Bilo da se radi o medicinskoj tehnologiji, telekomunikacijama ili zrakoplovstvu: U mnogim industrijskim granama raste potražnja za visokoučinkovitim laserima. Korisnicima su važni isplativost i stabilnost sustava. Fraunhofer Institut za lasersku tehnologiju ILT postigao je značajne napretke u razvoju učinkovitih i stabilnih visokoučinkovitih diodnih lasera. U suštini, prenio je pisanje vlaknastih Braggovih rešetki iz svijeta vlaknastih lasera na diodne lasere. Dr. Sarah Klein razvila je postupak u okviru svog doktorata i nedavno osvojila 3. mjesto na prestižnoj Hugo-Geiger nagradi.
Pomoću Faser-Bragg rešetki (FBG) može se značajno smanjiti složenost sustava vlaknastih lasera. Kada se optičke rešetke izravno upisuju u vlakno, mogu zamijeniti vanjske rezonatorske zrcala. Time se izbjegava složeno podešavanje zrcala. Dok se složenost sustava, osjetljivost na smetnje i troškovi smanjuju izravnom integracijom u vlakno, briljantnost emitirane laserske zrake se povećava.
Koncept za integraciju vlakana
Postupak uvođenja FBG-a unutar optičkih vlakana s promjerom jezgre od šest mikrometara, koji je uspostavljen za vlakna s jednim modom, dodatno je razvijen 2019. godine u BMBF-ovom projektu EKOLAS uz značajno sudjelovanje Fraunhofer ILT-a. Koordinirano od strane Laserline, konzorcij je uspio napisati vlakno-Bragg rešetke pomoću UKP lasera i u kvarcnim vlaknima s promjerom jezgre od 100 mikrometara: Materijal se pod utjecajem ultrakratkih laserskih impulsa kratko otapa, vrlo brzo se ponovno hladi i mijenja svoje optičke osobine u tako obrađenim volumenima. Uvedena struktura temelji se na interferencijskom uzorku preklapanja svjetlosnih valova posebno dizajniranom za ovu svrhu.
Jedan jedini FBG promjera 100 mikrometara dovoljan je za integraciju prethodno vanjskih rezonatorskih zrcala u vlakno i višestruko optimiziranje multimodnih vlaknastih lasera. Ovu metodu koju je dodatno razvila dr. Sarah Klein, Fraunhoferova istraživačica, prenijela je i na vlaknima povezanih diodnih lasera u okviru svog doktorskog rada, a za svoj istraživački rad nagrađena je 19. veljače 2025. godine s 3. mjestom prestižne nagrade Hugo-Geiger, koju svake godine dodjeljuju Slobodna država Bavarska i Fraunhoferova društva.
Isti koncept – nova ciljana postavka
U svom radu, Klein se osim multimodnih vlaknastih lasera bavio i optimizacijom diodnih lasera koji su potrebni za pumpanje čvrstih lasera. To mijenja ciljeve. Naime, za razliku od vlaknastih lasera, FBG u ovoj primjeni služe za poboljšanje spektralnih svojstava zračenja diodnih lasera. Pozadina: Kako bi se pri optičkom pumpanju podigla energetska razina laserom aktivnog medija, on se uzbuđuje specifičnom valnom duljinom. Samo tada medij može optimalno apsorbirati tu zračenje.
No, diodni laseri zrače širokopojasno. Zbog toga je istraživačica razvila koncept za ciljano smanjenje propusnosti i stabilizaciju valne duljine laserskog zračenja. Središnji element ovog pristupa ponovno je izravno upisani vlaknasti Braggov rešetka. Ona osigurava da korišteni visokoenergetski diodni laseri emitiraju samo željenu valnu duljinu. Ovo povećanje briljantnosti čini unos energije u čvrsti laserski sustav mnogo učinkovitijim i time isplativijim. Ogroman je to benefit za industrijske primjene, u kojima ekonomičnost i energetska učinkovitost igraju sve važniju ulogu!
