Neue Faserkomponenten verbessern industrielle Fertigung

KMU-innovativ
11.01.2019
Erstellt von Laser Zentrum Hannover e. V. und Photonik Forschung Deutschland

Produktionsprozesse flexibler und effizienter gestalten: BMBF-Projekt PROLASE entwickelt langzeitstabile und kostengünstige Faserkomponenten zur sicheren Abführung von hohen optischen Verlustleistungen.

Nahaufnahme einer Glasfaser angeschweißtem kreisförmigem Quarzglassubrat
An ein Quarzglassubstrat gefügtes Glasfaserende mit integriertem Mantelmodenabstreifer (MMA). Bild: Laser Zentrum Hannover e.V.

Faser- und Diodenlaser werden häufig in der industriellen Fertigung eingesetzt. Oft ist eine faseroptische Strahlführung zum Werkstück notwendig, um den hohen Stabilitätsanforderungen des Prozesses zu genügen. In derartigen glasfaserbasierten Lasersystemen werden sogenannte Mantelmodenabstreifer (MMA, engl.: „cladding light stripper“) eingesetzt, um optische Verlustleistung sicher und gezielt abzuführen. Die Funktionsweise eines solchen MMA basiert auf einer gezielten Störung der Totalreflexion in der Glasfaser auf einer Länge von einigen Zentimetern. Dazu werden an der Mantelfläche der Glasfaser Materialien mit einem höheren Brechungsindex (im Vergleich zu Quarzglas) aufgebracht oder die Glasfaseroberfläche strukturell verändert.

Im Fokus: Kosteneinsparung, Langzeitstabilität und Leistungsstärke

Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt „Faserkomponenten für brillante Hochleistungs-Laserstrahlquellen“ (PROLASE) entwickelten die Verbundpartner FOC&T GmbH, Laser Zentrum Hannover e.V., Coherent, ROFIN-SINAR Laser GmbH und DILAS Diodenlaser GmbH ein neues Verfahren zur Herstellung vollständig faserbasierte MMAs, das den industriellen Anforderungen hinsichtlich Kosteneinsparung, Langzeitstabilität und Leistungsstärke entspricht. Die MMAs wurden zum einen in optische Stecker zur Faserkopplung integriert, zum anderen als integrierte Version direkt in Hochleistungsfaserlasern genutzt, wo sie beispielsweise zur Abführung der Rest-Pumplichtleistung eingesetzt wurden.

Verfahren auch für Hochleistungssysteme geeignet

Zur Herstellung der MMAs wählte das Projektteam ein Verfahren, das auf der Strukturierung der Mantelfläche einer beliebigen Glasfaser, auf einer Länge von 20 bis 60 mm, mit einem CO2-Laser beruht. Sowohl in Doppelmantelfasern für Faserlaser als auch in multimodigen Glasfasern für eine Diodenlaser-Faserkopplung erreichten sie dabei Dämpfungswerte im Fasermantel von über 20 dB bei einer Wellenlänge um 1 µm. Bei einer getesteten MMA-Leistungsaufnahme von bis zu 300 W konnten sie zudem die Eignung für Hochleistungssysteme unter Beweis stellen.

Mit der entwickelten CO2-Laser-Bearbeitungsstation lässt sich der Fasermantel variabel strukturieren. So konnten die Forscher mittels Simulationen Glasfaser-Oberflächenstrukturen untersuchen, die eine flexible Einstellung der lokal extrahierten Leistung und somit des Temperaturverhaltens in der Faserkomponente ermöglichen.

Hohe Effizienz und Leistungsfestigkeit demonstriert

Zusätzlich entstand eine monolithische Diodenlaser-Faserkopplung. Dazu wurde ein antireflex-beschichtetes Quarzglassubstrat an multimodige Glasfasern mit Durchmessern im Bereich von 100 µm bis 400 µm, ebenfalls mit Hilfe eines CO2-laserbasierten Verfahrens, angeschweißt und direkt am Fasereingang ein MMA integriert (siehe Bild oben). Mit dieser Faserkopplung wurden mantelmodenfreie Leistungen von bislang mehr als 700 W in multimodigen Glasfasern geführt.

Fazit: Im Projekt PROLASE wurden MMAs mit hoher optischer Effizienz und Leistungsfestigkeit demonstriert. Der technische Ansatz erlaubt auch die Erschließung neuer Wellenlängenbereiche (z. B. 2 µm) für die MMAs. Die verwendeten CO2-laserbasierten Verfahren ermöglichen flexible Produktionsprozesse und bieten zugleich ein großes Potenzial für eine enorm kostengünstige Herstellung bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten.

Weitere Informationen

Zum Projekt PROLASE

Zur Bekanntmachung KMU-innovativ: Photonik/Optische Technologien