Hochleistungsfaserlaser

Hochleistungsfaserlaser

Faserlaser setzen sich im Hochleistungssegment zunehmend gegenüber althergebrachten Festkörperlasern durch, da sie gute Systemintegrierbarkeit bei hoher Ausgangsleistung, guter Strahlqualität und einfacher Kühlung bieten. Insbesondere im Bereich der Materialbearbeitung steigt ihr Marktanteil kontinuierlich. Je nach Werkstück sind dabei unterschiedliche Arbeitswellenlängen von Vorteil. Am Fraunhofer IOF wurden daher Faserlasersysteme hoher Leistung in den Spektralbereich um 1 μm und 2 μm Wellenlänge erforscht.

Für die faserbasierte Laserverstärkung um 1 μm werden am Fraunhofer IOF seit einigen Jahren eigene Ytterbium-dotierte Fasern entwickelt und hergestellt. Durch Fortschritte im Faserdesign und in der Prozesskontrolle der Preformherstellung wurden Stufenindexfasern mit extrem niedriger numerischer Apertur möglich. Dies erlaubt eine Vergrößerung des Faserkerns bei Beibehaltung der transversalen Strahleigenschaften und resultiert in der Möglichkeit, hohe Laserleistungen im Grundmode-Betrieb durch Unterdrückung nichtlinearer Effekte zu erreichen. Parallel wurde die Wärmelast in der Faser durch geringe Dotierung reduziert, um thermischer Zerstörung und leistungslimitierenden thermischen Modeninstabilitäten entgegenzuwirken.

Mithilfe einer eigenen aktiven Faser mit 23 μm Kerndurchmesser und einer numerischen Apertur < 0,04 konnte am Fraunhofer IOF erstmals eine Laserleistung von 3,5 kW bei schmalbandiger Emission (180 pm Bandbreite) bei 1067 nm Wellenlänge realisiert werden. Dabei kam ein diodengepumptes zweistufiges Verstärkersystem zum Einsatz, das eine Kontrolle über die spektralen Eigenschaften des Lasers erlaubt. Modeninstabilitäten konnten durch die geringe Dotierung der aktiven Faser vollständig unterdrückt werden; eine nahezu grundmodige Strahlqualität blieb entsprechend erhalten. Durch Erhöhung der spektralen Bandbreite auf 7 nm konnten  leistungslimitierende nichtlineare Effekte vermieden und die Ausgangsleistung auf 4,3 kW gesteigert werden, limitiert nur durch die verfügbare Pumpleistung. Damit zeigte das Fraunhofer IOF die bisher höchste Laserleistung dieser Klasse.

Speziell für medizinische Anwendungen, aber auch für die Bearbeitung von Kunststoffen sind Laser im »augensicheren « Spektralbereich von 2 μm Wellenlänge von Interesse. Das Fraunhofer IOF entwickelte hierfür einen Faserlaser bei 1970 nm Wellenlänge auf Basis Thulium-dotierter Fasern. Die erhöhte Wärmeentwicklung im Lasermedium und die Reinheitsanforderungen an die verwendeten Glaskomponenten stellten dabei besondere Herausforderungen dar. Durch exzellente Kühlung und optimierte Spleißtechnologie konnte ein rein faserbasierter Oszillator mit 567 W Ausgangsleistung und guter Strahlqualität realisiert werden, der stabil betrieben werden konnte und in der Leistung nur durch die verfügbare Pumpleistung beschränkt war.