Ultrakurzpulslaser

Themenbroschüre Ultrakurzpulslaser

Themenbroschüre Ultrakurzpulslaser

Ultrakurzpulslaser (UKP) finden nicht nur in Wissenschaft und Forschung, sondern auch in der Industrie
immer größere Verbreitung. Die Erzeugung, Charakterisierung und Anwendung ultrakurzer Laserpulse ist
am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT seit nunmehr 20 Jahren Gegenstand der Forschung. Wir bieten
kundenspezifische Lösungen für verschiedenste Leistungsbereiche von wenigen Watt bis 1,5 kW und mehr
sowie für verschiedene Pulsenergien von µJ bis mJ bei Pulsdauern von 50fs bis 10ps.

Femtosekunden-Verstärker

Am Fraunhofer ILT nutzen unsere Experten ein breites Portfolio verschiedener Verstärker-Konzepte auf Basis von Yb-dotierten Kristallen. Dies beinhaltet Stäbchen-, INNOSLAB- und Scheibenverstärker. Im Allgemeinen zeichnen sich die Verstärker durch eine sehr gute Strahlqualität und nahezu bandbreitenbegrenzte Pulsdauern aus. Es werden zurzeit mittlere Leistungen von 1 W bis > 1 kW, Repetitionsraten von 10 kHz bis 100 MHz und Pulsenergien von einzelnen μJ bis 10 mJ adressiert. Folgende Beispiele zeigen die Vielfalt der am Fraunhofer ILT entwickelten UKP-Strahlquellen.

  • Kompakte 10 - 150 W-Verstärker

Für viele Anwendungen von Femtosekundenlasern ist eine mittlere Leistung von 10 W bis 150 W völlig ausreichend. Hier gibt es einen Bedarf an kostengünstigen und kompakten Verstärkern. Mit einem neuartigen Verstärkerkonzept wird dieser Leistungsbereich mit annähernd beugungsbegrenzter Strahlqualität von M² < 1,2 und rundem Strahlprofil abgedeckt. Die geringe Komponentenanzahl ermöglicht einen kostengünstigen, sehr kompakten und robusten Aufbau. Ohne Chirped-Pulse Amplification (CPA) erlaubt der Verstärker Pulsenergien von 5 μJ bei Pulsdauern von ca. 800 fs und Repetitionsraten im Bereich von 10 kHz bis 100 MHz. Mit einer einfachen und kompakten CPA können Pulsenergien von > 30 μJ erreicht werden.

  • Hochleistungs-INNOSLAB-Verstärker mit Raumfilterung

Yb: INNOSLAB-Verstärker erreichen Ausgangsleistungen bis in den kW-Bereich bei einer Strahlqualität von M2 = 1,05 x 1,40. Für manche Anwendungen ist die in einer Achse schlechtere Strahlqualität und die damit einhergehende Elliptizität des Strahlprofils störend. Beides kann bei Yb:INNOSLABVerstärkern durch einen kompakten Hochleistungsraumfilter auch bei höchsten Pulsspitzenleistungen und mittlerer Leistung im kW-Bereich verbessert werden. Bei 600 W mittlerer Ausgangleistung konnte durch Abschneiden von weniger als 10 Prozent der Leistung die Strahlqualität auf M² = 1,05 x 1,15 verbessert werden.

  • Hochleistungs-Scheibenverstärker

Basierend auf einem Scheibenmodul (TRUMPF) wurde ein Multipassverstärker aufgebaut. Dieser vergrößert die Ausgangsleistung eines Yb:INNOSLAB-Verstärkers von 630 W auf 1,5 kW bei 710 fs Pulsdauer. Dies ist für Pulsdauern < 1 ps ein neuer Weltrekord (Stand Mai 2015). Die Strahlqualität bei 1,5 kW mittlerer Leistung beträgt M2 = 1,5 x 2,0. Durch die hohe Seedleistung des INNOSLAB-Verstärkers kann der Scheibenverstärker mit 18 Übergängen auf der Scheibe einfach gehalten werden. Durch Optimierungen des Aufbaus und eine Erhöhung der Scheibendurchgänge bietet das Konzept Steigerungspotenzial zu noch deutlich größeren mittleren Leistungen und verbesserten Strahlqualitäten.

Pulskompression

Für die industrielle Materialbearbeitung werden in den letzten Jahren immer kürzere Pulse eingesetzt. Dies ermöglicht zum einen eine höhere Präzision und zum anderen völlig neue Bearbeitungsprozesse z. B. durch Mehrphotonen-Absorption oder Filament-Bildung in Glas. Eine hohe Produktivität erfordert hohe mittlere Leistungen von UKP-Lasern. Industriell eingesetzte UKP-Laser erreichen heute mittlere Leistungen von bis zu 150 W bei Pulsdauern zwischen 500 fs und 10 ps. Kürzere Pulsdauern mit hoher mittlerer Leistung sind aufgrund ihrer Bauart nicht direkt möglich.

Mit einem neuen flexiblen und kompakten Zusatzmodul kann die Pulsdauer um einen Faktor 4 verkleinert und damit die Pulsspitzenleistung um einen annähernd gleichen Faktor gesteigert werden. Das Zusatzmodul ist für jeden UKP-Laser geeignet und basiert auf einer nichtlinearen spektralen Verbreiterung mit anschließender Pulskompression. Das Verfahren erreicht eine hohe Effizienz von > 90 Prozent ohne die Strahlqualität zu beeinflussen. Alleinstellungsmerkmal ist die Möglichkeit, Laser mit mehreren 100 W mittlerer Leistung und Pulsenergien von 10 bis 200 μJ zu komprimieren. Damit wird der für industrielle Anwendungen relevante Bereich komplett abgedeckt.

Simulation

Für Auslegung, Design und Optimierung der Strahlquellen wurden umfangreiche Software-Tools entwickelt, mit denen die für UKP- und Hochleistungslaser relevanten Effekte abgebildet werden können. Diese ermöglichen eine geschlossene dreidimensionale Analyse des untersuchten Systems:

  • Wellenoptische Berechnung der Ausbreitung von Laserstrahlung sowie ihrer Transformation mittels aktiver und passiver optischer Elemente
  • Modellierung von 3- und 4-Niveau-Verstärkungsmedien
  • Berücksichtigung von Verstärkung, Pumplichtverteilung, Ratengleichungen, Wärmeleitung, des Kerr-Effekts, Selbstphasenmodulation, Dispersion und parasitären Effekten