Femtosekundenlaser erschließt mit einer bislang nicht erreichten mittleren Ausgangsleistung von 1,1 kW

16.12.2010

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT haben ein Verstärker-Konzept für Femtosekundenlaser (fs-Laser) weiterentwickelt. Dadurch ist es erstmals möglich, eine mittlere Leistung im Kilowatt-Bereich zu erzielen. Die kurzen Pulse der fs-Laser erlauben eine ultrapräzise Materialbearbeitung. Dank der hohen mittleren Leistung kann nun auch der Durchsatz in der Produktion signifikant gesteigert werden. Während Laser mit kontinuierlicher Strahlung (cw) häufig im Bereich Schneiden und Schweißen zum Einsatz kommen, werden gepulste Laser meist zum Abtragen eingesetzt.

 

Dabei gilt: je kürzer die Pulse, desto kleiner die Wärmeeindringtiefe, desto höher die Temperatur an der Materialoberfläche und desto höher die Präzision der Materialbearbeitung. Das Material wird überwiegend durch Verdampfen abgetragen. Die kürzeren Pulse der fs-Laser erlauben eine größere Präzision beim Abtragen. Außerdem können Materialien bearbeitet werden, die sich sonst nur schlecht oder gar nicht mit dem Laser bearbeiten lassen.

Allerdings hat sich der fs-Laser noch nicht in der industriellen Produktion etabliert. Dies könnte sich durch die Verfügbarkeit von fs-Lasern mit großer mittlerer Leistung und somit mehr Durchsatz, geringem Wartungsaufwand und leichter Bedienbarkeit künftig ändern. Forschern des Fraunhofer ILT ist es nun gelungen, mit einem fs-Laser erstmals eine mittlere Leistung im kW-Bereich zu erzielen. Ein erster Schritt, um die industrielle Nutzung von fs-Lasern deutlich zu erweitern.

Erweitertes Verstärker-Konzept

Das Verstärker-Konzept basiert auf der INNOSLAB-Technologie. Diese Eigen-Entwicklung des Fraunhofer ILT zeichnet sich durch einen besonders simplen, robusten und kompakten Aufbau aus. Die Aachener Forscher haben das Verstärker-Konzept auf Yb-dotiertes YAG als aktives Medium erweitert, das aufgrund der großen Bandbreite die Verstärkung ultrakurzer Pulse erlaubt. Da Ytterbium-dotierte Kristalle hohe Anforderungen an die Pump-Strahlquelle stellen, wurde dieser Schritt erst durch die Verfügbarkeit einer neuen Generation brillanter Hochleistungs-Laserdioden möglich. Das Oszillator-Verstärker-System erlaubt eine hohe Flexibilität hinsichtlich Pulsrepetitionsrate und Pulsdauer, da zur Erzeugung der Pulse ein Vielzahl kommerzieller fs-Oszillatoren auf der Basis von Faser- und Festkörperlasern mit etwa 2 W mittlerer Laserleistung zur Verfügung stehen.

Dr. Peter Rußbüldt, Projektleiter am Fraunhofer ILT, hat nun zwei INNOSLAB-Verstärker hintereinander geschaltet. Die Verstärkerkette konnte so bei einer Pulsspitzenleistung von 80 MW und einer Pulsdauer von 600 Femtosekunden eine mittlere Leistung von 1,1 kW erbringen. Damit stellen die Aachener Forscher einen neuen Rekord auf.

Ursprünglicher Zweck des BMBF-geförderten Gemeinschaftsprojekts mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist eine wissenschaftliche Anwendung: die Erzeugung kohärenter EUV-Strahlung. Im Laufe des Projekts wurde der Laser am Fraunhofer ILT weiterentwickelt. »Durch seine neue Leistung entfernt sich der fs-Laser vom Image des wissenschaftlich komplizierten Spielzeugs«, so Dr. Rußbüldt. »Mit der höheren Leistung steigt auch der Durchsatz in der Produktion. Dies bedeutet einen enormen Zeit- und Kostenvorteil für Hersteller. Somit kann der fs-Laser nun auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen sein Durchsatz wirtschaftlich bislang nicht ausreichte.« Typische Anwendungen des fs-Lasers im Makrobereich sind Fertigungsverfahren für Leichtbaukomponenten auf der Basis von Faserverbundwerkstoffen. Denn mit einem fs-Laser lassen sich unterschiedlichste Materialien bearbeiten, ungeachtet ihrer Eigenschaften. Im Mikrobereich reichen die Anwendungen dieser neuen Strahlquelle vom Bohren von Düsen über die Werkzeugtechnik, die Solarzellentechnik bis hin zur Drucktechnik.

Das Fraunhofer ILT veranstaltet zu dieser Thematik am 13. und 14. April 2011 in Aachen einen Workshop. Experten aus Wissenschaft und Industrie informieren über Grundlagen und Laserstrahlquellen der Ultrakurzpulslaser (UKP) und diskutieren gemeinsam mit den Teilnehmern über die Einsatzmöglichkeiten in der Materialbearbeitung. Auch technologische Entwicklungen und deren Marktpotenzial werden in diesem UKP-Workshop beleuchtet.

Auf der SPIE Photonics West (San Francisco, USA, 25. - 27. 01. 2011) zeigt das Fraunhofer ILT im German Pavillion North Hall auf Stand 4601 hochpräzise Montagetechniken für optische Komponenten und präsentiert weitere Entwicklungen von Wärmesenken von Hochleistungsdiodenlasern. In der begleitenden Konferenz LASE (22. - 27. 01. 2011) stellen Aachener Experten dem Fachpublikum den neuen Hochleistungslaser vor.

Stand: 12/2010