Projekt DiaRaman Hochleistungslaser aus Diamant

Effiziente Frequenzkonversion in einem optischen Resonator.
Effiziente Frequenzkonversion in einem optischen Resonator.

Prozessoptimierte Wellenlängen eignen sich für Anwendungen der Lasertechnik. Es fehlt jedoch an aktiven Materialien zur Verstärkung der Leistung im relevanten Spektralbereich. Für die Erschließung neuer Wellenlängenbereiche setzt das Projekt DiaRaman auf Diamant-Einkristallen als Verstärkungsmedium.

Vor kurzem wurde das Verbundprojekt »DiaRaman« gestartet, um neue Wellenlängenbereiche im Hochleistungslasersektor zu erschließen. Dabei dienen neuartige Diamant-Einkristalle als Verstärkungsmedium. Sie verbinden thermische Eigenschaften mit breitbandiger Transparenz und hoher Raman-Aktivität. Zwar sind übliche Raman-Laser thermo-optischen eingeschränkt, doch könnte für einen leistungsskalierbaren Ansatz Diamant als neuartiges Verstärkungsmedium verwendet werden.

Diamant-Einkristalle haben exzellente thermischen Eigenschaften: Die Wärmeleitfähigkeit ist  fünfmal besser als bei Kupfer und fast zweitausendfach so groß wie bei Glas. Diamant verfügt über eine breitbandige Transparenz sowie seine hohe Raman-Verschiebung und –Verstärkung. Mit diesen Eigenschaften eignet er sich insbesondere zur Verstärkung im mittleren Infrarot, ist aber auch bei kleineren Wellenlängen und generell im Hochleistungsbereich verwendbar. Die Verwendung hochbrillanter Faserlaser als Pumpquellen erlaubt einerseits kleine Foki und damit hohe Raman-Verstärkung, andererseits erhöhte räumliche und auch spektrale Flexibilität in der Ausführung des Gesamtsystems.

Primär sollen Faserlaser auf Ytterbium- und Thuliumbasis als Pumpquellen verwendet werden. Damit sollen Wellenlängenbereiche adressiert werden, die für die beteiligten Industriepartner von konkretem Interesse sind. Ein Teil des Projekts ist die diamantbasierte Verstärkung bei 1178 nm mit anschließender Frequenzverdopplung, um neue Leistungsrekorde auf der Frequenz der Natrium-D-Linie zu erreichen. Sie findet speziell in der Astronomie für sogenannte Laserleitsterne (laser guide star) Verwendung. Bei einem Laserleitstern handelt es sich um einen künstlich erzeugten Lichtpunkt an der oberen Atmosphäre, mit dem Luftunruhen bei erdgebundenen Teleskopen korrigiert und Weltraummüll überwacht wird.

Im mittleren Infrarot soll zunächst eine faserbasierte Pumpquelle oberhalb von 2,2 µm Wellenlänge durch Raman-Verschiebung eines Thulium-Faserlasers realisiert werden. Für mikrochirurgische Anwendungen ist durch weitergehende Frequenzkonversion im Diamant-Raman-Laser die Erzeugung maximaler Leistung um 3 µm Wellenlänge angestrebt. Außerdem kann die Pumpquelle auch direkt für die Materialbearbeitung von Kunststoff, speziell von Polyvinylbutyral (PVB) in Verbundsicherheitsglas, verwendet werden.

Unter der Leitung von TOPTICA wird das Projekt von der LISA Laser Products, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), HEGLA und der LAYERTEC durchgeführt. Das DiaRaman-Projekt wird bis Ende April 2019 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme »Effiziente Hochleistungs-Laserstrahlquellen (EffiLAS)« gefördert. Zuständiger Projektträger im Auftrag des BMBF ist die VDI Technologiezentrum.