Überwindung der Leistungsbarriere bei Tm-dotierten Faserlasern durch Strahlkombination

Das Fraunhofer-Institut für Optik und Feinmechanik (IOF) steht an der Spitze der Forschung und Innovation in den Bereichen Photonik, Feinmechanik und Optik.Das Fraunhofer IOF hat seinen Sitz in Jena, einem traditionsreichen Zentrum der Optik, und entwickelt fortschrittliche Lösungen für industrielle, wissenschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen. Das Institut legt den Schwerpunkt auf interdisziplinäre Zusammenarbeit und ist auf die Entwicklung maßgeschneiderter optischer Systeme, Lasertechnologie und Messlösungen spezialisiert, 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 Möller, Wissenschaftler in der Abteilung für Laser- und Fasertechnik des Instituts, konzentriert sich auf die Weiterentwicklung von Hochleistungslasersystemen. Er und seine Kollegen habenLaser auf der Basis von mit Thermium (Tm) dotierten Fasern entwickelt, diein der Regel Licht im Spektralbereich von 1850 bis 2100 nm emittieren und damit erhebliche Vorteile für vielfältige Anwendungen bieten, die von medizinischen Verfahren über die Polymerverarbeitung bis hin zur Freiraumkommunikation reichen.

Herausforderung

Tm-dotierte Faserlaser bieten in zahlreichen Anwendungen erhebliche Vorteile, doch die Steigerung ihrer mittleren Ausgangsleistung stellt nach wie vor eine Herausforderung dar.

Tm-dotierte Faserlaser werden üblicherweise bei einer Wellenlänge von 790 nm gepumpt und erzeugen während des Betriebs eine erhebliche thermische Belastung. Diese Wärme beeinträchtigt die Führungseigenschaften der Faser, was zu transversaler Modeninstabilität (TMI) und potenziellen Schäden an der Faser führen. In den letzten zehn Jahren haben diese Probleme die Ausgangsleistung von Tm-dotierten Faserlasern, die nahe an der Beugungsgrenze arbeiten, auf etwa 1 kW begrenzt. Die Überwindung dieser Leistungsgrenze bei gleichbleibender Strahlqualität und Betriebseffizienz stellt eine entscheidende Herausforderung für die Weiterentwicklung der Technologie dar.

Lösung

Die Überwindung der Leistungsskalierungsgrenzen erfordert innovative Strategien zur Wärmeableitung sowie neuartige, hochleistungsfähige optische Kombinationsbauelemente, die alle darauf ausgelegt sind, eine hervorragende Strahlqualität zu gewährleisten. Die Lösung umfasst die Entwicklung eines Systems mit doppelter Gitter-Spektralstrahlkombination (SBC), das die Ausgänge mehrerer hochleistungsfähiger Tm-dotierter Glasfaserverstärker integrieren kann.

Im Mittelpunkt dieses Ansatzes stehen drei speziell entwickelte Tm-dotierte Glasfaserverstärker im Kilowattbereich, von denen jeder bei einer bestimmten Wellenlänge arbeitet und für eine hohe Transmission in der Atmosphäre optimiert ist. Diese Verstärker verwenden Coherent LMA-TDF-25P/400-M-Glasfasern, die speziell für einen hocheffizienten Betrieb ausgelegt sind.

Die Konfiguration mit zwei Gittern für die Strahlkombinierung minimiert die Anforderungen an die Bandbreite des Lasers und gewährleistet so eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität. Das Herzstück des SBC-Systems bildet ein neues reflektierendes Gitter, das vom Fraunhofer-Institut für Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena entwickelt wurde. Diese speziell für zufällige Eingangspolarisationen konzipierten Gitter erreichen einen Beugungswirkungsgrad von über 94 % und ermöglichen eine präzise spektrale Strahlkombination mit einem Gesamtwirkungsgrad von 90 %.

Ergebnisse

Die Implementierung dieses fortschrittlichen SBC-Systems hat bahnbrechende Ergebnisse erzielt:

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

• Hohe Strahlqualität und Effizienz: Die TMI-freie Ausgangsleistung im Single-Mode-Betrieb beträgt pro Verstärker mehr als 700 W, die Verstärkungseffizienz liegt bei etwa 60 % und die spektrale Linienbreite unter 115 pm.

• Skalierbarkeit: Das Doppelgittersystem zeigt ein Skalierungspotenzial von über 20 kW mittlerer Ausgangsleistung. Thermische Leistungsindikatoren zeigen eine thermische Steigung des kombinierten Gitters von nur 6,8 K/kW, was seine Eignung für anspruchsvolle Hochleistungsanwendungen unterstreicht.

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

Siehe:

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

【2】 B. M. Anderson, J. Solomon und A. Flores, „1,1-kW-Vollfaser-Verstärker mit Schwefeldotierung und Strahlkombinierung“, Proc. SPIE 11665, Faserlaser XVIII: Technologien und Systeme, 116650B (5. März 2021).

【3】 R. Sims, C. Willis, P. Kadwani, T. McComb, L. Shah, V. Sudesh, Z. Roth, M. Poutous, E. Johnson und M. Richardson, „Spectral Beam Combining in a 2-μm-Tm-Faserlasersystem“, Optics Communications,284(7), 1988–1991 (2011).

【4】 L. Shah, R. Sims, P. Kadwani, C. Willis, J. B. Bradford, A. Sincore und M. Richardson, „Kombination von Spektralstrahlen hoher Leistung aus linear polarisierten Tm:F-Faserlasern“, Appl. Phys. 54(4), 757–762 (2015).

【5】 F. Möller, T. Lühder, B. Yildiz, T. Walbaum, T. Schreiber, „Spektrale Strahlkombinationen bei Terawatt-Faserlasern mit Therm-Dotierung“, Proc. SPIE 12865, Faserlaser XXI: Technologie und Systeme, 128650S (12. März 2024)

【6】 P. Madasamy, D. Jander, C. Brooks, T. Loftus, A. Thomas, P. Jones und E. Honea, „Kombination von Spektralstrahlen mit zwei Gitter in Hochleistungs-Faserlasern“, veröffentlicht im IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15(2), 337–343, (2009).