte kalte Spleißen, eine verlustarme Faser-zu-Faser-Überkopplung und effektive Temperaturregulierung.
Eine weitere Schlüsselkomponente ist ein speziell entwickeltes Beugungsgitter mit einer Effizienz von über 95 % und hoher thermischer Leistungsfähigkeit, so die Forschenden. „Bisher gab es optische Kombinationselemente wie Gitter und dichroitische Spiegel für Wellenlängen von 2 µm nur für Laserleistungen von einigen hundert Watt“, erklärt Friedrich Möller, Wissenschaftler in der Abteilung für Lasertechnologie am Fraunhofer IOF. „Die Kollegen und Kolleginnen am Institut haben jedoch ein spezielles Beugungsgitter entwickelt, das unter herausfordernden Parametern auch im Multi-kW-Bereich exzellent funktioniert. Es ermöglicht eine verlustarme Strahlkombination mit Gesamteffizienzen größer als 90 % und bildet die Grundlage für unsere nächsten Leistungssprünge.“ Die folgende große Herausforderung der Forschenden ist es nach eigener Aussage nun, die 20-kW-Marke zu erreichen.
Für Materialbearbeitung, Medizin und Kommunikation
Die Hochleistungs-Thuliumfaserlaser können vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, beispielsweise in medizinischen Verfahren, in der Polymerverarbeitung sowie der optischen Datenübertragung. Ein wichtiger Vorteil der Laser gegenüber anderen Lasertypen ist die verbesserte Augensicherheit. Streulicht mit einer Wellenlänge von 2 µm wird von der Hornhaut absorbiert und erreicht dadurch nicht die empfindliche Netzhaut.
Quelle und Bild: www.iof.fraunhofer.de