Akár orvostechnika, távközlés vagy légi- és űripar: Számos iparágban nő a kereslet a nagy teljesítményű lézerek iránt. A felhasználók számára a rendszerek gazdaságossága és stabilitása a legfontosabb. A Fraunhofer Lézertechnikai Intézet (ILT) jelentős előrelépéseket tett a hatékony és stabil nagy teljesítményű diódás lézerek fejlesztésében. Alapvetően a szál-Bragg rácsok írását a szálas lézerek világából a diódás lézerekre alkalmazta. Dr. Sarah Klein ezt a módszert a doktori disszertációja keretében fejlesztette ki, és nemrégiben a neves Hugo-Geiger-díj 3. helyezettje lett.
A Faser-Bragg-rácsok (FBG) segítségével jelentősen csökkenthető a szálas lézerszerek komplexitása. Ha az optikai rácsokat közvetlenül a szálba írják, helyettesíthetik a külső rezonátor-tükröket. Ezáltal elmarad a bonyolult tükörbeállítás. Míg a rendszer komplexitása, zavarérzékenysége és költségei a közvetlen szálintegráció révén csökkennek, addig az emissziós lézersugár fényessége nő.
Szálintegrációs koncepció
A singlemode szálakhoz kidolgozott eljárást, amely lehetővé teszi a FBG beépítését az optikai szálak belsejébe, 6 mikrométeres magátmérővel, a Fraunhofer ILT jelentős közreműködésével már 2019-ben továbbfejlesztették a BMBF támogatási projekt keretében, EKOLAS néven. A Laserline koordinálásával a konzorciumnak sikerült a szál-Bragg rácsokat UKP lézerekkel 100 mikrométeres magátmérőjű kvarc szálakba is beírni: az anyag a rendkívül rövid lézersugarak hatására rövid időre megolvad, majd nagyon gyorsan lehűl, és az így kezelt térfogatokban megváltoztatja optikai tulajdonságait. A beépített struktúra egy erre a célra tervezett interferenciakép mintázatán alapul, amely átfedő fényhullámokból áll.
Egyetlen 100 mikrométer átmérőjű FBG elegendő ahhoz, hogy a korábban külső rezonátor-tükröket a szálba helyezzük, és a multimódusú szálas lézereket számos szempontból optimalizáljuk. Ezt a Dr. Sarah Klein által továbbfejlesztett eljárást a Fraunhofer kutatója a doktori munkája keretében a szálhoz csatolt diódalézereken is alkalmazta, és kutatási munkájáért 2025. február 19-én a neves Hugo-Geiger-díj 3. helyezésével tüntették ki, amelyet Bajorország szövetségi állam és a Fraunhofer Társaság évente ad át.
Ugyanaz a koncepció – új célkitűzés
Munkájában Klein a multimódusú szálas lézerek mellett a szilárdtest lézerek pumpálásához szükséges diódalézerek optimalizálásával is foglalkozott. Ez megváltoztatja a célkitűzést. Mivel a szálas lézerekkel ellentétben a FBG-k ebben az alkalmazásban a diódalézer sugárzás spektrális tulajdonságainak javítására szolgálnak. Háttér: Az optikai pumpálás során a lézeraktív közeg energiaszintjének emeléséhez ezt egy specifikus hullámhosszal gerjesztik. Csak így tudja a közeg ezt a sugárzást optimálisan elnyelni.
A diódalézerek széles spektrumú sugárzást bocsátanak ki. Ezért a kutató egy olyan koncepciót dolgozott ki, amely lehetővé teszi a sávszélesség célzott csökkentését és a lézersugárzás hullámhosszának stabilizálását. Ennek a megközelítésnek a középpontjában ismét egy közvetlenül beírt szál-Bragg rács áll. Ez biztosítja, hogy a használt nagy teljesítményű diódalézerek csak a kívánt hullámhosszt bocsássák ki. Ez a fényesség növekedése a szilárdtest lézerbe történő energia-bevitelt sokszorosára hatékonyabbá és ezáltal költséghatékonyabbá teszi. Ez óriási előny az ipari alkalmazások számára, ahol a gazdaságosság és az energiahatékonyság egyre fontosabb szerepet játszik!
