Kompaktere und kostengünstigere Ultrakurzpulslaser für die Industrie

BMBF-Verbundprojekt RASANT erforscht und entwickelt Erbium dotierte Faserlaser höchster Strahlqualität.

Kompakte Hochleistungs-RAMAN-Pumpquelle als Ergebnis des Projekts RASANT © Menlo Systems GmbH

05.02.14

BMBF-Verbundprojekt RASANT/ Menlo Systems GmbH

Bei Ultrakurzpulslasern lösen Erbium dotierte Faserlaser die Titan-Saphir-Festkörperlaser bei vielen Anwendungen ab. Sie sind kompakter, wirtschaftlich zu produzieren und zu betreiben, haben aber vielfach noch zu geringe Ausgangsleistungen. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundforschungsprojekt RASANT Ist man der Lösung dieses Problems ein großes Stück näher gekommen.

Das Herausragende bei Ultrakurzpulslasern, also Lasern mit Pulslängen im Bereich von Femtosekunden (1 fs = 10-15 Sekunden) ist, dass es eigentlich kaum Einschränkungen bezüglich der zu bearbeitenden Materialien gibt. Wegen extrem kurzer Pulslängen ist der Energieeintrag ins Material sehr klein und bricht lediglich die chemischen Bindungen der oberflächennahen Moleküle auf. Deshalb stellen sogar biologische Gewebe für diese Laser kein Problem dar.

Mit diesen Lasersystemen hat es in der jüngeren Vergangenheit bei der Mikrobearbeitung revolutionäre Fortschritte gegeben. Hier arbeitet die so genannte kalte Ablation mit vergleichbarer Genauigkeit wie konventionelle Verfahren, dabei jedoch umweltfreundlicher und meist wesentlich kosteneffizienter, speziell wenn mittels passender Optiken der Laserstrahl aufgeteilt wird und so größere Flächen bearbeitet werden können.

Ein weiteres viel versprechendes Verfahren ist ein Verfahren ähnlich dem 3D-Drucken, das dank Ultrakurzpulslaser wesentlich präziser arbeitet. Mit diesem Verfahren lassen sich 3D-Strukturen kleiner als 100 nm schreiben, etwa photonische Kristalle, das optische Äquivalent zu elektronischen Halbleitern. Dieses Verfahren ersetzt einen komplexen Prozess, ist also kostengünstiger und schneller. Dabei gilt, je leistungsfähiger der Laser, je schneller kann man diese Strukturen schreiben.

Für solche Anwendungen werden momentan oft große und teure Titan-Saphir-Laser eingesetzt. Aber für den breiten Einsatz in der Industrie stehen kompaktere, weniger komplexe und zudem kostengünstigere Laser auf der Wunschliste der Unternehmen.

Ziel: Ausgangsleistung von Kurzpulsfaserlasern um Faktor 10 anheben

Im BMBF-Verbundprojekts RASANT (Raman Pumpquellen für Hochleistungs- Femtosekunden-Faserlasersysteme) entwickelten unter Koordination der Firma Menlo Systems das Unternehmen Advanced Optics Solutions (AOS) und das Laserzentrum Hannover (LZH) einen Erbium dotierten Faserlaser, der die Bedürfnisse der Industrie bedienen kann. Da die frequenzverdoppelte Version des Erbiumlasers die gleiche Wellenlänge wie der Titan-Saphir-Laser hat, kann er diesen ohne große Umrüstung in der Industrie ersetzen.

"Im Projekt RASANT wählte man Kurzpulsfaserlaser mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich. Diese Laser sind augensicher und damit für viele Anwendungen prädestiniert. Um herkömmliche komplexe Festkörperlaser bei dieser Wellenlänge zu ersetzen muss die gegenwärtige Ausgangsleistung der Faserlaser mindestens um einen Faktor 10 angehoben werden", berichtet Dr. Rainer Scheunemann, Projektleiter bei Menlo Systems.

Um einen Laserstrahl zu erzeugen benötigt man ein laseraktives Medium und zwei Spiegel, so genannte Resonatoren. Das aktive Medium muss mit Licht gepumpt werden und speziell die Erbiumfaserlaser benötigen dazu Pumplichtquellen hoher Strahlqualität. Im Projekt RASANT wurden so genannte Raman-Laser als Pumplichtquelle für die Erbiumfaserlaser entwickelt.