Kompleksna integracija
Razvoj postupka Klein je unaprijedila u okviru vlastitog projekta Fraunhofer društva. I ovdje je, kao i u projektu EKOLAS, bilo potrebno upisati optičke rešetke u multimodalna vlakna koja se koriste kao valovodi za diodne lasere. "Obično se u laserskoj tehnologiji radi o miniaturizaciji. U mom istraživačkom radu bilo je potpuno obrnuto", objašnjava ona. Od šest mikrometara promjera jezgre, morala je UKP proces prenijeti na do 100 mikrometara. Zamka je bila u detaljima: tako je bilo izuzetno komplicirano provesti besprijekorno i precizno povezivanje FBG segmenata. Također, upravljanje energijom bilo je vrlo izazovno. Da bi se mnoge rešetke upisale u znatno veća multimodalna vlakna u jednom koraku, teoretski bi morala višestruko povećati unos energije. No, ova varijanta je odmah bila isključena.
Klein je savladala izazov tako što je u više procesa izlaganja spojila više od deset FBG-a, koji su bili samo šest mikrometara mali. Pri tome je bilo važno raditi besprijekorno. "Postupak pisanja bi bio znatno jednostavniji s kutnom geometrijom jezgre", izvještava ona. Upisivanje FBG-a do samih rubova bilo je izuzetno komplicirano u potrebnoj preciznosti. No, u smislu maksimalne reflektivnosti rešetke za efikasan razvoj rezonatora vlaknog lasera, ova besprijekorna preciznost bila je neizbježna.
Pri prenošenju ovog koncepta za frekvencijsku stabilizaciju diodnih lasera, u fokusu je bilo oblikovati FBG svojstva tako da diodni laser emitira samo željenu valnu duljinu. Klein više nije imala cilj maksimizirati FBG reflektivnost. Umjesto toga, ciljano je prilagodila FBG svojstva kako bi optimizirala spektralne karakteristike zračenja diodnih lasera, na primjer, za pumpe.
Nagrada Hugo-Geiger.
Za multimodalne lasere, optičko projektiranje FBG-a i njihovo izravno upisivanje u UKP laserski proces do sada je bilo slabo istraženo. To je nova dobitnica Hugo-Geiger nagrade promijenila svojom disertacijom "Fibre-Bragg rešetke za frekvencijsku stabilizaciju multimodalnih visokoučinkovitih laserskih dioda i laserskih vlakana". "Veoma sam sretna zbog ove važne nagrade! To mi pokazuje da sam bila u pravu sa svojom idejom da se koncept etabliran za jednomožne laserske vlakna prenese na druge izvore laserskog zračenja", objašnjava Klein.
Osim ovog priznanja renomirane nagrade, njezina istraživanja također dobivaju punu potvrdu na njezinom institutu. "Čestitamo dr. Sarah Klein na ovoj nagradi koja naglašava visoku znanstvenu kvalitetu njezinog rada. Na temelju stečenih saznanja, u budućnosti bi se kod multimodnih diodnih lasera mogli izostaviti vanjski optički elementi, čime se smanjuje složenost sustava, troškovi montaže, osjetljivost na smetnje i troškovi. Istodobno, nova mogućnost spektralne stabilizacije ovih izvora zračenja proširuje njihovu primjenu – bilo kao visoko učinkoviti izvori pumpe ili kao izvori zračenja za komunikacijsku tehnologiju, senzore i izravnu lasersku obradu materijala u industrijskoj proizvodnji", rekao je dr. Jochen Stollenwerk, vršitelj dužnosti voditelja Fraunhofer ILT.
SVIJET FOTONIKE KONGRES 2025 u Münchenu
Više o najnovijim razvojem visokoučinkovitih diodnih lasera zainteresirani mogu saznati na WORLD of PHOTONICS CONGRESS-u od 22. do 27. lipnja 2025. u Münchenu. Tamo će Dr. Klein moderirati Application Panel 'Visokoučinkoviti diodni laseri - nove prekretnice u snazi, spektru i učinkovitosti' 26. lipnja od 15 sati.
Kontakt:
