Überwindung der Leistungsbarriere bei Tm-dotierten Faserlasern durch Spektralstrahlkopplung

Das Fraunhofer IOF (Institut für Optik und Feinmechanik) steht an der Spitze der Spitzenforschung und Innovation in den Bereichen Photonik, Feinmechanik und Optik. Mit Sitz in Jena, einem historischen Zentrum der Optikwissenschaft, ist das Fraunhofer IOF auf die Entwicklung fortschrittlicher Lösungen für industrielle, wissenschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen spezialisiert. Mit seinem Schwerpunkt auf interdisziplinärer Zusammenarbeit zeichnet sich das Institut durch die Entwicklung maßgeschneiderter optischer Systeme, Lasertechnologien und Messlösungen aus, die Maßstäbe in Sachen Effizienz, Präzision und Skalierbarkeit setzen. Als Mitglied der renommierten Fraunhofer-Gesellschaft überbrückt das IOF die Kluft zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung, um den technologischen Fortschritt voranzutreiben und das weltweite Wirtschaftswachstum zu fördern.

Friedrich Möller, Wissenschaftler in der Abteilung für Laser- und Fasertechnik des Forschungsinstituts, konzentriert sich auf die Weiterentwicklung von Hochleistungslasersystemen. Er und seine Kollegen entwickeln Laser auf der Basis von mit Thulium (Tm) dotierten Fasern, die die Emission von Licht im Spektralbereich von 1850 bis 2100 nm ermöglichen und damit erhebliche Vorteile für verschiedene Anwendungsbereiche wie medizinische Eingriffe, die Polymerverarbeitung und die Freiraumkommunikation bieten.

Aufgabe

Tm-dotierte Faserlaser bieten in verschiedenen Anwendungsbereichen erhebliche Vorteile, doch die Steigerung der mittleren Ausgangsleistung dieser Laser stellt nach wie vor eine ständige Herausforderung dar.

Tm-dotierte Faserlaser, die üblicherweise bei 790 nm gepumpt werden, erzeugen während des Betriebs eine erhebliche thermische Belastung. Diese Wärme beeinträchtigt die Wellenleitungseigenschaften der Faser und führt zu Transversalmodeninstabilität (TMI) sowie potenziellen Faserschäden. Aufgrund dieser Probleme war die Ausgangsleistung von Tm-dotierten Faserlasern mit naher Beugungsgrenze fast ein Jahrzehnt lang auf etwa 1 kW begrenzt. Das Durchbrechen dieser Leistungsgrenze bei gleichbleibender Strahlqualität und Betriebseffizienz war eine wichtige Herausforderung für den technologischen Fortschritt.

Lösung

Um die Grenzen der Leistungsskalierung zu überwinden, waren innovative Strategien zur Bewältigung der Wärmeentwicklung und zur Steuerung der neuen, leistungsstarken optischen Komponenten erforderlich, die alle darauf ausgelegt sind, eine hervorragende Strahlqualität zu gewährleisten. Zu dieser Lösung gehörte die Entwicklung eines Dual-Gitter-SBC-Systems (Spectral Beam Combiner), mit dem die Ausgangsleistungen mehrerer leistungsstarker Tm-dotierter Faserverstärker gebündelt werden können.

Im Mittelpunkt dieses Ansatzes stehen drei speziell entwickelte Tm-dotierte Faserverstärker im kW-Bereich, wobei jeder Verstärker bei einer bestimmten Wellenlänge arbeitet, die für eine hohe atmosphärische Durchlässigkeit optimiert ist. Diese Verstärker integrieren die Coherent LMA-TDF-25P/400-M-Faser, die für einen hocheffizienten Betrieb ausgelegt ist.

Die Konfiguration mit zwei Gittern für die Strahlkopplung minimiert die Anforderungen an die Laserbandbreite und gewährleistet so eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität. Das Herzstück des SBC-Systems bildete ein neues Reflexionsgitter, das vom Fraunhofer-Institut für Optische Feinmechanik (IOF) in Jena entwickelt wurde. Dieses Gitter, das für zufällige Eingangspolarisation ausgelegt ist, erreicht einen Beugungswirkungsgrad von über 94 % und ermöglicht so einen Gesamtkopplungswirkungsgrad von 90 % sowie eine präzise spektrale Strahlkombination.

Ergebnis

Durch die Implementierung dieses hochmodernen SBC-Systems konnten wir folgende bahnbrechende Ergebnisse erzielen:

• Rekordleistung: Die kombinierte Leistung erreichte 1,91 kW, was einen wichtigen Meilenstein in der Leistungsfähigkeit von Tm-dotierten Faserlasern darstellt.

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

• Skalierbarkeit: Das Doppelgitter-System hat sein Skalierungspotenzial unter Beweis gestellt, wobei die durchschnittliche Ausgangsleistung 20 kW übersteigen kann. Die thermischen Leistungsindikatoren zeigen einen niedrigen thermischen Gradienten von 6,8 K/kW im kombinierten Gitter und unterstreichen damit die Eignung für anspruchsvolle Hochleistungsanwendungen.

Diese Erfolge ebnen den Weg für weitere Fortschritte in der Tm-dotierten Faserlasertechnologie und bieten die Möglichkeit, diese in medizinischen, industriellen und Verteidigungssystemen der nächsten Generation einzusetzen, die hohe Leistungen und hervorragende Strahlqualität erfordern.

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