Indiferent dacă este vorba despre tehnologia medicală, telecomunicații sau aeronautică și spațiu: în multe industrii, cererea pentru lasere de înaltă performanță este în creștere. Utilizatorii pun accent pe rentabilitatea și stabilitatea sistemelor. Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laser ILT a realizat progrese semnificative în dezvoltarea laserelor diodă de înaltă performanță, eficiente și stabile. Practic, a transferat tehnica scrierii rețelelor Bragg din lumea laserelor cu fibră pe laserele diodă. Dr. Sarah Klein a dezvoltat această metodă în cadrul tezei sale de doctorat și a obținut recent locul 3 la prestigiosul premiu Hugo-Geiger.
Cu ajutorul rețelelor de Bragg din fibră (FBG), complexitatea sistemelor cu laser cu fibră poate fi redusă semnificativ. Dacă rețelele optice sunt înscrise direct în fibră, acestea pot înlocui oglinzile externe ale rezonatorului. Astfel, se elimină ajustarea complicată a oglinzilor. În timp ce complexitatea sistemului, sensibilitatea la interferențe și costurile scad prin integrarea directă în fibră, strălucirea radiației laser emise crește.
Concept de integrare a fibrelor
Procedeul stabilit pentru fibrele monomode de introducere a FBG în interiorul fibrelor optice cu un diametru al miezului de șase micrometri a fost dezvoltat în continuare cu o contribuție semnificativă din partea Fraunhofer ILT în cadrul proiectului de finanțare BMBF EKOLAS în 2019. Coordonat de Laserline, consorțiul a reușit să scrie rețelele Bragg în fibre de cuarț cu un diametru al miezului de 100 de micrometri folosind lasere UKP: materialul se topește temporar sub influența pulsurilor laser ultracurte, se răcește foarte repede și își schimbă proprietățile optice în volumele astfel prelucrate. Structura introdusă se bazează pe un model de interferență conceput pentru suprapunerea undelor de lumină.
Un singur FBG cu un diametru de 100 micrometri este suficient pentru a integra oglinzile rezonator externe în fibră și pentru a optimiza laserele cu fibră multimodală în mai multe moduri. Această metodă, dezvoltată de Dr. Sarah Klein, a fost aplicată de cercetătoarea de la Fraunhofer în cadrul lucrării sale de doctorat și a fost premiată pe 19 februarie 2025 cu locul 3 al prestigiosului Premiu Hugo-Geiger, pe care statul liber Bavaria și Societatea Fraunhofer îl acordă anual.
Același concept - obiectiv nou
În lucrarea sa, Klein s-a ocupat, pe lângă laserele cu fibră multimodală, și de optimizarea laserelor cu diode, care sunt necesare pentru pomparea laserelor cu solid. Aceasta schimbă obiectivul. Spre deosebire de laserele cu fibră, FBG-urile în această aplicație au rolul de a îmbunătăți proprietățile spectrale ale radiației laserelor cu diode. Context: Pentru a ridica nivelul de energie al mediului activ laser, acesta este excitat cu o lungime de undă specifică. Numai atunci mediul poate absorbi optim această radiație.
Însă laserele cu diode emit radiație pe o gamă largă de lungimi de undă. De aceea, cercetătoarea a elaborat un concept pentru a reduce în mod specific lățimea de bandă și a stabiliza lungimea de undă a radiației laser. Central pentru această abordare este din nou un grilaj Bragg în fibră, înscris direct. Acesta se asigură că laserele cu diode de înaltă performanță emit doar lungimea de undă dorită. Această creștere a strălucirii face ca aportul de energie în laserul cu solid să fie de mai multe ori mai eficient și, prin urmare, mai rentabil. Un avantaj enorm pentru aplicațiile industriale, în care rentabilitatea și eficiența energetică joacă un rol din ce în ce mai important!
