Neue Faserkomponenten für Industrie-Hochleistungslaser

KMU-innovativ
02.12.2016
Erstellt von Laser Zentrum Hannover e.V., Autor: Dr.-Ing. Thomas Theeg

BMBF-Projekt PROLASE erforscht und entwickelt langzeitstabile und kostengünstige Faserkomponenten.

Die Materialbearbeitung durch Faser- und Diodenlaser mit brillanter Strahlqualität gewinnt für industrielle Fertigungsprozesse weiterhin an Bedeutung. Ein wichtiger Vorteil hierbei ist die wirtschaftlichere Arbeitsweise dieser Lasersysteme, verglichen mit konventionellen Bearbeitungsprozessen. Dabei ist die faseroptische Strahlführung zum Werkstück essenziell, da eine Freistrahlführung die hohen Anforderungen im Maschinen- und Anlagenbau nicht erfüllen kann.

Zur sicheren und gezielten Abführung der optischen Verlustleistung werden in faserbasierten Lasersystemen sogenannte Mantelmodenabstreifer MMA („pump light stripper“) eingesetzt. Ihr Prinzip basiert auf einer gezielten Störung der Totalreflexion in der Glasfaser auf einer Länge von typischerweise 20 bis 80 mm. Dazu werden an der Mantelfläche der Glasfaser Materialien mit einem höheren Brechungsindex (im Vergleich zu Quarzglas) aufgebracht oder strukturelle Veränderungen an der Glasfaseroberfläche vorgenommen.

Aus industrieller Sicht besteht bei den MMA zunehmend Bedarf hinsichtlich Kosteneinsparung, Langzeitstabilität, Leistungsstärke und der Erschließung neuer Wellenlängenbereiche (z.B. 2µm). In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „Faserkomponenten für brillante Hochleistungs-Laserstrahlquellen“ (PROLASE) werden genau diese Punkte adressiert.

Im Verbundprojekt  PROLASE untersuchen die Partner FOC&T GmbH, Laser Zentrum Hannover e.V., ROFIN-SINAR Laser GmbH und DILAS Diodenlaser GmbH neue Konzepte für leistungsfeste und vollständig faserbasierte MMA. Zur Erlangung dieser Zielsetzung wird mit einer Laserbearbeitungsplattform die Mantelfläche einer beliebigen Glasfaser auf einer Länge von 20 bis 60 mm strukturiert. Mit diesen Strukturen konnten in Doppelmantelfasern für Faserlaser sowie in Multi-Mode-Glasfasern für Diodenlaser-Faserkopplung Dämpfungswerte von über 20 dB erzielt werden – bei einer derzeit getesteten MMA-Leistungsaufnahme von bis zu 300 W, womit der Meilenstein des Projekts erfüllt wurde.

Aus produktionstechnischer Sicht bietet das laserbasierte Fertigungsverfahren ein hohes Maß an Flexibilität und Potenzial für enorm hohe Produktionsgeschwindigkeiten. Die hohe optische Effizienz und Leistungsfestigkeit der MMA in Kombination mit der wirtschaftlichen Produktionsweise ermöglichen die Gestaltung von neuartigen und kostengünstigen glasfaserbasierten Strahlführungssystemen.

Darüber hinaus wurde eine monolithische Diodenlaser-Faserkopplung entwickelt. Dazu wurde ein Quarzglasblock an Multi-Mode-Glasfasern mit Durchmessern im Bereich von 100 µm bis 400 µm angeschweißt und direkt am Fasereingang ein MMA integriert (siehe Abbildung). Mit dieser Faserkopplung wurden bislang mantelmodenfreie Leistungen von bis zu 500 W in Multi-Mode-Glasfasern geführt.

Im weiteren Projektverlauf wird die Komponente für Laserleistungen im kW-Bereich untersucht. Zusätzlich werden in Anlehnung an Simulationen noch zahlreiche Glasfaser-Oberflächenstrukturen analysiert, die je nach Faserdurchmesser und -apertur eine flexible Einstellung der lokal extrahierten Leistung und somit des Temperaturverhaltens in der Faserkomponente erlauben.

Der PROLASE-Verbund wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Photonik / Optische Technologien“ mit über 550.000 Euro gefördert. Der Verbund ist im Juli 2014 gestartet und wird nach dreijähriger Forschungs- und Entwicklungszeit in Juni 2017 abgeschlossen.

Kontakt

Dr. Jörg Neumann (Verbundkoordinator)
Laser Zentrum Hannover e.V.
E-mail: j.neumann(at)lzh.de
Telefon: 0511-2788-210