Czy to w medycynie, telekomunikacji czy lotnictwie i kosmonautyce: w wielu branżach przemysłowych rośnie zapotrzebowanie na lasery o wysokiej wydajności. Użytkownicy zwracają uwagę na opłacalność i stabilność systemów. Instytut Fraunhofera ds. Techniki Laserowej ILT osiągnął teraz znaczące postępy w rozwoju wydajnych i stabilnych laserów diodowych o wysokiej mocy. W zasadzie przeniósł pisanie włóknistych siatek Bragga z świata laserów włóknowych na lasery diodowe. Dr Sarah Klein opracowała tę metodę w ramach swojej pracy doktorskiej i niedawno zdobyła 3. miejsce w prestiżowej nagrodzie Hugo-Geigera.
Dzięki wykorzystaniu siatek Bragga (FBG) można znacznie zredukować złożoność systemów laserów włóknowych. Gdy optyczne siatki są bezpośrednio wprowadzane do włókna, mogą one zastąpić zewnętrzne lustra rezonatorowe. W ten sposób eliminuje się skomplikowaną regulację luster. Podczas gdy złożoność systemu, podatność na zakłócenia i koszty maleją dzięki bezpośredniej integracji włókna, wzrasta jasność emitowanego promieniowania laserowego.
Koncepcja integracji włókien
Ustanowiona metoda wprowadzania FBG do wnętrza włókien optycznych o średnicy rdzenia sześciu mikrometrów została w znacznym stopniu rozwinięta przez Fraunhofer ILT już w 2019 roku w ramach projektu BMBF EKOLAS. Skordynowane przez Laserline konsorcjum zdołało zapisać siatki Bragga w włóknach kwarcowych o średnicy rdzenia 100 mikrometrów przy użyciu laserów UKP: materiał krótko topnieje pod wpływem ultrakrótki impulsów laserowych, bardzo szybko znowu się chłodzi i zmienia swoje właściwości optyczne w tak przetworzonych objętościach. Wprowadzona struktura opiera się na zaprojektowanym w tym celu wzorze interferencyjnym nałożonych fal świetlnych.
Jedna jedyna FBG o średnicy 100 mikrometrów wystarcza, aby przenieść wcześniej zewnętrzne lustra rezonatora do włókna i w wielu aspektach zoptymalizować lasery włóknowe wielomodalne. Ta metoda, rozwinięta przez dr Sarah Klein, została również zastosowana przez badaczkę z Fraunhofer w ramach jej pracy doktorskiej do laserów diodowych sprzężonych włóknowo i została nagrodzona 19 lutego 2025 roku 3. miejscem w renomowanej nagrodzie Hugo-Geigera, przyznawanej corocznie przez Wolne Państwo Bawarii i Towarzystwo Fraunhofera.
Ta sama koncepcja – nowe cele
W swojej pracy Klein zajmowała się nie tylko laserami włóknowymi wielomodalnymi, ale także optymalizacją laserów diodowych, które są potrzebne do pompowania laserów stałokryształowych. To zmienia cel. Ponieważ w przeciwieństwie do laserów włóknowych, FBG w tej aplikacji służą do poprawy spektralnych właściwości promieniowania laserów diodowych. Tło: Aby podczas optycznego pompowania podnieść poziom energii medium aktywnego lasera, jest ono wzbudzane za pomocą określonej długości fali. Tylko wtedy medium może optymalnie absorbować to promieniowanie.
Jednak lasery diodowe emitują promieniowanie szerokopasmowe. Dlatego badaczka opracowała koncepcję, aby celowo zmniejszyć pasmo i ustabilizować długość fali promieniowania laserowego. Kluczowym elementem tego podejścia jest ponownie bezpośrednio wbudowane włóknowe siatka Bragga. Zapewnia to, że stosowane lasery diodowe o wysokiej mocy emitują tylko pożądaną długość fali. To zwiększenie jasności sprawia, że wprowadzenie energii do lasera stałoprądowego jest wielokrotnie bardziej efektywne, a tym samym tańsze. Ogromna zaleta dla zastosowań przemysłowych, w których opłacalność i efektywność energetyczna odgrywają coraz ważniejszą rolę!