Im Unterschied zu konventionellen Lasern, die immer Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden das abhängig vom aktiven Material ist, sorgt der physikalische Prozess der bei Raman-Lasern den Laserstrahl erzeugt, dass die Wellenlänge des ausgesandten Licht manipuliert werden kann. Sie kann also je nach dem kürzer oder länger als die des Pumplichts sein – unabhängig vom aktiven Medium.

Dass bei Faserlasern mit µm-dünnen Fasern auch Spiegel in derselben Dimension nötig sind, ist einzusehen. Dazu werden in die Fasern feinste Gitter – so genannte Faser Bragg Gitter (FBG) – mit Laserstrahlen eingeschrieben. Diese haben dieselbe Wirkung wie Spiegel, allerdings nur für Licht eines jeweils bestimmten, engen Wellenlängebereichs. Mittels verschachtelter Paare solcher FBGs lassen sich kaskadierte Raman-Faserlaser realisieren.

Dabei wird das Licht des Raman-Effekts zum Pumpen der jeweils nächsten Stufe benutzt, wobei die Wellenlänge des jeweils ausgesandten Laserstrahls sukzessive verlängert wird – dank Raman-Effekt. So lässt sich die Pumplichtwellenlänge stufenweise innerhalb eines großen Wellenlängenbereichs verschieben.

Im Projekt RASANT wurde diese Technik eingesetzt, um eine Pumpquelle mit 1480 nm Wellenlänge für Erbium dotierte Faserverstärker zu bauen, die aber selber mit einem Faserlaser von nur 1117 nm Wellenlänge gepumpt wurde.

Prototyp getestet: Leistung über 200 mW bei einer Pulsdauer von 150 fs

Der im Projekt entwickelte Laserverstärker besteht deshalb aus drei Hauptmodulen: dem eigentlichen Verstärker auf Erbium-Basis (A), dem Pumplaser für den Verstärker, einem Raman-Laser mit einer Ausgangswellenlänge von 1480nm (B) und dem Pumplaser des Raman-Lasers mit einer Ausgangswellenlänge von 1117nm (C). Dabei pumpt Laser C Laser B und dieser pumpt den Verstärker A.

Die FBGs wurden bei AOS entwickelt und in die Faser eingeschrieben. Die spektralen Eigenschaften der FBG bestimmen zusammen mit den jeweils verwendeten Fasern maßgeblich das Verhalten des Lasers, sowohl bei Laser B als auch bei Laser C. "Die Aufgabe von AOS in diesem Projekt war es, effiziente FBG-Resonatoren zu realisieren, die in der Wellenlänge an das mehrstufige Raman-Lasersystem mit einer Ausgangswellenlänge von 1480 nm angepasst waren", so Torsten Thiel, Projektleiter bei AOS. Basis waren Fasern, die speziell für den Ramanprozess geeignet waren.

"Am LZH kümmerten wir uns zunächst um den Aufbau eines geeigneten Ytterbium-Lasers mit einer Wellenlänge um 1117 nm als Pumplaser für den Raman-Laser. Die eigentliche Herausforderung bildete die Optimierung der nachfolgenden Ramanstufe, da die Verluste durch weitere innere Effekte in diesem Laser extrem minimiert werden mussten", fasst Dr. Peter Weßels, Wissenschaftler am LZH zusammen.

Auf diese Weise wurde am LZH in mehreren Entwicklungsschritten ein Prototyp mit einer Ausgangswellenlänge von 1480 nm, angepasst an die Anwendung als Pumplaser für den Erbium-Kurzpuls-Verstärker, aufgebaut, getestet und schließlich an Menlo Systems übergeben.

"Mit einer Leistung über 200 mW, einer Pulsdauer von 150 fs und einer Pulse-Wiederholrate von 100 MHz haben wir ein kompaktes System, wie es die Industrie will und das System läuft bei uns seit vielen Monaten problemlos", fasst Rainer Scheunemann zusammen. Die Pumpquelle ist sehr benutzerfreundlich und kostengünstig. Der nächste Schritt ist jetzt aus diesem leistungsfähigen System ein Marktprodukt zu machen.

Das RASANT-Projekt ist Anfang Mai 2011 im Rahmen der BMBF-Initiative „KMU-innovativ: Optische Technoloigen“ gestartet. Ende Oktober 2013 wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt RASANT

Kontakt

Oliver Neutert
Marketingleiter
Menlo Systems GmbH
Am Klopferspitz 19a
82152 Martinsried / München

Telefon +49-89-189166-152
Fax +49-89-189166-111
o.neutert@menlosystems.com

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