ONE2FEL

Innovative Komponenten für 2µm-Faserlaser hoher Leistung

One2FELZiel dieses Verbundvorhabens ist die Realisierung und Charakterisierung neuartiger, integriert-optischer Komponenten für den Aufbau hoch effizienter 2µm-Faserlaser mit Ausgangsleistungen bis zu 250W. Die angestrebten Laserquellen dürfen im Multimode-Betrieb arbeiten. Die Strahlqualität soll besser als M²=5 sein.

An die Gesamtsysteme werden höchste Anforderungen an die Kompaktheit, Mobilität und Zuverlässigkeit gestellt. Eine hohe Effizienz dieser Strahlquellen ist daher Leitfaden dieses Vorhabens und Ausgangspunkt für erfolgreiche Produkte auf den angestrebten Märkten. Hierzu ist es nötig, integriert-optische Lösungen für die Einzelelemente des Lasers zu definieren, zu designen und anzuwenden.

Die Umsetzung eines hocheffizienten Lasers ist mit Tm-dotierten Quarzfasern grundsätzlich möglich, da Thulium mit Anregung bei geeigneter Wellenlänge eine Quanteneffizient von annähernd 2 aufweist. Die sehr effiziente Anregung erfolgt über den Prozess der Kreuzrelaxation im Termschema des Thuliums, der nahezu einzigartig ist. Zur Umsetzung soll das Tm-Ion in Quarz bei 790nm angeregt werden.

Bei dieser Wellenlänge gibt es Diodenlaser, die als Breitstreifen-Barren aufgebaut sind. Um die angestrebten Ausgangsleistungen bei 2µm zu erreichen, werden Pumpleistungen bis zu 600W benötigt, die z.B. in eine 400µm Faser einzuleiten sind. Diese hohen Leuchtdichten bei 790nm sind kein Standard. Hier müssen Halbleiter-Barren mit optimierten Resonatoren konzipiert und umgesetzt werden, die mit geeigneten Optiken zuverlässig die erforderliche Pumpstrahlqualität zur Verfügung stellen. Um die hohe Gesamteffizienz der Systeme zu garantieren, ist auch hier eine hohe Effizienz der Strahlformung Ausgangspunkt der Designarbeiten.

Bestimmte Anwendungen erfordern eine Konstanz der Emissionswellenlänge besser als +/- 0,5nm. Die angestrebte Stabilisierung der Laserwellenlänge soll zum einen durch innovative, mittels Kurzpulslaser geschriebener Faser-Bragg-Gitter, zum anderen durch minimalisierte justierbare aber zugleich leistungsstabile Wellenlängenfilter realisiert werden. Solche integriert-optischen Elemente sind für den Wellenlängenbereich um 2µm kommerziell nicht verfügbar. Deren Erarbeitung bis hin zum Einsatz in faseroptischen Lasersystemen ist Ziel des Vorhabens.

Obgleich die Anzahl der Ein- und Austrittsflächen bei dem angestrebten Faserlasersystemen auf ein Minimum beschränkt werden soll, unterliegen die verbleibenden Strahlaustrittsflächen einer hohen Strahlungsbelastung. Die entsprechenden Probleme können durch Reduzierung der Flächenbelastung gelöst werden. Entsprechende Strahlaufweitungen kombiniert mit geeigneten Optiken führen zu funktionellen faseroptischen Ein- und Austrittsfenstern. Hier sollen entsprechende Konzepte entwickelt und realisiert werden. Eine Integration dieser Fenster in den Gesamtaufbau unter Ausnutzung entsprechender Verbindungstechniken ist notwendig.

Trotz hoher Integration verbleiben optische Grenzflächen, die mit entsprechenden Anti-Reflex-Schichten versehen werden müssen. Die üblichen dielektrischen Anti-Reflex-Schichten besitzen Absorptionseigenschaften, die ihre Leistungsverträglichkeit einschränken. Hier kann das Verfahren der Nano-Strukturierung zum Einsatz kommen. Die Kombination dieses Verfahrens mit Faseroptiken stellt aufgrund der kleinen funktionalen Flächen eine große technologische Herausforderung dar. Die Realisierung von Nano-Strukturen auf kleinen Flächen soll demonstriert und ihre Vorteile aufgezeigt werden.

Ansprechpartner

Dr. Peter Fuhrberg
LISA Laser Products GmbH
Max-Planck-Str. 15
37191 Lindau
e-mail: pfuhrberg@lisalaser.de
Tel.: (05556) 9938-35
Fax: (05556) 9938-12

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