Überwindung der Leistungsbarriere bei Tm-dotierten Faserlasern durch spektrale Strahlkopplung

Das Fraunhofer-Institut für Optik und Feinmechanik (IOF) steht an der Spitze der Spitzenforschung und Innovation in den Bereichen Photonik, Feinmechanik und Optik.Das Fraunhofer IOF mit Sitz in Jena, einem historischen Zentrum der Optikwissenschaft, hat sich auf die Entwicklung hochentwickelter Lösungen für industrielle, wissenschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen spezialisiert. Mit Schwerpunkt auf interdisziplinärer Zusammenarbeit zeichnet sich das Institut durch die Entwicklung maßgeschneiderter optischer Systeme, Lasertechnologie und Messlösungen aus, die Maßstäbe in Sachen Effizienz, Präzision und Skalierbarkeit setzen.Als Teil der renommierten Fraunhofer-Gesellschaft schließt das IOF die Lücke zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung, treibt den technologischen Fortschritt voran und fördert das weltweite Wirtschaftswachstum.

Friedrich Meller, Wissenschaftler in der Abteilung für Laser- und Fasertechnik des Instituts, konzentriert sich auf die Skalierung von Hochleistungslasersystemen. Er und seine Kollegen haben einen Laser aufBasis einer mit Thulium (Tm) dotierten Faserentwickelt,derdie Emission von Licht im Spektralbereich von 1850 bis 2100 nm ermöglicht.Dieser Laser bietet wichtige Vorteile für vielfältige Anwendungen, von der Polymerverarbeitung über die Freiraumkommunikation bis hin zu medizinischen Eingriffen.

Aufgabe

Tm-dotierte Faserlaser bieten in verschiedenen Anwendungsbereichen große Vorteile, doch die Skalierung ihrer mittleren Ausgangsleistung stellt nach wie vor eine Herausforderung dar.

Tm-dotierte Faserlaser, die üblicherweise bei 790 nm angeregt werden, erzeugen während des Betriebs eine erhebliche thermische Belastung.Diese Wärme beeinträchtigt die induktiven Eigenschaften der Faser und führt zu Transversalmodeninstabilität (TMI) sowie der Gefahr von Faserschäden. Seit fast einem Jahrzehnt hat diese Problematik die Leistung von Tm-dotierten Faserlasern im nahen diffraktionsbegrenzten Bereich auf etwa 1 kW begrenzt. Die Überwindung dieser Leistungsgrenze bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Strahlqualität und des Betriebseffizienzes war eine wichtige Herausforderung für den technologischen Fortschritt.

Lösung

Um die Grenzen der Leistungsskalierung zu überwinden, waren innovative Strategien zur Wärmeableitung und zur Steuerung neuer, hochleistungsfähiger kombinierter optischer Systeme erforderlich. All diese Komponenten sind darauf ausgelegt, eine hervorragende Strahlqualität zu gewährleisten. Zu dieser Lösung gehörte die Entwicklung eines Dual-Gitter-Spektral-Strahlkoppelungssystems (SBC), mit dem die Ausgangsleistungen mehrerer hochleistungsfähiger Tm-dotierter Faserverstärker gebündelt werden können.

Im Mittelpunkt dieses Ansatzes stehen drei speziell entwickelte Tm-dotierte Faserverstärker der kW-Klasse, die jeweils bei bestimmten Wellenlängen arbeiten, die für eine hohe atmosphärische Durchlässigkeit optimiert sind. Diese Verstärker sind mitCoherent LMA-TDF-25P/400-M-Fasern ausgestattet, die für einen hocheffizienten Betrieb ausgelegt sind.

Durch die Verwendung einer Dual-Gitter-Konfiguration für die Strahlkopplung konnten die Anforderungen an die Laserbandbreite auf ein Minimum reduziert und eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität sichergestellt werden.Das Herzstück des SBC-Systems bildete ein neues Reflektionsgitter, das vom Fraunhofer-Institut für Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena entwickelt wurde. Diese Gitter sind für zufällige Eingangspolarisation ausgelegt, erreichen einen Beugungswirkungsgrad von über 94 % und ermöglichen bei einem Gesamtkopplungswirkungsgrad von 90 % eine präzise Kombination der Spektralstrahlen.

Ergebnisse

Die Einführung dieses hochmodernen SBC-Systems hat zu bahnbrechenden Ergebnissen geführt.

• Rekordausgangsleistung: Die Gesamtleistung erreichte 1,91 kW undstellte einen wichtigen Meilenstein in der Leistungsfähigkeit von Tm-dotierten Faserlasern dar.

• Hohe Strahlqualität und Effizienz: Jeder Verstärker lieferte eine TMI-freie Single-Mode-Ausgangsleistung von über 700 W bei einer Verstärkungseffizienz von etwa 60 % und einer spektralen Linienbreite von weniger als 115 pm.

• Skalierbarkeit: Das Dual-Gitter-System zeigte das Potenzial für eine Skalierbarkeit auf eine durchschnittliche Ausgangsleistung von über 20 kW. Die thermischen Leistungsindikatoren wiesen bei gekoppelten Gittern einen niedrigen Temperaturgradienten von 6,8 K/kW auf, was die Eignung für anspruchsvolle Hochleistungsanwendungen unterstreicht.

Diese Ergebnisse ebnen den Weg für weitere Fortschritte in der Tm-dotierten Faserlasertechnologie und eröffnen neue Möglichkeiten für den Einsatz in medizinischen, industriellen und Verteidigungssystemen der nächsten Generation, die hohe Leistung und hervorragende Strahlqualität erfordern.

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