Hochleistungsfaserlaser sind ein vielseitig einsetzbares Werkzeug für zahlreiche technologische Anwendungen, wie etwa in der Materialbearbeitung oder Langstreckenkommunikation über Freistrahlstrecken. Besonders über extreme Distanzen – etwa von der Erde zu Satelliten – spielt die Wahl des richtigen Spektralbereichs eine entscheidende Rolle. Der Bereich oberhalb von 2030 nm gilt als besonders gut geeignet, da die Atmosphäre dort wenig Verluste verursacht und gleichzeitig weniger Gefahr von Reflexen ausgeht.

Forschende des Fraunhofer IOF haben hier einen bedeutenden Meilenstein erreicht: Sie entwickelten ein System aus drei Hochleistungs-Thuliumfaserlasern, die Licht im Spektralbereich von 2030-2050 nm emittieren und eine Ausgangsleistung von 1,91 kW erreichen. Beinah doppelt so viel wie bei herkömmlichen Systemen (~1,1kW) – ein Leistungsrekord.

Technologische Fortschritte für nachhaltige Skalierbarkeit

Die Jenaer Forschenden bauen nun auf ihrem bisherigen Rekord auf und entwickeln die Technologie konsequent weiter. »Unser Ziel ist es, die technologische Basis so zu optimieren, dass wir mit zuverlässigen Einzelquellen die nächste Leistungsstufe erreichen«, erklärt Dr. Till Walbaum, Gruppenleiter für Lasertechnologie am Fraunhofer IOF.

Zentral dabei ist das Prinzip der spektralen Strahlkombination (Spectral Beam Combining, SBC). Dabei werden Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen unter angepassten Winkeln auf spezielle optische Reflexionsgitter gestrahlt. Durch die Beugung werden die Laserstrahlen so zu einem einzigen Strahl kombiniert. Dies ermöglicht eine Leistungssteigerung des Faserlasersystems und erhält gleichzeitig die Strahlqualität und dadurch die gute Fokussierbarkeit des Laserstrahls.

Verbindungstechnik und einzigartiges Gitter ermöglichen Hochleistung

Bisherige Systeme stoßen bei hohen Leistungen auf physikalische Grenzen, insbesondere durch Überhitzung aufgrund niedriger Kombinations- und Lasereffizienzen. Das Team des Fraunhofer IOF hat diese Herausforderungen mit neuen, effizienteren Einzelquellen und verbesserten Kühlsystemen gelöst. So ermöglicht eine spezielle Verbindungstechnik für Fasern, das sogenannte »kalte Spleißen«, eine verlustarme Faser-zu-Faser- Überkopplung und effektive Temperaturregulierung.

Eine weitere Schlüsselkomponente ist ein speziell entwickeltes Beugungsgitter mit einer Effizienz von über 95 Prozent und exzellenter thermischer Leistungsfähigkeit. »Das Kombinationsgitter ist das Herzstück unseres Systems«, erklärt Friedrich Möller, Wissenschaftler in der Abteilung für Lasertechnologie am Fraunhofer IOF. »Bisher gab es optische Kombinationselemente wie Gitter und dichroitische Spiegel für Wellenlängen von 2 µm nur für Laserleistungen von einigen hundert Watt. Die Kollegen und Kolleginnen am Institut haben jedoch ein spezielles Beugungsgitter entwickelt, das unter herausfordernden Parametern auch im multi-kW-Bereich exzellent funktioniert. Es ermöglicht eine verlustarme Strahlkombination mit Gesamteffizienzen größer als 90 Prozent und bildet die Grundlage für unsere nächsten Leistungssprünge«, so Möller.

»Wir haben die technologischen Voraussetzungen geschaffen, um Lasersysteme mit noch höherer Leistung und Zuverlässigkeit zu realisieren. Die nächste große Herausforderung ist es nun, die 20-kW-Marke zu erreichen«, ergänzt Till Walbaum zu zukünftigen Potenzialen der Technologie.

Neue Möglichkeiten für Materialbearbeitung, Medizin und Kommunikation

Die entwickelten Hochleistungs-Thuliumfaserlaser eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, darunter medizinische Verfahren, Polymerverarbeitung sowie optische Datenübertragung. Ein wichtiger Vorteil der Laser: die verbesserte Augensicherheit. Streulicht mit einer Wellenlänge von 2 µm wird von der Hornhaut absorbiert und erreicht nicht die empfindliche Netzhaut, was einen sichereren Einsatz in industriellen und medizinischen Anwendungen ermöglicht.