Neuartige Ultrakurzpulslaser und Laserquellen für industrielle Anwendungen

Skalierung von Pikosekunden- und Femtosekunden-Laserquellen und Prozesstechnik bis 10 kW und mehr.

 

Seit mehr als einem Jahrzehnt sind Ultrakurzpuls-Laser (USP, Englisch: ultrashort-pulse) im Pikosekunden- (ps) oder sogar Femtosekundenbereich (fs) verfügbar, die schon früh eine breite Anwendung in der Glasstrukturierung mobiler Geräte gefunden haben. Die Fähigkeit, zahlreiche Materialien mit Mikrometerpräzision zu bearbeiten - ohne Spritzer oder thermische Nebenwirkungen - verspricht eine Erweiterung des Anwendungsspektrums für industrielle USP-Laser. Allerdings ist der Einsatz von USP-Lasern in Anwendungen, die hohe Wiederholraten und hohe Leistungen erfordern, um einen wirtschaftlich sinnvollen Durchsatz zu erreichen, bisher nur begrenzt möglich.

In der Tat gibt es einige wenige kommerzielle USP-Laserquellen auf dem Markt mit einigen 100W mittlerer Leistung, selbst wenn noch leistungsstärkere Quellen verfügbar wären, ist die Nutzung der zusätzlichen Leistung eine große Herausforderung, da ultrakurze Pulse ihre Fähigkeit zur »Kaltablation« verlieren, wenn zu viele von ihnen auf einen Spot fokussiert werden.

Die Fraunhofer-Gesellschaft hat diese Herausforderung erkannt und die Expertise von 13 Einzelinstituten in der Entwicklung einer neuen Generation solcher Systeme gebündelt, um die USP-Lasersysteme als große Chance zu nutzen. Der Fraunhofer-Exzellenzcluster Advanced Photon Sources (CAPS) will nicht nur die Grenzen der USP-Laserleistung überwinden, sondern auch Technologien entlang der Prozesskette von der Pulserzeugung über die Prozesstechnik bis hin zur realen Anwendung entwickeln.

Hochskalierung der Leistung

Eine der anstehenden Herausforderungen für die CAPS-Kooperationspartner ist die Umwandlung von Leistung in Durchsatz, was eine neue Prozesstechnologie für USP-Lasersysteme erfordert, die mit der Grundlagenforschung zur Laser-Materie-Wechselwirkung bei hohen Repetitionsraten und hohen Pulsenergien beginnt. Zudem rückt eine angemessene Leistungsverteilung in den Fokus, wofür verschiedene Ansätze getestet werden: Ein Konzept besteht darin, den Strahl in viele parallele Teilstrahlen aufzuteilen. Eine weitere Möglichkeit basiert auf den Einbau akusto-optischer Modulatoren in die Teilstrahlen, wodurch eine Art Laser-Matrix-Drucker entsteht, der durch Ein- und Ausschalten einzelner Strahlen erzielt werden kann. In einer dritten Version können die Teilstrahlen durch einen Flüssigkristallmodulator geschickt werden, der aus dem ursprünglichen Strahl nahezu beliebige Muster oder Strahleigenschaften erzeugen kann.

Laboraufbau von Multi-kW-Faserlasers.
© Fraunhofer IOF
Die Skalierung des Multi-kW-Ultrakurzzeit-Faserlasers basiert auf der kohärenten Kombination mehrerer Einzelstrahlen.

Faser- und Slab-Konzept

Ein Schlüssel zur Erzeugung von ultrakurzen Hochleistungslaserpulsen ist das richtige Verstärkungsschema. Im Zuge dessen setzen die Forscher zwei bewährte Konzepte mit erforderlichen Weiterentwicklungen um, die wesentliche Fortschritte in Richtung >10 kW Durchschnittsleistung ermöglichen. Eines basiert auf kohärent gekoppelten Faserverstärkern und lieferte bereits vielversprechende Ergebnisse. Demnach kommen aktuelle Tests auf eine Durchschnittsleistung ultrakurz-gepulster Laserstrahlung von 10,5 kW mit einer exzellenten Strahlqualität (M2 <1.2).