Komplex integráció
A folyamat fejlesztését Klein a Fraunhofer Társaság saját projektje keretében irányította. Itt is, akárcsak az EKOLAS projektben, az optikai rácsokat multimódusú szálakba kellett beírni, amelyeket diódalézerek hullámvezetőiként használnak. „Normál esetben a léztechnikában a miniaturizálásról van szó. Az én kutatási munkámban éppen ellenkezőleg történt” – magyarázza. Hat mikrométeres magátmérőről a UKP folyamatot akár 100 mikrométeres méretre kellett átvinnie. A nehézség a részletekben rejlett: a FBG szegmensek folyamatos és pontos egymásra helyezése rendkívül bonyolult volt. Az energiamenedzsment is nagyon kihívást jelentett. Ahhoz, hogy a sok rácsot a lényegesen nagyobb multimódusú szálakba egy lépésben beírja, elméletileg meg kellett volna sokszoroznia az energia-bevitelt. De ez a lehetőség eleve kizárásra került.
Klein sikeresen megoldotta a kihívást azzal, hogy több mint egy tucat, mindössze hat mikrométeres FBG-t sorba állított több expozíciós folyamat során. Fontos volt, hogy zökkenőmentesen dolgozzon. „A négyzetes maggeometria esetén a írási eljárás lényegesen egyszerűbb lett volna“ – számolt be róla. Az FBG-k beírása a legkülső szélekig a szükséges precizitással rendkívül bonyolult volt. Azonban a szálas lézer hatékony rezonátorépítése érdekében a rács maximális reflektivitásának érdekében ez a hézagmentes precizitás elengedhetetlen volt.
A diódalézerek frekvenciastabilizálására vonatkozó koncepció átvitele során a középpontban az állt, hogy a FBG-jellemzőket úgy alakítsák ki, hogy a diódalézer csak egy kívánt hullámhosszt bocsásson ki. Klein már nem a FBG-reflektivitás maximalizálására törekedett. Ehelyett célzottan módosította a FBG-jellemzőket, hogy optimalizálja a diódalézer sugárzás spektrális tulajdonságait, például szivattyúzási alkalmazásokhoz.
Hugo-Geiger-díjjal való kitüntetés
A multimódus lézerek esetében a FBG optikai tervezése és azok közvetlen beépítése az UKP lézerfolyamatba eddig alig volt kutatva. Ezt változtatta meg a frissen díjazott Hugo-Geiger-díjas, aki a „Faser-Bragg-Gitter für die Frequenzstabilisierung multimodiger Hochleistungslaserdioden und -faserlaser” című disszertációjával. „Nagyon örülök ennek a fontos elismerésnek! Ez megmutatja számomra, hogy igazam volt azzal az ötletemmel, hogy a singlemode szálas lézerek számára kidolgozott koncepciót más lézersugárforrásokra is át kellene ültetni” – magyarázza Klein.
A neves díj általi elismerés mellett intézetében is teljes mértékben elismerik kutatásait. „Gratulálunk Dr. Sarah Kleinnek ehhez a díjhoz, amely hangsúlyozza munkájának magas tudományos minőségét. Az elnyert ismeretek alapján a jövőben multimódusú diódalézereknél elhagyhatóak a külső optikai elemek, ami csökkenti a rendszer bonyolultságát, a szerelési költségeket, a zavarérzékenységet és a költségeket. Egyúttal az új spektrális stabilizálási lehetőség bővíti e sugárforrások alkalmazási potenciálját – akár mint nagy hatékonyságú szivattyúforrások, akár mint sugárforrások a kommunikációs technikában, érzékelésben és az ipari termelés közvetlen lézeres anyagfeldolgozásában” – mondta Dr. Jochen Stollenwerk, a Fraunhofer ILT megbízott vezetője.
FOTONIKA KONGRESSZUS 2025 Münchenben
Több információt a nagy teljesítményű diódalézerekről a WORLD of PHOTONICS CONGRESS rendezvényen lehet megtudni 2025. június 22. és 27. között Münchenben. Itt Dr. Klein június 26-án 15 órától vezeti a "Nagy teljesítményű diódalézerek - új mérföldkövek a teljesítmény, spektrum és hatékonyság terén" című alkalmazási panelt.
Kapcsolat:
