Ultrakurzpulslaser

Ultrakurzpulslaser finden nicht nur in Wissenschaft und Forschung, sondern auch in der Industrie immer    größere Verbreitung. Die Erzeugung, Charakterisierung und Anwendung ultrakurzer Laserpulse ist am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT seit über 20 Jahren Gegenstand der Forschung. Wir bieten kunden-spezifische Strahlquellenlösungen für verschiedene Leistungsbereiche von wenigen Watt bis zu mehreren kW, Pulsenergien von µJ bis Multi-10 mJ bei Pulsdauern von unter 30 fs bis 10 ps und mehr.

Die Fraunhofer ILT-Experten nutzen ein breites Portfolio ver-schiedener Laserverstärkerkonzepte auf Basis von Yb-dotierten Kristallen. Dies beinhaltet – je nach Leistungsklasse – Stab-, Multi-Stab-, INNOSLAB- und Scheibenverstärker. Die Verstärker zeichnen sich durch eine beugungsbegrenzte Strahlqualität und bandbreitebegrenzte Pulsdauern aus. Bei Pulsdauern von einigen 100 fs werden zurzeit mittlere Leistungen von 1 W bis zu 10 kW, Repetitionsraten von 10 kHz bis 100 MHz und Pulsenergien von einzelnen 10 µJ bis 10 mJ adressiert. 

Alleinstellungsmerkmal ist die am Fraunhofer ILT entwickelte und patentierte INNOSLAB-Technologie. Mit Yb:YAG als aktivem Medium werden bei Pulsdauern von 700 fs einstufig (zweistufig) Ausgangsleistungen > 500 W (> 1000 W) bei Strahlqualitäten M² ~ 1,10 x 1,40 erreicht. Diese lassen sich durch räumliche Filterung des Ausgangsstrahls auf M² ~ 1,10 x 1,10 verbessern. 

Im Rahmen des Fraunhofer Clusters of Excellence Advanced Photon Sources CAPS soll die Ausgangsleistung dieser Strahl-quellen auf über 5 kW skaliert werden. 

Wesentlicher Bestandteil der Arbeiten ist die maßgeschneiderte  Adaption der INNOSLAB-Plattform an die Anforderungen von Kunden aus Industrie und Forschung im Hinblick auf Kompakt-heit, Justage, Langzeitstabilität und spezielle Pulsparameter. Neben INNOSLAB-Verstärkern werden auch andere Laserplatt-formen wie Faser-, Stab- oder Scheibenlaser kundenspezifisch adaptiert, kombiniert und weiterentwickelt. 

Im 2018 initiierten Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS bündelt die Fraunhofer-Gesellschaft die Kompetenzen von zurzeit 13 Fraunhofer-Instituten in den Bereichen Strahlquellenentwicklung, Systemtechnik und Anwendungen von Ultrakurzpulslasern. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF koordiniert das Fraunhofer ILT dieses Vorhaben.

Bis 2022 sollen Lasersysteme mit Leistungen im 10 kW-Bereich für Applikationen in Industrie und Forschung entstehen.   Hierfür werden Strahlquellen entwickelt, die die mittleren Leistungen aktueller Ultrakurzpulslaser um eine Größen-ordnung übertreffen. Diese Strahlquellen ermöglichen die Skalierung ultrapräziser Fertigungsverfahren sowie die Erschließung neuer Pulsdauer- und Wellenlängenbereiche für die Grundlagenforschung und die Messtechnik.

Kernstück der Cluster-Infrastruktur am Fraunhofer ILT ist die Einrichtung einer User-Facility, in der die weltweit einzigartigen Strahlquellen Partnern aus Industrie und Grundlagenforschung für Applikationsexperimente zur Verfügung gestellt werden.

Während die Ausgangspulsdauern Yb-basierter Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser bauartbedingt auf einige 100 fs begrenzt sind, werden für Anwendungen in Industrie und Forschung zunehmend kürzere Pulsdauern nachgefragt. 

Mit einem am Fraunhofer ILT entwickelten und patentierten, flexiblen und kompakten Zusatzmodul kann die Pulsdauer durch nichtlineare spektrale Verbreiterung in einer Multipass-Zelle mit anschließender Dispersionsanpassung erheblich verringert werden. Das Verfahren erreicht eine hohe Effizienz von über 90 Prozent ohne die Strahlqualität zu beeinflussen und wird bisher bei Ausgangsleistungen bis zu 500 W eingesetzt. Das Verfahren ist im Pulsenergiebereich von einigen µJ bis hin zu mehr als 10 mJ skalierbar. Die kürzesten bisher demonstrierten Pulsdauern liegen bei 25 fs bei einem Kompressionsfaktor von > 20.

Für Auslegung, Design und Optimierung wurden umfang-reiche Softwaretools entwickelt, mit denen sich die für Ultra-kurzpuls- und Hochleistungslaser relevanten Effekte abbilden lassen. Diese ermöglichen eine geschlossene dreidimensionale Analyse der untersuchten Systeme:

• Wellenoptische Berechnung der Ausbreitung von Laserstrahlung sowie ihrer Transformation mittels aktiver und passiver optischer Elemente
• Modellierung von 3- und 4-Niveau-Verstärkungsmedien
• Berücksichtigung von Verstärkung, Pumplichtverteilung, Ratengleichungen, Wärmeleitung, Kerr-Effekt, Selbstphasenmodulation, Dispersion und parasitären Effekten