Neue Generation von Thuliumfaserlasern erreicht Weltrekordleistung
Grundstein für Hochleistungslaser mit einer noch größeren Leistungsperspektive.
Hochleistungsfaserlaser sind ein vielseitig einsetzbares Werkzeug für zahlreiche technologische Anwendungen, wie etwa in der Materialbearbeitung oder Langstreckenkommunikation über Freistrahlstrecken. Besonders über extreme Distanzen – etwa von der Erde zu Satelliten – spielt die Wahl des richtigen Spektralbereichs eine entscheidende Rolle. Der Bereich oberhalb von 2030 Nanometern gilt als besonders gut geeignet, da die Atmosphäre dort wenig Verluste verursacht und gleichzeitig weniger Gefahr von Reflexen ausgeht.
Weitere Nachrichten zum Thema
Faserlaser auf dem Vormarsch
Spezialfasern für Hochleistungslaser
Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge
Forscher des Fraunhofer-Instituts für angewandte Optik und Feinmechanik haben hier einen bedeutenden Meilenstein erreicht: Sie entwickelten ein System aus drei Hochleistungs-Thuliumfaserlasern, die Licht im Spektralbereich von 2030 bis 2050 Nanometern emittieren und eine Ausgangsleistung von 1,91 Kilowatt erreichen. Das ist beinahe doppelt so viel wie bei herkömmlichen Systemen und damit ein Leistungsrekord.
Die Forscher bauen nun auf ihrem bisherigen Rekord auf und entwickeln die Technologie konsequent weiter. „Unser Ziel ist es, die technologische Basis so zu optimieren, dass wir mit zuverlässigen Einzelquellen die nächste Leistungsstufe erreichen«, erklärt Till Walbaum, Gruppenleiter für Lasertechnologie am Fraunhofer-IOF.
Zentral dabei ist das Prinzip der spektralen Strahlkombination. 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. Das ermöglicht eine Leistungssteigerung des Faserlasersystems und erhält gleichzeitig die Strahlqualität und dadurch die gute Fokussierbarkeit des Laserstrahls.
Bisherige Systeme stoßen bei hohen Leistungen auf physikalische Grenzen, insbesondere durch Überhitzung aufgrund niedriger Kombinations- und Lasereffizienzen. Das Team des Fraunhofer-IOF hat diese Herausforderungen mit neuen, effizienteren Einzelquellen und verbesserten Kühlsystemen gelöst. So ermöglicht eine spezielle Verbindungstechnik für Fasern, das 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 Prozent und exzellenter thermischer Leistungsfähigkeit. „Das Kombinationsgitter ist das Herzstück unseres Systems“, erklärt Friedrich Möller, Wissenschaftler in der Abteilung für Lasertechnologie am Fraunhofer-IOF. „Bisher gab es optische Kombinationselemente wie Gitter und dichroitische Spiegel für Wellenlängen von zwei Mikrometern nur für Laserleistungen von einigen hundert Watt. Die Kollegen und Kolleginnen am Institut haben jedoch ein spezielles Beugungsgitter entwickelt, das unter herausfordernden Parametern auch im multi-Kilowatt-Bereich exzellent funktioniert. Es ermöglicht eine verlustarme Strahlkombination mit Gesamteffizienzen größer als 90 Prozent und bildet die Grundlage für unsere nächsten Leistungssprünge.“
„Wir haben die technologischen Voraussetzungen geschaffen, um Lasersysteme mit noch höherer Leistung und Zuverlässigkeit zu realisieren. Die nächste große Herausforderung ist es nun, die 20-Kilowatt-Marke zu erreichen“, so Walbaum zu zukünftigen Potenzialen der Technologie.
Die entwickelten Hochleistungs-Thuliumfaserlaser eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, darunter medizinische Verfahren, Polymerverarbeitung sowie optische Datenübertragung. Ein wichtiger Vorteil der Laser: die verbesserte Augensicherheit. Streulicht mit einer Wellenlänge von zwei Mikrometern wird von der Hornhaut absorbiert und erreicht nicht die empfindliche Netzhaut, was einen sichereren Einsatz in industriellen und medizinischen Anwendungen ermöglicht.
Fh.-IOF / RK
