20.07.2012

Universität Konstanz

Grünes Licht vom Laser

Konstanzer Physiker und die Firma Trumpf Laser schaffen erneuten Laser-Weltrekord

Bei der Impulsenergie waren sie zuvor bereits Weltmeister, jetzt haben sie auch im Bereich Ausgangsleistung die Spitze erreicht: Im Zentrum für Angewandte Photonik (CAP) an der Universität Konstanz, und da speziell in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thomas Dekorsy, wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Trumpf Laser GmbH + Co. KG ein Laser weiterentwickelt, mit dem die beiden Kooperationspartner bereits vor vier Jahren Rekorde gebrochen haben.


Nun konnte die Ausgangsleistung auf 145 Watt und die Impulsenergie auf 41 Mikrojoule gesteigert werden. Mit dieser Weiterentwicklung könnte – neben dem Einsatz in der Grundlagenforschung – unter anderem auch die Solarzellenherstellung weiter optimiert werden. Die Ergebnisse wurden bei der Open-Access-Zeitschrift „Optics Express“ veröffentlicht.

Der Laser sendet Impulse aus, die die Dauer einer Pikosekunde haben, das sind 10^-12 Sekunden. In dieser kurzen Zeitspanne legt ein Überschallflugzeug das Tausendstel eines Haardurchmessers zurück. Der neue Laser mit 145 Watt Ausgangsleistung ermöglicht eine verbesserte Frequenzkonversion. Wenn ein Pikosekunden-Laserimpuls mit dieser Leistung und der Wellenlänge eines Mikrometers, das sind 10^-6 Meter, durch einen nichtlinear-optischen Kristall geschickt wird, wird die Wellenlänge halbiert oder die Frequenz verdoppelt. Aus dem Kristall tritt – anstatt des anfänglichen unsichtbaren Lichts – grünes Licht, das immer noch fast 100 Watt Leistung besitzt. Möglich ist sogar, durch einen weiteren Kristall die Frequenz zu verdreifachen, wodurch der ultraviolette Spektralbereich erreicht wird.

Das grüne Licht des Lasers könnte etwa bei der Solarzellenfertigung einen enormen Entwicklungsschub befördern. Das grüne Licht wird viel besser vom Silizium absorbiert als das nicht sichtbare Licht, was eine deutlich effektivere Bearbeitung zur Folge hat. „Entscheidend bei der Anwendung ist, wie viel Energie solch ein Impuls hat und dass die ganze Energie in dem kurzen Impuls gebündelt ist. Mit unserem Laserstrahl fliegt das Material einfach weg, ohne das Material zu erhitzen“, erklärt Thomas Dekorsy, was beispielsweise beim Ziehen der Isolationsgräben oder dem elektrischen Kontaktieren auf Siliziumscheiben passieren würde, käme der neue Laser zum Einsatz. Außerdem würde sich die Produktionszeit verkürzen und die Bearbeitungsqualität verbessern. Zum Vergleich: Die Leistung des grünen Lichts entspricht 100.000 Laserpointern, gebündelt in einem einzigen Strahl.

Dominik Bauer, Mitarbeiter an der Professur Dekorsy, hat in der Niederlassung der Firma Trumpf in Schramberg im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Weiterentwicklung des Lasers gearbeitet. Die technische Plattform der Firma, die langjährige Erfahrung in der Laserentwicklung hat, bilden speziell von ihr entwickelte Laserscheiben. Der Anteil, den Dominik Bauer vor Ort in die Entwicklungsarbeiten eingebracht hat, ist technischer und grundlagentheoretischer Natur. Letzteres gehört vor allem in den Bereich der nichtlinearen Optik. „Bei den realisierten Lichtleistung verhält sich Luft nicht mehr wie ein einfaches Medium, durch das ein Laserstrahl durchgeht, sondern der Brechungsindex der Luft verändert sich durch den Laserstrahl“, stellt Dominik Bauer die Schwierigkeit dar. Folge ist, dass der sehr kurze Laserimpuls in der Luft „auseinanderlaufen“ und damit seine Effektivität, die gerade auf seiner Kürze liegt, verlieren würde. Dieser Effekt, der sich im Laser selbst abspielt, wird durch spezielle Spiegel, die in dem neuen Laser nochmals verbessert wurden, wieder rückgängig gemacht. „Natürlich ist die bei Trumpf entwickelte Technologie ein wichtiger Aspekt bei der Weiterentwicklung des Lasers“, sagt Dominik Bauer.

Das Centrum für Angewandte Photonik an der Universität Konstanz hat sich zum Ziel gesetzt, in industriellen Kooperationen Grundlagenforschung in Produktentwicklungen umzusetzen. „In den optischen Technologien laufen grundlegende Neuentwicklungen sehr schnell ab. Jede Anwendung, die mit Lasern durchführbar ist, wird auch mit Lasern gemacht werden. Eine sauberere und bessere Verarbeitungsmethode gibt es nicht“, so Thomas Dekorsy.

Originalveröffentlichung: D. Bauer, I. Zawischa, D. H. Sutter, A. Killi, T. Dekorsy: „Mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator with 41 µJ pulse energy at 145 W average infrared power and high power frequency conversion", Optics Express 20, 9698, (2012)

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