Kürzere Pulse, mehr Produktivität
Pulsverkürzungs-Modul und Testsystem für einstellbare Infrarot-Laser ermöglichen Effizienzsteigerung in der Materialbearbeitung.
Höhere Produktivität ist heute das Hauptziel bei der Entwicklung von Ultrakurzpuls-Lasersystemen für die Industrie. Am Fraunhofer-ILT in Aachen geht man dafür verschiedene Wege: Einerseits werden stärkere Systeme mit Rekordleistungen im kW-Bereich gebaut. Andererseits arbeiten die Forscher an maßgeschneiderten Lösungen für die verschiedenen Anwendungen. Auf der Laser-Messe 2015 präsentieren sie unter anderem ein Modul zur Pulsverkürzung und ein Testsystem für einstellbare Infrarot-Laser mit hoher Leistung, die jeweils neue Wege zur Effizienzsteigerung in der Materialbearbeitung aufzeigen.
Abb.: Scheiben-Verstärker mit 1,5 kW. (Bild: Fh.-ILT)
Beim letzten Ultrakurzpulslaser-Workshop des Fraunhofer-ILT im April 2015 war man sich einig: Eine Steigerung der Produktivität ist derzeit das wichtigste Thema bei industriellen Ultrakurzpulslasern. Sie hängt von vielen Parametern ab, zum Beispiel von der Pulsenergie, der Repetitionsrate und der Prozessführung. Kürzere Pulse ermöglichen zum einen eine höhere Präzision und zum anderen völlig neue Bearbeitungsprozesse, zum Beispiel durch Mehrphotonen-Absorption oder Filament-Bildung in Glas.
Am ILT wurde jetzt ein optisches Zusatzmodul entwickelt, das bei leistungsstarken UKP-Lasern die Pulsdauer um einen Faktor vier verkürzt. Das kompakte Modul eignet sich für Laser mit bis zu 1 kW mittlerer Leistung und Energien von 10 bis 200 µJ. Ein 1 ps-Puls lässt sich so auf zirka 250 fs komprimieren, wobei weniger als zehn Prozent der Energie verloren gehen und die Strahlqualität erhalten bleibt.
Die zum Patent angemeldete Technologie des Pulsverkürzungs-Moduls wurde im Rahmen des Projekts FOKUS vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Bei der weiteren Entwicklung des Moduls sollen deutlich höhere Pulsenergien erreicht werden. Das Pulsverkürzungs-Modul kann mit einem neu am ILT entwickelten Femtosekundenlaser in der Leistungsklasse von 150 W kombiniert werden. Mit seinem besonders einfachen Konzept ist er auf Robustheit und Wirtschaftlichkeit getrimmt. Er ist in seiner Leistungsklasse sogar dem deutlich leistungsstärkeren Innoslab-Laser überlegen. Beide Konzepte zeichnen sich durch ihre annähernd beugungsbegrenzte Strahlqualität aus.
Mit einer Kombination aus Innoslab- und Scheibenverstärker erreichte das ILT ein neuer Rekord für UKP-Laser: Das System liefert 1,5 kW mittlere Leistung bei einer Pulsdauer von 710 Femtosekunden. Die weitere Optimierung speziell des Scheiben-Verstärkersystems soll Leistungen jenseits der 2 kW Grenze ermöglichen. Unterstützt wurde die Entwicklung vom BMBF im Rahmen des Projekts FOKUS sowie der Trumpf-Gruppe. Industrielle Lasersysteme dieser Leistungsklasse eignen sich besonders gut für die Bearbeitung großer Teile, beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK).
Ein Beispiel für die Entwicklung maßgeschneiderter Lösungen für die UKP-Technik sind neue Strahlquellen für den Infrarot-Bereich bei Wellenlängen von 1,5 bis 3,5 µm (IR-B). Viele technisch und wirtschaftlich interessante Materialklassen weisen dort eine hohe Absorption auf, was eine Reihe innovativer Anwendungen ermöglicht. Bislang besteht allerdings ein Mangel an hinreichend leistungsstarken Lasern in diesem Bereich.
Wissenschaftler des Fraunhofer ILT haben jetzt ein Testsystem entwickelt, das zwischen 1,6 und 3,0 μm eine Laserleistung bis über 20 Watt liefert. Die Pulsdauer kann dabei zwischen 900 fs und 1,5 ns liegen. An einer Leistungsskalierung auf mehr als 50 Watt wird derzeit gearbeitet. Das Testsystem kann an verschiedene Treiberlaser angepasst werden und so eine große Bandbreite an Applikationsparametern bereitstellen. Das neue System ermöglicht sowohl Machbarkeitsuntersuchungen als auch die Bereitstellung von prozessoptimierten Strahlparametern für die Produktion.
Fh.-ILT /CT
