Vom Labor bis zu den Sternen: Hochleistungslaserquellen aus Diamant

Effiziente Frequenzkonversion in einem optischen Resonator. Bild: TOPTICA Photonics AG

Das jüngst gestartete Verbundprojekt DiaRaman möchte neue Wellenlängenbereiche im Hochleistungslasersektor erschließen und damit prozessoptimierte Anwendungen ermöglichen. Als Verstärkungsmedium dienen neuartige Diamant-Einkristalle, welche exzellente thermische Eigenschaften mit breitbandiger Transparenz und hoher Raman-Aktivität verbinden.

Für viele potenzielle Anwendungen der Lasertechnik sind prozessoptimierte Wellenlängen von Interesse. Häufig fehlt es jedoch an aktiven Materialien zur Verstärkung auf ausreichende Leistung im relevanten Spektralbereich. Das Projekt DiaRaman adressiert diese Problematik, indem das Konsortium die Verwendung von Raman-Verstärkung zur Erschließung neuer Wellenlängenbereich im Hochleistungssektor vorantreibt. Aufgrund der thermo-optischen Limitierungen üblicher Raman-Laser wird dafür mit dem Einsatz von Diamant als neuartigem Verstärkungsmedium ein hochgradig leistungsskalierbarer Ansatz verwendet.

Durch seine exzellenten thermischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit fünfmal besser als Kupfer, fast zweitausendfach so groß wie Glas), seine breitbandige Transparenz sowie seine hohe Raman-Verschiebung und -Verstärkung eignet er sich insbesondere zur Verstärkung im mittleren Infrarot, ist aber auch bei kleineren Wellenlängen und generell im Hochleistungsbereich hervorragend verwendbar. Die Verwendung hochbrillanter Faserlaser als Pumpquellen erlaubt einerseits kleine Foki und damit hohe Raman-Verstärkung, andererseits erhöhte räumliche und auch spektrale Flexibilität in der Ausführung des Gesamtsystems.

Primär sollen Faserlaser auf Ytterbium- und Thuliumbasis als Pumpquellen verwendet und damit Wellenlängenbereiche adressiert werden, die für die beteiligten Industriepartner von konkretem Interesse sind. So ist die diamantbasierte Verstärkung bei 1178 nm mit anschließender Frequenzverdopplung zum Erreichen neuer Leistungsrekorde auf der Frequenz der Natrium-D-Linie Teil des Projekts, die speziell in der Astronomie für sogenannte Laserleitsterne (laser guide star) Verwendung findet. Diese werden nicht nur zur Verbesserung erdgebundener Teleskope in der Astronomie sondern auch zur Überwachung von Weltraummüll eingesetzt.

Im mittleren Infrarot soll zunächst eine faserbasierte Pumpquelle oberhalb von 2,2 µm Wellenlänge durch Raman-Verschiebung eines Thulium-Faserlasers realisiert werden. Mit dieser wird durch weitergehende Frequenzkonversion im Diamant-Raman-Laser die Erzeugung maximaler Leistung um 3 µm Wellenlänge für (mikro-)chirurgische Anwendungen angestrebt. Ferner kann die Pumpquelle auch direkt für die Materialbearbeitung von Kunststoff, speziell von Polyvinylbutyral (PVB) in Verbundsicherheitsglas, verwendet werden. Diese Anwendung wird untersucht, um neue Maßstäbe in der Präzision von Freiform-Glaszuschnitten zu setzen, indem PVB-Schichten durch umgebendes Glas hindurch laserbearbeitet werden.

Unter der Leitung von TOPTICA wird das Projekt von der LISA Laser Products OHG, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), der HEGLA GmbH & Co. KG und der LAYERTEC GmbH durchgeführt. Dieses Konsortium bringt sowohl die zur Erforschung der Laserquellen notwendige Erfahrung in der Entwicklung schmalbandiger Diodenlaser und Faserverstärker als auch umfassende Kenntnisse in nichtlinearer Frequenzkonversion sowie Schichtsystemdesign geringer Absorption mit und stützt sich ferner auf fundierte Kenntnisse von Markt und Anwenderbedürfnissen. Als assoziierten Partner unterstützen die Europäische Südsternwarte (ESO) und die Neurochirurgische Klinik der Universitätsmedizin Göttingen das Projekt als potenzielle Anwender der Laserdemonstratoren durch die Erstellung von Anforderungsprofilen und Einsatzerprobungen.

Quelle
VDI Technologiezentrum GmbH