Ať už se jedná o medicínskou techniku, telekomunikace nebo letectví a kosmonautiku: V mnoha průmyslových odvětvích roste poptávka po vysoce výkonných lasech. Uživatelé přitom kladou důraz na hospodárnost a stabilitu systémů. Fraunhoferův institut pro laserovou techniku ILT nyní dosáhl významného pokroku ve vývoji efektivních a stabilních vysoce výkonných diodových laserů. V podstatě převedl psaní vláknových Braggových mřížek ze světa vláknových laserů na diodové lasery. Dr. Sarah Klein tuto metodu vyvinula v rámci své disertační práce a nedávno získala 3. místo v prestižní soutěži Hugo-Geiger-Preis.
Pomocí vláknových Braggových mřížek (FBG) lze enormně snížit složitost vláknových laserových systémů. Pokud jsou optické mřížky přímo zapisovány do vlákna, mohou nahradit externí rezonátorové zrcadla. Tím odpadá složité seřízení zrcadel. Zatímco složitost systému, náchylnost k poruchám a náklady klesají díky přímé integraci do vlákna, zvyšuje se brilance emitovaného laserového záření.
Koncept pro integraci vláken
Metoda zavádění FBG do vnitřku optických vláken s průměrem jádra šesti mikrometrů, která byla etablována pro jednovidové vlákna, byla pod značným přispěním Fraunhofer ILT dále rozvinuta již v roce 2019 v rámci BMBF podpůrného projektu EKOLAS. Koordinováno společností Laserline se konsorciu podařilo zapisovat vlákno-Braggova mřížka pomocí UKP laserů také do křemenných vláken s průměrem jádra 100 mikrometrů: Materiál se pod vlivem ultrakrátkých laserových pulzů krátce roztaví, velmi rychle opět zchladne a mění své optické vlastnosti v takto zpracovaných objemech. Vložená struktura je založena na pro tento účel navrženém interferenčním vzoru překrývajících se světelných vln.
Jedno jediné FBG o průměru 100 mikrometrů stačí k tomu, aby se dříve externí rezonátorové zrcadla umístila do vlákna a multimódové vláknové lasery se v mnoha ohledech optimalizovaly. Tento postup, který dále vyvinula Dr. Sarah Klein, byla výzkumnice Fraunhoferu schopna aplikovat také na vláknově spojené diodové lasery v rámci své disertační práce a za svou výzkumnou práci byla 19. února 2025 oceněna 3. místem prestižní ceny Hugo-Geiger, kterou každoročně uděluje Svobodný stát Bavorsko a Fraunhoferova společnost.
Stejný koncept – nové cíle
Ve své práci se Klein kromě multimódových vláknových laserů také zabýval optimalizací diodových laserů, které jsou potřebné k pumpování pevných laserů. To mění cíle. Na rozdíl od vláknových laserů slouží FBG v této aplikaci k vylepšení spektrálních vlastností záření diodových laserů. Pozadí: Aby se při optickém pumpování zvýšila energetická úroveň laserově aktivního média, je toto médium excitováno specifickou vlnovou délkou. Jen tak může médium tuto radiaci optimálně absorbovat.
Diodové lasery však vyzařují širokopásmově. Výzkumnice proto vypracovala koncept, který umožňuje cíleně snížit šířku pásma a stabilizovat vlnovou délku laserového záření. Centrálním prvkem tohoto přístupu je opět přímo zapsaná vlákno-Braggova mřížka. Ta zajišťuje, že použité vysoce výkonné diodové lasery emitují pouze požadovanou vlnovou délku. Toto zvýšení brilance činí vkládání energie do pevnolátkového laseru mnohem efektivnějším a tím i nákladově výhodnějším. Obrovská výhoda pro průmyslové aplikace, kde ekonomika a energetická účinnost hrají stále důležitější roli!
Komplexní integrace
Vývoj procesu posunula Klein v rámci vlastního projektu Fraunhoferovy společnosti. I zde bylo, stejně jako v projektu EKOLAS, cílem zapsat optické mřížky do multimódových vláken, která slouží jako vlnovody pro diodové lasery. "Obvykle se v laserové technice jedná o miniaturizaci. V mé výzkumné práci to bylo přesně naopak," vysvětluje. Z šesti mikrometrů průměru jádra musela proces UKP převést až na 100 mikrometrů. Záludnost spočívala v detailech: bezproblémové a přesné seřazení segmentů FBG bylo extrémně složité. Také energetické řízení bylo velmi náročné. Aby mohla zapsat mnoho mřížek do podstatně větších multimódových vláken v jednom kroku, musela by teoreticky násobit energetický vstup. Tato varianta však byla od začátku vyloučena.
Klein zvládla výzvu tím, že spojila více než tucet pouze šest mikrometrů malých FBG v několika expozičních procesech. Při tom bylo důležité pracovat bezproblémově. „Zapisovací proces by byl u hranaté jádrové geometrie mnohem jednodušší,“ uvádí. Zapsání FBG až k nejvzdálenějším okrajům bylo v požadované přesnosti nesmírně složité. Nicméně z hlediska maximální reflektivity mřížky pro efektivní konstrukci rezonátoru vláknového laseru byla tato bezproblémová přesnost nezbytná.
Při přenášení tohoto konceptu pro frekvenční stabilizaci diodových laserů bylo v popředí zájmu navrhnout vlastnosti FBG tak, aby diodový laser emitoval pouze požadovanou vlnovou délku. Klein již nesledovala cíl maximalizovat reflektivitu FBG. Místo toho cíleně přizpůsobila vlastnosti FBG, aby optimalizovala spektrální vlastnosti diodového laserového záření například pro aplikace čerpání.
Ocenění cenou Hugo-Geiger
Pro multimódové lasery byla optická konstrukce FBG a jejich přímé zapisování do procesu UKP-laseru dosud málo zkoumána. To změnila čerstvá držitelka ceny Hugo Geiger se svou disertační prací „Fázová Braggova mřížka pro frekvenční stabilizaci multimódových vysoce výkonných laserových diod a vláknových laserů“. „Mám velkou radost z této důležité ceny! Ukazuje mi to, že jsem měl pravdu se svou myšlenkou přenést koncept, který byl zaveden pro jednovidové vláknové lasery, na další laserové zdroje,“ vysvětluje Klein.
Kromě tohoto potvrzení renomovanou cenou získává také na svém institutu plné uznání za své výzkumy. „Gratulujeme Dr. Sarah Klein k této ceně, která podtrhuje vysokou vědeckou kvalitu její práce. Na základě získaných poznatků mohou v budoucnu u multimodálních diodových laserů odpadnout externí optické prvky, což sníží komplexnost systému, náklady na montáž, náchylnost k poruchám a náklady. Zároveň nová možnost spektrální stabilizace těchto zdrojů rozšiřuje jejich aplikační potenciál – ať už jako vysoce efektivní pumpovací zdroje, nebo jako zdroje záření pro komunikační techniku, senzoriku a přímé laserové zpracování materiálů v průmyslové výrobě,“ říká Dr. Jochen Stollenwerk, pověřený vedoucí Fraunhofer ILT.
SVĚT FOTONIKY KONFERENCE 2025 v Mnichově
Více o nejnovějších vývojích vysoce výkonných diodových laserů se mohou zájemci dozvědět na SVĚT FOTONIKY KONFERENCE od 22. do 27. června 2025 v Mnichově. Tam moderuje Dr. Klein 26. června od 15 hodin panel aplikací „Vysoce výkonné diodové lasery – nové milníky v výkonu, spektru a účinnosti“.
Kontakt:
