Mithilfe von Faser-Bragg-Gittern (FBG) lässt sich die Komplexität von Faserlasersystemen enorm reduzieren. Werden die optischen Gitter direkt in die Faser eingeschrieben, können sie externe Resonator-Spiegel ersetzen. Dadurch entfällt die aufwändige Spiegel-Justage. Während Systemkomplexität, Störanfälligkeit und Kosten durch die direkte Faserintegration sinken, steigt die Brillanz der emittierten Laserstrahlung.
Konzept zur Faserintegration
Das für Singlemode-Fasern etablierte Verfahren zum Einbringen von FBG ins Innere von optischen Fasern mit sechs Mikrometern Kerndurchmesser wurde unter maßgeblicher Mitwirkung des Fraunhofer ILT schon 2019 im BMBF-Förderprojekt EKOLAS weiterentwickelt. Koordiniert von Laserline gelang es dem Konsortium, die Faser-Bragg-Gitter mithilfe von UKP-Lasern auch in Quarzfasern mit einem Kerndurchmesser von 100 Mikrometern zu schreiben: Das Material schmilzt unter dem Einfluss der ultrakurzen Laserpulse kurz auf, erkaltet sehr schnell wieder und verändert in den so bearbeiteten Volumina seine optischen Eigenschaften. Die eingebrachte Struktur basiert auf einem hierfür ausgelegten Interferenzmuster überlagerter Lichtwellen.
Ein einziges FBG von 100 Mikrometern Durchmesser genügt, um die zuvor externen Resonator-Spiegel in die Faser zu verlegen und Multimode-Faserlaser in vielfacher Hinsicht zu optimieren. Dieses von Dr. Sarah Klein weiterentwickelte Verfahren hat die Fraunhofer-Forscherin im Rahmen ihrer Promotionsarbeit auch auf fasergekoppelte Diodenlaser übertragen und wurde für ihre Forschungsarbeit am 19. Februar 2025 mit dem 3. Platz des renommierten Hugo-Geiger-Preises ausgezeichnet, den der Freistaat Bayern und die Fraunhofer-Gesellschaft jährlich vergeben.
Gleiches Konzept – neue Zielsetzung
In ihrer Arbeit befasste sich Klein neben Multimode-Faserlasern auch mit der Optimierung von Diodenlasern, die zum Pumpen von Festkörperlasern benötigt werden. Das verändert die Zielsetzung. Denn anders als bei Faserlasern dienen die FBG in dieser Anwendung dazu, die spektralen Eigenschaften der Diodenlaserstrahlung zu verbessern. Hintergrund: Um beim optischen Pumpen das Energieniveau des laseraktiven Mediums zu heben, wird dieses mit einer spezifischen Wellenlänge angeregt. Denn nur dann kann das Medium diese Strahlung optimal absorbieren.
Doch Diodenlaser strahlen breitbandig. Die Forscherin erarbeitete darum ein Konzept, um die Bandbreite gezielt reduzieren und die Wellenlänge der Laserstrahlung stabilisieren zu können. Zentral für diesen Ansatz ist erneut ein direkt eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter. Es sorgt dafür, dass die eingesetzten Hochleistungsdiodenlaser nur noch die gewünschte Wellenlänge emittieren. Diese Steigerung der Brillanz macht den Energieeintrag in den Festkörperlaser um ein Vielfaches effizienter und damit kostengünstiger. Ein enormer Vorteil für industrielle Anwendungen, in denen die Wirtschaftlichkeit und die Energieeffizienz eine immer wichtigere Rolle spielen!
Komplexe Integration
Die Entwicklung des Verfahrens hat Klein im Zuge eines Eigenprojekts der Fraunhofer-Gesellschaft vorangetrieben. Auch hier galt es, wie im Projekt EKOLAS, die optischen Gitter in Multimode-Fasern einzuschreiben, die als Wellenleiter für Diodenlaser genutzt werden. »Normalerweise geht es in der Lasertechnik um Miniaturisierung. In meiner Forschungsarbeit war es genau umgekehrt«, erklärt sie. Von sechs Mikrometern Kerndurchmesser musste sie den UKP-Prozess auf bis zu 100 Mikrometer übertragen. Die Tücke lag dabei im Detail: So war das lückenlose und passgenaue Aneinanderreihen der FBG-Segmente äußerst kompliziert umzusetzen. Auch das Energiemanagement war sehr herausfordernd. Um die vielen Gitter in die wesentlich größeren Multimode-Fasern in einem Schritt einzuschreiben, hätte sie theoretisch den Energieeintrag vervielfachen müssen. Doch diese Variante schied von vornherein aus.
Klein meisterte die Herausforderung, indem sie über ein Dutzend der nur sechs Mikrometer kleinen FBG in mehreren Belichtungsprozessen aneinanderreihte. Dabei kam es darauf an, nahtlos zu arbeiten. »Das Schreibverfahren wäre bei einer eckigen Kerngeometrie wesentlich einfacher gewesen«, berichtet sie. Das Einschreiben der FBG bis an die äußersten Ränder sei in der erforderlichen Präzision enorm kompliziert gewesen. Doch im Sinne maximaler Reflektivität des Gitters für einen effizienten Resonatoraufbau des Faserlasers war diese lückenlose Präzision alternativlos.
Beim Übertragen dieses Konzeptes für die Frequenzstabilisierung von Diodenlasern stand im Vordergrund, die FBG-Eigenschaften so zu gestalten, dass der Diodenlaser nur noch eine gewünschte Wellenlänge emittiert. Dabei verfolgte Klein nicht mehr das Ziel, die FBG-Reflektivität zu maximieren. Vielmehr hat sie gezielt die FBG-Eigenschaften angepasst, um die spektralen Eigenschaften der Diodenlaserstrahlung beispielsweise für Pumpanwendungen zu optimieren.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