Integrări complexe
Dezvoltarea procesului a fost avansată de Klein în cadrul unui proiect propriu al Societății Fraunhofer. Aici, la fel ca în proiectul EKOLAS, a fost necesar să se inscripționeze grilele optice în fibre multimodale, care sunt utilizate ca ghiduri de undă pentru laserele cu diode. „În mod normal, în tehnica laser este vorba despre miniaturizare. În cercetarea mea a fost exact invers”, explică ea. De la un diametru al nucleului de șase micrometri, a trebuit să adapteze procesul UKP la până la 100 de micrometri. Problema a fost în detalii: astfel, alinierea continuă și precisă a segmentelor FBG a fost extrem de complicată de realizat. De asemenea, managementul energiei a fost foarte provocator. Pentru a inscripționa numeroasele grile în fibrele multimodale mult mai mari dintr-o singură mișcare, ar fi trebuit teoretic să multiplice aportul de energie. Totuși, această variantă a fost exclusă de la bun început.
Klein a înfruntat provocarea prin conectarea a peste o duzină de FBG-uri de doar șase micrometri în mai multe procese de expunere. A fost esențial să lucreze fără întreruperi. „Procedura de scriere ar fi fost mult mai simplă cu o geometrie a nucleului pătrată“, povestește ea. Înscrierea FBG-urilor până la marginile exterioare a fost extrem de complicată în precizia necesară. Totuși, în interesul reflexivității maxime a rețelei pentru o construcție eficientă a rezonatorului laser cu fibră, această precizie continuă a fost indispensabilă.
În timpul transferului acestui concept pentru stabilizarea frecvenței laserelor cu diode, s-a pus accent pe proiectarea proprietăților FBG astfel încât laserul cu diode să emită doar o lungime de undă dorită. Klein nu a mai urmărit obiectivul de a maximiza reflectivitatea FBG. Mai degrabă, a ajustat în mod specific proprietățile FBG pentru a optimiza caracteristicile spectrale ale radiației laserelor cu diode, de exemplu, pentru aplicații de pompare.
Distincția cu Premiul Hugo-Geiger
Pentru lasere multimodale, proiectarea optică a grilelor Bragg din fibră (FBG) și înregistrarea lor directă în procesul laser UKP au fost până acum puțin cercetate. Aceasta a schimbat-o complet proaspăta câștigătoare a premiului Hugo Geiger cu disertația sa „Grile Bragg din fibră pentru stabilizarea frecvenței laserelor diodă de înaltă performanță multimodale și laserelor cu fibră”. „Sunt foarte bucuroasă pentru această distincție importantă! Îmi arată că am avut dreptate cu ideea mea de a transfera conceptul stabilit pentru lasere cu fibră singlemode la alte surse de fascicul laser”, explică Klein.
Pe lângă această confirmare prin premiul de renume, cercetările ei primesc, de asemenea, o recunoaștere deplină în cadrul institutului său. „Îi felicităm pe Dr. Sarah Klein pentru acest premiu, care subliniază calitatea științifică înaltă a lucrării sale. Pe baza cunoștințelor obținute, în viitor, la laserii cu diode multimodale, elementele optice externe pot fi eliminate, ceea ce reduce complexitatea sistemului, eforturile de asamblare, susceptibilitatea la interferențe și costurile. În același timp, noua posibilitate de stabilizare spectrală a acestor surse de radiație le extinde potențialul de aplicare – fie ca surse de pompă de înaltă eficiență, fie ca surse de radiație pentru tehnologia de comunicație, senzori și prelucrarea materialelor cu laser în producția industrială”, a declarat Dr. Jochen Stollenwerk, director interimar al Fraunhofer ILT.
CONGRESUL MONDIAL AL FOTONICII 2025 în München
Mai multe informații despre cele mai recente dezvoltări ale laserelor cu diode de înaltă performanță pot fi obținute de către cei interesați la WORLD of PHOTONICS CONGRESS, care va avea loc între 22-27 iunie 2025 în München. Acolo, Dr. Klein va modera pe 26 iunie, începând cu ora 15:00, panelul de aplicații „Lasere cu diode de înaltă putere – noi repere în putere, spectru și eficiență”.
Contact:
