Чи то медична техніка, телекомунікації чи авіація і космонавтика: у багатьох промислових галузях зростає попит на високопродуктивні лазери. При цьому для користувачів важливими є економічність та стабільність систем. Інститут лазерної техніки Фраунгофера ILT досяг значних успіхів у розробці ефективних і стабільних високопродуктивних діодних лазерів. По суті, було перенесено написання волоконно-Браггових решіток з світу волоконних лазерів на діодні лазери. Доктор Сара Кляйн розробила цей процес у рамках своєї дисертації і нещодавно здобула 3-є місце на престижній премії імені Гуго Гайгера.
Завдяки використанню решіток Фабрі-Перо (FBG) можна значно зменшити складність волоконно-лазерних систем. Якщо оптичні решітки безпосередньо вписані у волокно, вони можуть замінити зовнішні резонаторні дзеркала. Це усуває необхідність у складній юстировці дзеркал. У той час як складність системи, чутливість до перешкод і витрати зменшуються завдяки прямій інтеграції у волокно, яскравість випромінюваного лазерного променя зростає.
Концепція інтеграції волокон
Встановлений для одномодових волокон метод введення FBG всередину оптичних волокон з діаметром ядра шість мікрометрів був суттєво вдосконалений за активної участі Fraunhofer ILT ще в 2019 році в рамках проекту BMBF EKOLAS. Координуючи зусилля Laserline, консорціум зміг записати волоконно-бреггові решітки за допомогою УКП-лазерів також у кварцових волокнах з діаметром ядра 100 мікрометрів: матеріал короткочасно плавиться під впливом ультракоротких лазерних імпульсів, дуже швидко охолоджується і змінює свої оптичні властивості в так оброблених обсягах. Введена структура базується на спеціально розробленому інтерференційному малюнку накладених світлових хвиль.
Єдиного FBG діаметром 100 мікрометрів достатньо, щоб інтегрувати раніше зовнішні резонаторні дзеркала в волокно та оптимізувати волоконно-лазерні мульти-режими в багатьох аспектах. Цей метод, розроблений доктором Сарою Кляйн, також був адаптований для волоконно-зв'язаних діодних лазерів у рамках її дисертаційної роботи і був нагороджений 19 лютого 2025 року 3-м місцем престижної премії імені Гуго Гайгера, яку щорічно вручають вільна держава Баварія та Товариство Фраунгофера.
Та ж концепція – нова мета
У своїй роботі Кляйн, крім багатофункціональних волоконних лазерів, також займався оптимізацією діодних лазерів, які потрібні для накачування твердотільних лазерів. Це змінює цілі. Адже на відміну від волоконних лазерів, FBG у цьому застосуванні слугують для покращення спектральних властивостей випромінювання діодних лазерів. Передумова: щоб під час оптичного накачування підвищити енергетичний рівень лазерноактивного середовища, його збуджують специфічною довжиною хвилі. Адже лише тоді середовище може оптимально поглинати це випромінювання.
Проте діодні лазери випромінюють у широкому спектрі. Тому дослідниця розробила концепцію, щоб цілеспрямовано зменшити ширину спектра та стабілізувати довжину хвилі лазерного випромінювання. Центральним елементом цього підходу знову є безпосередньо вписане волоконно-Браггове решітка. Воно забезпечує те, що використовувані лазери на основі високоефективних діодів випромінюють лише бажану довжину хвилі. Це підвищення яскравості робить енергетичний внесок у твердотільний лазер набагато ефективнішим і, отже, економічнішим. Це величезна перевага для промислових застосувань, де економічність та енергоефективність відіграють все більш важливу роль!
Комплексна інтеграція
Розробку процесу Кляйн просувала в рамках власного проекту Фраунгоферівського товариства. Як і в проекті EKOLAS, тут також потрібно було вписати оптичні решітки в багатомодові волокна, які використовуються як хвилеводи для діодних лазерів. "Зазвичай у лазерній техніці йдеться про мініатюризацію. У моїй науковій роботі було навпаки", - пояснює вона. З шести мікрометрів діаметра сердечника їй потрібно було перенести процес UKP до 100 мікрометрів. Підступ полягав у деталях: безперервне та точне з'єднання сегментів FBG було надзвичайно складним для реалізації. Також управління енергією було дуже складним. Щоб вписати багато решіток у значно більші багатомодові волокна за один раз, їй теоретично потрібно було б збільшити енергетичний внесок у кілька разів. Але цей варіант спочатку відпав.
Кляйн подолала виклик, з'єднавши більше десятка лише шести мікрометрів малих FBG у кількох процесах експозиції. При цьому важливо було працювати безшовно. «Процес запису був би значно простішим при квадратній геометрії ядра», - розповідає вона. Запис FBG до крайніх меж був у необхідній точності надзвичайно складним. Але з точки зору максимальної рефлексії решітки для ефективної побудови резонатора волоконного лазера ця безперервна точність була безальтернативною.
При перенесенні цього концепту для стабілізації частоти діодних лазерів основною метою було налаштувати властивості FBG так, щоб діодний лазер випромінював лише бажану довжину хвилі. При цьому Кляйн більше не переслідувала мету максимізації рефлексії FBG. Натомість вона цілеспрямовано налаштувала властивості FBG, щоб оптимізувати спектральні характеристики випромінювання діодних лазерів, наприклад, для насосних застосувань.
Нагорода імені Гуго Гайгера
Для мультимодових лазерів оптичне проектування FBG та їхнє пряме впровадження в процес лазерної обробки UKP до цього часу майже не досліджувалися. Це змінила нещодавно нагороджена премією Хуго Гайгера докторка з її дисертацією «Волоконно-Браггові ґрати для частотної стабілізації мультимодових високопродуктивних лазерних діодів та волоконних лазерів». «Я дуже рада цій важливій нагороді! Вона показує мені, що я була права зі своєю ідеєю перенести концепцію, яка була встановлена для одномодових волоконних лазерів, на інші лазерні джерела», - пояснює Кляйн.
Окрім цього визнання від престижної нагороди, вона також отримує повне визнання за свої дослідження в своєму інституті. «Ми вітаємо доктора Сару Кляйн з цією нагородою, яка підкреслює високу наукову якість її роботи. На основі отриманих знань у майбутньому можна буде обійтися без зовнішніх оптичних елементів у багатодіодних лазерах, що зменшить складність системи, витрати на монтаж, чутливість до збоїв і витрати. Одночасно нова можливість спектральної стабілізації цих джерел випромінювання розширює їх потенціал застосування – будь то як високоефективні насосні джерела або як джерела випромінювання для комунікаційних технологій, сенсорики та прямої лазерної обробки матеріалів у промисловому виробництві», – зазначив доктор Йохен Столленверк, виконуючий обов'язки керівника Fraunhofer ILT.
СВІТ КОНГРЕСУ ФОТОНІКИ 2025 у Мюнхені
Більше про останні розробки високопродуктивних діодних лазерів зацікавлені можуть дізнатися на WORLD of PHOTONICS CONGRESS з 22 по 27 червня 2025 року в Мюнхені. Там доктор Кляйн 26 червня з 15:00 модеруватиме панель застосувань «Високопотужні діодні лазери – нові етапи в потужності, спектрі та ефективності».
Контакт:
