Dank Spectral Beam Combining, SBC
Thuliumfaserlaser erreicht Weltrekordleistung
Am Fraunhofer IOF wurde ein Thuliumfaserlaser entwickelt, der den bisherigen Leistungsweltrekord nahezu verdoppelt. Das legt den Grundstein für Lasersysteme mit noch höheren Leistungen und eröffnet neue Perspektiven für die Materialbearbeitung, die optische Kommunikation und die Medizintechnik.
Hochleistungsfaserlaser sind ein vielseitig einsetzbares Werkzeug für zahlreiche technologische Anwendungen beispielsweise in der Materialbearbeitung oder der 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 nm gilt als besonders gut geeignet, weil die Atmosphäre dort wenig Verluste verursacht und gleichzeitig weniger Gefahr von Reflexen ausgeht.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF haben hier einen bedeutenden Meilenstein erreicht: Sie entwickelten ein System aus drei Hochleistungs-Thuliumfaserlasern, die Licht im Spektralbereich von 2030 bis 2050 nm emittieren und eine Ausgangsleistung von 1,91 kW erreichen. Das ist beinahe doppelt so viel wie bei herkömmlichen Systemen (~1,1 kW) – ein Leistungsrekord.
Spektrale Strahlkombination als Basis
Zentral dabei ist das Prinzip der spektralen 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 ermöglicht eine Leistungssteigerung des Faserlasersystems und erhält gleichzeitig die Strahlqualität und dadurch die gute Fokussierbarkeit des Laserstrahls.
Clevere Verbindungs- und Kühltechnik
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 sogenannte »kalte Spleißen«, eine verlustarme Faser-zu-Faser-Überkopplung und effektive Temperaturregulierung.
Das Herzstück: einzigartiges Beugungsgitter
Eine Schlüsselkomponente des Systems 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 2 µm nur für Laserleistungen von einigen hundert Watt. Die Kollegen 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 Prozent und bildet die Grundlage für unsere nächsten Leistungssprünge.«
Weitere Leistungssteigerungen geplant
Die Jenaer Forscher bauen nun auf ihrem bisherigen Rekord auf und entwickeln die Technologie konsequent weiter. »Wir haben die technologischen Voraussetzungen geschaffen, um Lasersysteme mit noch höherer Leistung und Zuverlässigkeit zu realisieren«, erklärt Dr. Till Walbaum, Gruppenleiter für Lasertechnologie am Fraunhofer IOF. »Unser Ziel ist es, die technologische Basis so zu optimieren, dass wir mit zuverlässigen Einzelquellen die nächste Leistungsstufe erreichen.« Die nächste große Herausforderung sei es nun, die 20-kW-Marke zu erreichen.
Neue Anwendungsmöglichkeiten
Die neuen Hochleistungs-Thuliumfaserlaser des Fraunhofer IOF eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, darunter medizinische Verfahren, Polymerverarbeitung sowie optische Datenübertragung. Ein wichtiger Vorteil der Laser: die verbesserte Augensicherheit. Streulicht mit einer Wellenlänge von 2 µm wird von der Hornhaut absorbiert und erreicht nicht die empfindliche Netzhaut, was einen sichereren Einsatz in industriellen und medizinischen Anwendungen ermöglicht.
Lesen Sie mehr zum Thema
