Überwindung von Leistungshindernissen in Tm-dotierten Faserlasern durch spektrale Strahlkombination

Das Fraunhofer-Institut für Optik und Präzisionstechnik (IOF) ist führend in der Spitzenforschung und Innovation in den Bereichen Photonik, Präzision und optische Technologien. Das Fraunhofer IOF hat seinen Sitz in Jena, Deutschland, einem Zentrum für optische Wissenschaften, und hat sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Lösungen für industrielle, wissenschaftliche und technische Herausforderungen spezialisiert. Mit dem Fokus auf interdisziplinäre Zusammenarbeit zeichnet sich das Institut durch die Entwicklung kundenspezifischer optischer Systeme, Laser und Messlösungen aus, die Maßstäbe in Bezug auf Effizienz, Präzision und Skalierbarkeit setzen. Als Teil der renommierten Fraunhofer-Gesellschaft überbrückt das IOF die Lücke zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung, treibt den technologischen Fortschritt voran und fördert das Wirtschaftswachstum weltweit.

Friedrich Möller, Wissenschaftler in der Abteilung für Laser- und Fasertechnologie des Instituts, konzentriert sich auf die Skalierung von Hochleistungslasersystemen. Er und seine Kollegen haben Laser entwickelt, die auf Thulium (Tm)-dotierten Fasern basieren, die im Allgemeinen die Emission von Licht im Spektralbereich von 1850–2100 nm ermöglichen und somit erhebliche Vorteile für Anwendungen bieten, die so vielfältig sind wie medizinische Verfahren, die Polymerbearbeitung bis hin zur Freiraumkommunikation.

Die Herausforderung

Tm-dotierte Faserlaser bieten erhebliche Vorteile für eine Reihe von Anwendungen. Allerdings ist die Skalierung der durchschnittlichen Ausgangsleistung dieser Laser nach wie vor eine Herausforderung.

Tm-dotierte Faserlaser, die typischerweise bei 790 nm gepumpt werden, erzeugen während des Betriebs erhebliche thermische Belastungen. Diese Wärme beeinträchtigt die Führungseigenschaften der Faser, was zu transversaler Modeninstabilität (TMI) und potenziellen Faserschäden führt. Seit fast einem Jahrzehnt begrenzen diese Probleme die Ausgangsleistung von Tm-dotierten Faserlasern mit nahezu Beugung auf etwa 1 kW. Das Durchbrechen dieser Leistungsgrenze bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Strahlqualität und Betriebseffizienz stellte eine entscheidende Herausforderung für die Weiterentwicklung der Technologie dar.

Die Lösung

Um die Einschränkungen der Leistungsskalierung zu überwinden, mussten innovative Strategien zur Wärmesteuerung und neuartige Hochleistungsoptiken entwickelt werden, die alle eine hervorragende Strahlqualität gewährleisten. Die Lösung umfasste die Entwicklung eines Dual-Grating-Spektralstrahlkombinationssystems (SBC), das die Leistung mehrerer leistungsstarker Tm-dotierter Faserverstärker integrieren kann.

Der Ansatz konzentrierte sich auf drei individuell entwickelte Tm-dotierte Faserverstärker der kW-Klasse, die jeweils mit bestimmten Wellenlängen arbeiten, die für eine hohe atmosphärische Übertragung optimiert sind. Zu diesen Verstärkern gehörten die NuTDF LMA-TDF-25P/400-M-Fasern von Coherent, die für einen hocheffizienten Betrieb entwickelt wurden. LMA-TDF-25P

Eine Dual-Grating-Konfiguration für die Strahlkombination minimierte die Anforderungen an die Laser, um eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität zu gewährleisten. Kern des SBC-Systems waren neuartige Reflexionsgitter, die vom Fraunhofer-Institut für Optik und Präzision (IOF) in Jena, Deutschland, entwickelt wurden. Diese Gitter, die für zufällige Eingangspolarisationen entwickelt wurden, erreichten eine Beugung von über 94 % und ermöglichen eine präzise spektrale Strahlkombination mit einer Gesamtkombinationseffizienz von 90 %.

Das Ergebnis

Die Implementierung dieses fortschrittlichen SBC-Systems führte zu bahnbrechenden Ergebnissen:

• Rekordverdächtige Ausgangsleistung: Die kombinierte Ausgangsleistung erreichte 1,91 kW, was einen wichtigen Meilenstein bei der Leistung des Tm-dotierten Faserlasers darstellt.

• Hohe Strahlqualität und -effizienz: Jeder Verstärker lieferte TMI-freie Single-Mode-Ausgangsleistungen von mehr als 700 W, mit Verstärkungseffizienzen von etwa 60 % und spektralen Linienbreiten unter 115 pm.

• Skalierbarkeit: Das Dual-Grating-System wies ein Skalierbarkeitspotenzial von mehr als 20 kW durchschnittlicher Ausgangsleistung auf. Die thermischen Leistungskennzahlen zeigten eine geringe thermische Neigung von 6,8 K/kW am Kombinationsgitter, was seine Eignung für anspruchsvolle Hochleistungsanwendungen unterstreicht.

Diese Errungenschaft ebnet den Weg für weitere Fortschritte in der Tm-dotierten Lasertechnologie und eröffnet Möglichkeiten für deren Einsatz in medizinischen, industriellen und Verteidigungssystemen der nächsten Generation, die hohe Leistung und außergewöhnliche Strahlqualität erfordern.

REFERENZEN:

[1] T. Ehrenreich, R. Leveille, I. Majid und K. Tankala, „1 kW, Vollglas-Tm: Faserlaser“, vorgestellt auf der SPIE Photonics West: Faserlaser VII: Technologie, Systeme und Anwendungen (2010).

[2] B. M. Anderson, J. Solomon und A. Flores, „1,1-kW-Thulium-dotierter Vollfaserverstärker mit Strahlkombinierbarkeit“, Proc. SPIE 11665, Faserlaser XV III: Technologie und Systeme, 116650B (5. März 2021).

[3]    R. Sims, C. Dies, P. Kadwani, T. McComb, L. Shah, V. Sudesh, Z. Roth, M. Poutous, E. Johnson und M. Richardson, „Spectral beam combine of 2μm Tm Faserlaser systems“, Optics Communications, 284(7), 1988–1991 (2011).

[4] L. Shah, R. Sims, P. Kadwani, C. Attenis, J. B. Bradford, A. Sincore und M. Richardson, „Hochleistungs-Spektralstrahlkombination linear polarisierter Tm:Faserlaser“, Appl. Opt. 54(4), 757–762 (2015).

[5] F. Möller, T. Lühder, B. Yildiz, T. Walbaum, T. Schreiber, „Spektralstrahlkombination von Thulium-dotierten Faserlasern der kW-Klasse“, Proc. SPIE 12865, Faserlaser XXI: Technologie und Systeme, 128650S (12. März 2024)

[6] P. Madasamy, D. Jander, C. Colleges, T. Loftus, A. Thomas, P. College und E. Honea, „Dual-Grating Spectral Beam Combiner für Hochleistungs-Faserlaser“, in: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15(2), 337–343, (2009).