Integracja zespolona
Rozwój procesu został zainicjowany przez Kleina w ramach projektu własnego Fraunhofer-Gesellschaft. Tak jak w projekcie EKOLAS, należało wpisać optyczne siatki w światłowody multimode, które są wykorzystywane jako prowadnice dla laserów diodowych. „Zazwyczaj w technologii laserowej chodzi o miniaturyzację. W mojej pracy badawczej było dokładnie odwrotnie” - wyjaśnia. Z sześciu mikrometrów średnicy rdzenia musiała przenieść proces UKP do nawet 100 mikrometrów. Sztuka tkwiła w szczegółach: bezszwowe i precyzyjne łączenie segmentów FBG było niezwykle skomplikowane do zrealizowania. Zarządzanie energią również stanowiło duże wyzwanie. Aby wpisać wiele siatek w znacznie większe światłowody multimode w jednym kroku, teoretycznie musiałaby pomnożyć wkład energii. Jednak ta opcja została od razu wykluczona.
Klein sprostała wyzwaniu, łącząc ponad tuzin FBG o zaledwie sześciu mikrometrach w kilku procesach naświetlania. Kluczowe było tu bezszwowe działanie. „Procedura pisania byłaby znacznie prostsza przy geometrycznej budowie rdzenia w kształcie prostokąta”, relacjonuje. Wpisanie FBG aż do skrajnych krawędzi było niezwykle skomplikowane w wymaganej precyzji. Jednak w imię maksymalnej refleksyjności siatki dla efektywnej budowy rezonatora lasera włóknowego, ta bezlukowa precyzja była niezbędna.
Przy przenoszeniu tego koncepcji stabilizacji częstotliwości laserów diodowych, na pierwszym planie stało dostosowanie właściwości FBG w taki sposób, aby laser diodowy emitował tylko pożądaną długość fali. Klein nie dążyła już do maksymalizacji refleksyjności FBG. Zamiast tego celowo dostosowała właściwości FBG, aby zoptymalizować spektralne właściwości promieniowania laserów diodowych, na przykład do zastosowań pompowych.
Nagroda im. Hugo Geigera
Dla laserów multimodowych optyczne projektowanie FBG oraz ich bezpośrednie wprowadzenie w procesie laserowym UKP były dotychczas mało badane. Nowa laureatka nagrody Hugo Geigera zmieniła to raz na zawsze swoją pracą doktorską „Włókna Bragga dla stabilizacji częstotliwości multimodowych diod laserowych i laserów włóknowych”. „Bardzo cieszę się z tego ważnego wyróżnienia! Pokazuje mi, że miałam rację z moim pomysłem, aby przenieść ustalony koncept dla laserów włóknowych jednoukładowych na inne źródła promieniowania laserowego”, wyjaśnia Klein.
Obok tego potwierdzenia przez renomowaną nagrodę, jej badania zyskują również pełne uznanie w jej instytucie. „Gratulujemy dr Sarah Klein tej nagrody, która podkreśla wysoką jakość naukową jej pracy. Na podstawie uzyskanych wyników w przyszłości można zrezygnować z zewnętrznych elementów optycznych w multimodowych diodach laserowych, co zmniejsza złożoność systemu, nakłady montażowe, podatność na zakłócenia i koszty. Jednocześnie nowa możliwość spektralnej stabilizacji tych źródeł promieniowania rozszerza ich potencjał zastosowania – czy to jako wysokoefektywne źródła pompowe, czy jako źródła promieniowania w technice komunikacyjnej, sensorach i bezpośredniej obróbce materiałów laserem w produkcji przemysłowej”, powiedział dr Jochen Stollenwerk, komisarz kierujący Fraunhofer ILT.
ŚWIATOWY KONGRES FOTONIKI 2025 w Monachium
Więcej informacji na temat najnowszych osiągnięć w dziedzinie wysokowydajnych laserów diodowych można uzyskać podczas KONGRESU WORLD of PHOTONICS w dniach 22-27 czerwca 2025 roku w Monachium. Tam dr Klein poprowadzi 26 czerwca o godzinie 15:00 panel aplikacyjny „Lasery diodowe o dużej mocy – nowe kamienie milowe w zakresie mocy, spektrum i wydajności”.
Kontakt:
