Aufgrund von kürzeren Pulsdauern erreichen Pikosekundenlaser verglichen mit Nanosekundenlasern eine höhere Bearbeitungsqualität in der hochpräzisen medizinischen und industriellen Mikromaterialbearbeitung. Bis dato wird dieser Markt nur durch modengekoppelte Lasersysteme adressiert, die aus komplexen, justageempfindlichen Aufbauten bestehen und daher mit hohen Kosten verbunden sind. Dies steht einem breiten Markteintritt dieser Lasersysteme trotz der höheren Bearbeitungsqualität entgegen.
Das Ende Dezember 2014 abgeschlossene Verbundprojekt „iPLASE“ (innovatives Pikosekunden-Lasersystem für die hochpräzise industrielle Materialbearbeitung) hatte daher ein Strahlquellenkonzept zum Ziel, mit dem durch die innovative Kombination von kostengünstig produzierbaren, passiv-gütegeschalteten Mikrochiplasern mit einer Pulskompression eine attraktive Alternative zu den bisherigen sub-10-ps Lasern etabliert werden kann.
Zur Erreichung einer industrietauglichen robusten Umsetzung des Konzeptes wurden bereits während der Projektlaufzeit von Januar 2012 bis Dezember 2014 Wege zur Faserintegration des Gesamtsystems erforscht.
Gefördert wurden die gut drei Jahre dauernden Entwicklungsarbeiten vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Förderschwerpunkt „Ultrakurzpulslaser für die hochpräzise Bearbeitung“ innerhalb des Programms „Photonik Forschung Deutschland“. Projektpartner waren die BATOP GmbH, die Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG sowie das Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Jena.
Im Rahmen des iPLASE Projektes sind am IAP sowohl im Bereich der modengekoppelten Lasern etablierte Methoden zur Pulskompression bei gütegeschalteten Lasern ausgetestet als auch eine gänzlich neue Methode erfunden und demonstriert worden. Durch eine Hintereinanderschaltung der etablierten und der neuen Methoden konnte sogar das ursprüngliche Ziel der Erzeugung von Pulsdauern im sub-10-ps Bereich deutlich übertroffen werden.
In einem ab der Faserkopplung des Microchiplasers komplett faserintegrierten System konnten Pulse mit einer Dauer von 170 fs erzeugt werden. Darüber hinaus wurde am IAP die Faserverstärkung der Pulse untersucht und Ausgangsleistungen von 80 W bei einer Pulswiederholrate von 1 MHz erreicht.
Bei der Firma BATOP wurde der Microchip-Oszillator für den Betrieb in Transmission auf der Basis eines sättigbaren Auskopplers (SOC) mit neuartigem Design entwickelt und die Montage mit Faserkopplung der Microchips durchgeführt. Die so hergestellten miniaturisierten Pulslaser sind mit einer aktiven Fläche von 1,5 mm x 1,5 mm extrem kompakt.
Ein Vorteil dieser neuen SOCs im Vergleich zur herkömmlichen Reflexionsanordnung ist ein sehr kompakter, hybrider und damit stabiler Laser- und Pumplichtaufbau, der eine hohe Faserintegration des Microchiplasers erlaubt. Mit diesen SOCs wurden Microchiplaser in Transmission aufgebaut und Ausgangsleistungen bis 65 mW, Pulswiederholraten bis 400 kHz und Pulsenergien bis 170 nJ erzielt.
Ein Vorteil der neuen SOCs im Vergleich zur herkömmlichen Reflexionsanordnung ist ein sehr kompakter, hybrider und damit stabiler Laser- und Pumplichtaufbau, der eine hohe Faserintegration des Microchiplasers erlaubt.
Die Arbeiten bei Coherent waren auf die Erforschung der industrietauglichen Umsetzung des Gesamtsystems fokussiert. Dazu gehörte neben der Untersuchung geeigneter, innovativer Aufbau- und Verbindungstechniken auch die Stabilisierung der Pulswiederholrate des passiv-gütegeschalteten Microchiplasers.
Zu Ende des Projektes wurde erfolgreich ein ab der Faserkopplung des Microchiplasers komplett faserintegriertes Funktionsmodell aufgebaut, in das alle während der Projektlaufzeit gewonnenen Erkenntnisse eingeflossen sind.
Die Firmen BATOP und Coherent streben sowohl die wirtschaftliche Verwertung der SOC-basierten Microchiplaser einzeln als auch die Umsetzung des Strahlquellenkonzeptes samt Pulskompression zu einem neuen Produkt an. Dies wird dabei helfen, neue Märkte zu erschließen und neue Arbeitsplätze in Deutschland zu schaffen.