Che si tratti di tecnologia medica, telecomunicazioni o aerospaziale: in molti settori industriali cresce la domanda di laser ad alte prestazioni. Gli utenti si concentrano sull'economicità e sulla stabilità dei sistemi. L'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT ha recentemente raggiunto progressi significativi nello sviluppo di laser a diodi ad alta potenza, efficienti e stabili. In sostanza, ha trasferito la scrittura di reticoli di Bragg in fibra dal mondo dei laser a fibra ai laser a diodi. La Dr.ssa Sarah Klein ha sviluppato il procedimento nell'ambito del suo dottorato e ha recentemente conquistato il 3° posto al rinomato premio Hugo-Geiger.
Con l'ausilio di reticoli di Bragg in fibra (FBG), la complessità dei sistemi laser a fibra può essere notevolmente ridotta. Se i reticoli ottici vengono scritti direttamente nella fibra, possono sostituire gli specchi del risonatore esterno. In questo modo, si elimina la complessa regolazione degli specchi. Mentre la complessità del sistema, la suscettibilità alle interferenze e i costi diminuiscono grazie all'integrazione diretta nella fibra, aumenta la brillantezza della radiazione laser emessa.
Concetto di integrazione delle fibre
Il metodo consolidato per l'inserimento di FBG all'interno di fibre ottiche con un diametro del nucleo di sei micrometri è stato ulteriormente sviluppato nel 2019 nel progetto di finanziamento BMBF EKOLAS, grazie al contributo significativo del Fraunhofer ILT. Coordinato da Laserline, il consorzio è riuscito a scrivere le reti di Bragg in fibra utilizzando laser UKP anche in fibre di quarzo con un diametro del nucleo di 100 micrometri: il materiale si scioglie brevemente sotto l'influenza degli impulsi laser ultracorti, si raffredda molto rapidamente e modifica le sue proprietà ottiche nei volumi così trattati. La struttura inserita si basa su un modello di interferenza progettato per sovrapporre onde luminose.
Un singolo FBG di 100 micrometri di diametro è sufficiente per integrare gli specchi del risonatore precedentemente esterni nella fibra e ottimizzare i laser a fibra multimodali in vari modi. Questo metodo, ulteriormente sviluppato dalla Dr.ssa Sarah Klein, è stato applicato dalla ricercatrice del Fraunhofer anche ai laser a diodi accoppiati a fibra nell'ambito del suo lavoro di dottorato ed è stato premiato il 19 febbraio 2025 con il 3° posto del prestigioso Premio Hugo Geiger, assegnato annualmente dallo Stato libero di Baviera e dalla Società Fraunhofer.
Stesso concetto - nuovo obiettivo
Nel suo lavoro, Klein si è occupato non solo dei laser a fibra multimodali, ma anche dell'ottimizzazione dei laser a diodi, necessari per il pompaggio dei laser a stato solido. Questo cambia l'obiettivo. Infatti, a differenza dei laser a fibra, i FBG in questa applicazione servono a migliorare le proprietà spettrali della radiazione del laser a diodi. Contesto: per elevare il livello energetico del mezzo laser attivo durante il pompaggio ottico, questo viene eccitato con una lunghezza d'onda specifica. Solo in questo modo il mezzo può assorbire in modo ottimale questa radiazione.
Tuttavia, i laser a diodi emettono radiazioni a banda larga. Per questo motivo, la ricercatrice ha sviluppato un concetto per ridurre miratamente la larghezza di banda e stabilizzare la lunghezza d'onda della radiazione laser. Centrale per questo approccio è nuovamente una rete di Bragg in fibra ottica direttamente incisa. Essa garantisce che i laser a diodi ad alta potenza emettano solo la lunghezza d'onda desiderata. Questo aumento della brillantezza rende l'immissione di energia nel laser a stato solido molto più efficiente e quindi più economica. Un enorme vantaggio per le applicazioni industriali, in cui l'economicità e l'efficienza energetica giocano un ruolo sempre più importante!
