Das Konzept des Faserlasers stellt eine der aussichtsreichsten Möglichkeiten dar, optische Leistungen bis in den Bereich einiger Kilowatt bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität für Anwendungen in Forschung und Produktion bereitzustellen.
Im Rahmen eines internen Forschungsprogramms der Fraunhofer-Gesellschaft sollen die notwendigen Technologien für ein Kilowatt-cw-Lasersystem entwickelt und ein Prototyp aufgebaut werden. Zentrale Optik- und Mechanikkomponenten wurden konzipiert und deren Betriebsverhalten mittels FEM simuliert. Um die erforderliche Pumpleistung möglichst effizient in die aktive Faser einkoppeln zu konnen, wurde eine an die Parameter der Faser angepasste Freistrahloptik entworfen und realisiert. Im Vorfeld der Konstruktion wurde das thermooptische Verhalten der Kieselglaslinsen in Abhängigkeit von der Laserleistung simuliert, um die Auslegung der Linsen zu optimieren und deren Einfluss auf die erreichbare Strahlqualität und -stabilität abschätzen zu können. Bei einer Laserleistung von 5 kW kommt es, vor allem durch Absorption in den Antireflexschichten, zur Ausbildung einer thermischen Linse mit einer optischen Wegdifferenz von ca. λ/6.
Von großer Bedeutung ist weiterhin das Temperaturmanagement der Faser, die durch den Quantendefekt eine vom aktiven Laserkern ausgehende Erwarmung erfährt. Diese belastet die Faser sowohl thermisch als auch mechanisch /1/ und kann im ungünstigsten Fall zu einer Verschlechterung der Strahlqualität fuhren. Deshalb kommt angepassten Aufbaukonzepten eine enorme Bedeutung zu /2-4/.
Die Faser wird auf ihrer gesamten Länge von mehreren Metern über ihre Mantelflache an eine Wärmesenke angebunden, die gleichzeitig die stabile Einbettung der Faser erlaubt und sie so auch vor mechanischer Beanspruchung und Umgebungseinflüssen schützt. Die Einbettung der Faser innerhalb der Wärmesenke erfolgt in mehreren Windungen, so dass die gesamte Faser in einem kompakten (geschlossenen), robusten Gehäuse untergebracht wird, welches durch die integrierte Wasserkühlung für den Abtransport der entstehenden Warme sorgt. Die Anbindung an die Wärmesenke wurde mittels FEM fur verschiedene Materialien modelliert und die Temperaturverteilung innerhalb und auserhalb der Faser im Betrieb simuliert. Durch die Einbettung kann auch bei einer Verlustleistung von bis zu 100 W/m der Faserkern auf Temperaturen unter 120 °C gehalten werden.
Literatur
/1/ Limpert, J. u.a.: Thermo-optical properties of air-clad photonic crystal fiber lasers in high power operation, Optics Express, Vol. 11, No. 22 (2003), 2982.
/2/ Liem, A. u.a.: Air-clad large-mode-area photonic crystal fibers: power scaling concepts up to the multi-kW range, SPIEProceedings Vol. 5335 (2004), 158-169.
/3/ Beckert, E.: Ebene Keramiksubstrate und neue Montagetechnologien zum Aufbau hybrid-optischer Systeme, Dissertation, Technische Universitat Ilmenau, 2005.
/4/ Deutsches Patent DE 10347450 A1, Keramiksubstrate mit integrierten mechanischen Strukturen zum direkten Fassen von optischen Bauelementen, 2005.