Darüber hinaus wird ein Innoslab-Verstärker herangezogen, der spezifische diodengepumpte Slabs verwendet und derzeit für 2 kW ausgelegt ist. Für die nächsten zwei Jahre wird eine Skalierung der Anlage auf bis zu 5 kW aus zwei Verstärkern und schließlich eine Verdopplung auf 10 kW durch eine scheibenbasierte Leistungsverstärkerstufe angestrebt. Parallel zu den Laserquellen wird ein Strahlführungssytem entwickelt, um die Strahlung effektiv zu nutzen.

Laboraufbau
© Fraunhofer ILT
Während die Laser weiterhin skaliert werden, stehen den Anwendern in den Applikationslabors identische kW-Quellen zur Verfügung.

Entwicklung von Anwendungen

Wie bereits erwähnt, werden die Quellen parallel zur Entwicklung einer geeigneten Verfahrenstechnik weiterentwickelt. Die Applikationslabore bieten mehrere Strahlquellen, eine umfangreiche Diagnostik und eine zunehmende Anzahl von Strahlführungssystemen. Die meisten der 13 Partner in der CAPS-Kollaboration arbeiten an Anwendungen dieser neuen USP-Laserquellen.

Fraunhofer-Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS

CAPS, derzeit mit 13 aktiven Partnerinstituten, beginnt mit der Entwicklung einer neuen Generation von USP-Lasersystemen mit hoher mittlerer Leistung. Die Zusammenarbeit nutzt zwei Applikationslabore mit faser- und slabbasierten Verstärkern, die mehrere Kilowatt Subpikosekunden-Laserpulse erzeugen. Parallel zu den Laserquellen wird die Technologie zu Strahlführung entwickelt, um die enormen Leistungskenndaten effektiv nutzen zu können. Während die Partner eine Reihe neuer Technologien entwickeln, ist es ihr Ziel, den USP-Laser zu einem Werkzeug zu machen, das die durchschnittlichen Leistungen der aktuellen CW-Faserlaser und die einzigartigen Eigenschaften der USP-Laser, einschließlich hoher Präzision und geringer oder keiner Abhängigkeit vom bearbeiteten Material, aufweist. Die CAPS-Anwendereinrichtung ist auch offen für Tests und Demonstrationen neuer Anwendungen aus der Industrie.

Weitere Informationen und Kontakte finden Sie unter www.caps.fraunhofer.de  

Laboraufbau
© Fraunhofer ILT
Im Rahmen von Fraunhofer CAPS soll die Leistung von UKP-Lasern auf mehr als 10 kW skaliert werden.

 

CAPS auf der Photonics West

Die neuartigen CAPS-Laserquellen werden in verschiedenen Vorträgen von unseren Kollegen im Rahmen der Konferenz LASE auf der Photonics West in San Francisco vorgestellt:

 

3. Februar 2020 | 13:30 – 14:00 Uhr

Michael Müller

7.2-kW ultrafast fiber laser based on coherent combination

Session: Coherent Combination of Fiber Lasers

 

4. Februar 2020 | 15:30 – 16:00 Uhr

Martin Gebhardt

Soft x-ray high order harmonic generation driven by high repetition rate ultrafast thulium-doped fiber lasers

Session: Thulium Doped Fiber Lasers and Amplifiers II

 

5 February 2020 | 11:10 – 11:30 Uhr

Christoph Stihler

The sensitivity of the mode instability threshold to different types of intensity noise

Session: Mode Instability/Stimulated Thermal Rayleigh Scattering

 

Weitere Informationen zum Messeauftritt des Fraunhofer IOF auf der Photonics West finden Sie unter:

https://www.iof.fraunhofer.de/de/presse-medien/pressemitteilungen/2020/photonics-west.html