Integrazione complessa
Lo sviluppo del processo è stato portato avanti da Klein nell'ambito di un progetto autonomo della Fraunhofer-Gesellschaft. Anche qui, come nel progetto EKOLAS, si trattava di incidere le griglie ottiche nelle fibre multimodali, che vengono utilizzate come guide d'onda per i laser a diodi. "Normalmente, nella tecnologia laser si parla di miniaturizzazione. Nel mio lavoro di ricerca è stato esattamente il contrario", spiega. Doveva trasferire il processo UKP da sei micrometri di diametro del nucleo fino a 100 micrometri. La difficoltà stava nei dettagli: l'allineamento continuo e preciso dei segmenti FBG era estremamente complicato da realizzare. Anche la gestione dell'energia era molto impegnativa. Per incidere le molte griglie nelle fibre multimodali significativamente più grandi in un solo passaggio, avrebbe teoricamente dovuto moltiplicare l'apporto energetico. Tuttavia, questa variante è stata esclusa fin dall'inizio.
Klein ha affrontato la sfida accatastando oltre un dozzina di FBG, che misurano solo sei micrometri, in diversi processi di esposizione. Era fondamentale lavorare in modo impeccabile. "Il processo di scrittura sarebbe stato notevolmente più semplice con una geometria del nucleo angolare", riferisce. L'incisione delle FBG fino ai margini estremi è stata enormemente complicata nella precisione richiesta. Tuttavia, nel senso della massima riflettività della rete per una costruzione efficiente del risonatore del laser a fibra, questa precisione continua era imprescindibile.
Nell'applicazione di questo concetto per la stabilizzazione della frequenza dei laser a diodo, l'obiettivo principale era quello di progettare le proprietà FBG in modo che il laser a diodo emettesse solo una lunghezza d'onda desiderata. Klein non perseguiva più l'obiettivo di massimizzare la riflettività FBG. Piuttosto, ha adattato specificamente le proprietà FBG per ottimizzare le caratteristiche spettrali della radiazione del laser a diodo, ad esempio per applicazioni di pompaggio.
Premio Hugo-Geiger
Per i laser multimodali, la progettazione ottica degli FBG e la loro scrittura diretta nel processo laser UKP sono state finora poco esplorate. La neo vincitrice del premio Hugo Geiger ha cambiato tutto ciò con la sua tesi di dottorato "Fiber Bragg Grating per la stabilizzazione della frequenza di diodi laser ad alta potenza multimodali e laser a fibra". "Sono molto felice di questo importante riconoscimento! Mi dimostra che avevo ragione con la mia idea di trasferire il concetto consolidato per i laser a fibra monomodali ad altre sorgenti laser", spiega Klein.
Oltre a questa conferma da parte del prestigioso premio, le sue ricerche ricevono anche pieno riconoscimento presso il suo istituto. "Congratuliamo la Dott.ssa Sarah Klein per questo premio, che sottolinea l'alta qualità scientifica del suo lavoro. Sulla base delle conoscenze acquisite, in futuro sarà possibile eliminare elementi ottici esterni nei laser a diodi multimodali, riducendo così la complessità del sistema, gli sforzi di montaggio, la suscettibilità ai guasti e i costi. Allo stesso tempo, la nuova possibilità di stabilizzazione spettrale di queste sorgenti di radiazione amplia il loro potenziale di applicazione - sia come fonti di pompaggio ad alta efficienza che come sorgenti di radiazione per la tecnologia di comunicazione, la sensoristica e la lavorazione diretta dei materiali con laser nella produzione industriale", afferma il Dr. Jochen Stollenwerk, direttore ad interim del Fraunhofer ILT.
WORLD of PHOTONICS CONGRESS 2025 a Monaco
Maggiori informazioni sugli sviluppi più recenti dei laser a diodo ad alte prestazioni possono essere ottenute durante il WORLD of PHOTONICS CONGRESS dal 22 al 27 giugno 2025 a Monaco. Qui, il Dr. Klein modererà il 26 giugno alle 15:00 il panel applicativo "Laser a Diodo ad Alta Potenza - nuove pietre miliari in potenza, spettro ed efficienza".
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