Erster Platz für harte schnelle Pulse

Mit der Entwicklung von Hochleistungslasern für Wissenschaft und Industrie hat eine gemeinsame Ausgründung von DESY und dem Helmholtz-Institut Jena den Start-up-Preis der Kompetenznetze Optische Technologien OptecNet gewonnen. Die in Gründung befindliche Firma Class 5 Photonics setzte sich gegen 14 hochkarätige Mitbewerber durch. Im Finale auf der Messe Optatec überzeugten die vier Physiker die Jury mit ihrer innovativen Lasertechnologie und einem herausragenden Geschäftsmodell.

„Dieses Beispiel zeigt in hervorragender Weise, wie unsere technologischen Entwicklungen für die Spitzenforschung intelligente Innovationen für die Industrie bringen“, betont der Vorsitzende des DESY-Direktoriums, Helmut Dosch. „Laser sind heute ein Universalwerkzeug für die Bearbeitung unterschiedlichster Materialien, von der Automobilindustrie bis zur Medizintechnik“, erläutert Michael Schulz aus dem Class-5-Photonics-Team. DESY-Forscher Schulz und seine Kollegen Franz Tavella, Robert Riedel und Mark J. Prandolini vom Helmholtz-Institut Jena, einer Außenstelle der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, haben flexible Hochleistungslaser entwickelt, die Pulse im Femtosekundenbereich erzeugen. „Zudem eröffnen solche kurzen Laserpulse neue innovative Anwendungen, etwa zur 3D-Nanostrukturierung. Auch in der Wissenschaft hat unsere Technologie eine enorme Bedeutung, beispielsweise sind erstmals effiziente Tabletop-Lasersysteme im XUV-Bereich realisierbar“, sagt Riedel.

„Unsere Systeme können 10 bis 100 Femtosekunden kurze Pulse bei einer Durchschnittsleistung von einem bis 100 Watt liefern“, berichtet Schulz. Für ihre flexiblen Femtosekunden-Hochleistungslaser setzen die Physiker auf eine innovative Technik, die wesentlich kompakter ist als existierende Systeme und derart kurze Pulse bei solchen hohen Leistungen überhaupt erst ermöglicht. Der Prototyp des neuen Hochleistungslasers mit einer geplanten Ausgangsleistung von 20 Watt ist nur 80 mal 80 Zentimeter groß.

„Wir spalten zunächst von einem intensiven Ytterbium:YAG-Laserpuls einen kleinen Teil ab“, erklärt Schulz das Funktionsprinzip. „Der kleinere Teilpuls wird dann über eine nichtlineare Spektralverbreiterung in einen breitbandigen Laserpuls konvertiert, der größere Teilpuls wird frequenzverdoppelt.“ Anschließend schießen die Physiker beide Teilpulse zeitgleich in einen nichtlinearen Kristall, in dem der größere Teilpuls nun den kleineren verstärkt.

Dieses Prinzip der optisch-parametrischen Verstärkung kommt ohne ein klassisches Lasermedium aus, in dem üblicherweise erst Energie gespeichert wird, die sich schließlich in einem Laserblitz entlädt. Das macht den neuartigen Hochleistungslaser wesentlich wartungsärmer, wie die Entwickler betonen. So geht bei einem klassischen Titan:Saphir-Laser etwa ein Drittel der eingesetzten Energie als Abwärme verloren, wodurch sich das System stark aufheizen kann. „Durch die optisch-parametrische Verstärkung wird dieses Problem umgangen“, betont Schulz, „es findet nur eine sehr geringe Erwärmung statt.“

Werden alle Wellenlängen des verstärkten Laserpulses zeitlich überlagert, entsteht ein extrem kurzer und intensiver Laserpuls. Zudem lässt sich das neue System so über einen breiten Wellenlängenbereich durchstimmen, etwa von 700 bis 900 Nanometern. Dadurch kann man zur Bearbeitung eines bestimmten Materials jeweils die am besten geeignete Wellenlänge verwenden. „Man kann mit dieser Technik ein Turnkey-System bauen, das ein breites Spektrum mit ultrakurzen Pulsen bedient“, berichtet Schulz.

Mit ihrem Projekt, das seinen Ursprung in der Entwicklung von Lasersystemen für DESYs Forschungslichtquelle FLASH II hat, belegten die Physiker im Finale der OptecNet Start-up-Challenge den ersten Platz. Der Preis ist mit 10.000 Euro dotiert und beinhaltet zudem die kostenlose Mitgliedschaft im HansePhotonik-Netzwerk sowie eine Firmenpräsentation im Branchenblatt „Photonik“.

DESY / DE