iPLASE

 

Innovatives Pikosekunden-Lasersystem
für die hochpräzise industrielle Materialbearbeitung

iPLASE: Konzept zur Erzeugung kurzer Pikosekunden Laserpulse

Ultrakurz – und dennoch:
kompakt, zuverlässig und preiswert

In dem vom Bun­des­mi­nis­te­rium für Bil­dung und For­schung (BMBF) geför­der­ten Ver­bund­pro­jekt iPLASE (inno­va­ti­ves Piko­se­kun­den-Laser­sys­tem für die hoch­prä­zise indus­tri­elle Mate­ri­al­be­ar­bei­tung) haben die Pro­jekt­part­ner BATOP GmbH, Cohe­rent Laser­Sys­tems GmbH & Co. KG sowie das Insti­tut für Ange­wandte Phy­sik (IAP) der Uni­ver­si­tät Jena koope­riert, um ein neu­ar­ti­ges, ein­fa­ches und kos­ten­güns­ti­ges sub-10-ps Laser­sys­tem zu demons­trie­ren. Auf­grund der kür­ze­ren Puls­dau­ern erlau­ben diese Piko­se­kun­den­la­ser ver­gli­chen mit Nano­se­kun­den­la­sern die Errei­chung einer höhe­ren Bear­bei­tungs­qua­li­tät in der hoch­prä­zi­sen medi­zi­ni­schen und indus­tri­el­len Mikro­ma­te­ri­al­be­ar­bei­tung. Bis dato wird die­ser Markt nur durch moden­ge­kop­pelte Laser­sys­teme adres­siert, die aus kom­ple­xen, jus­ta­ge­emp­find­li­chen Auf­bau­ten bestehen und die daher mit hohen Kos­ten ver­bun­den sind. Die­ses steht einem brei­ten Markt­ein­tritt die­ser Laser­sys­teme trotz der höhe­ren Bear­bei­tungs­qua­li­tät ent­ge­gen. Ziel des in iPLASE unter­such­ten Strahl­quel­len­kon­zep­tes war es genau an die­ser Stelle anzu­set­zen und durch die inno­va­tive Kom­bi­na­tion von kos­ten­güns­tig pro­du­zier­ba­ren, pas­siv-güte­ge­schal­te­ten Micro­chip­la­sern mit einer Puls­kom­pres­sion eine attrak­tive Alter­na­tive zu den bis­he­ri­gen sub-10-ps Lasern zu eta­blie­ren. Zur Errei­chung einer indus­trie­taug­li­chen robus­ten Umset­zung des Kon­zep­tes wur­den bereits wäh­rend der Pro­jekt­lauf­zeit Wege zur Faser­in­te­gra­tion des Gesamt­sys­tems erforscht.

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Abb. 1 Sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung des neu­ar­ti­gen Ultra­kurz­puls­la­sers: ein pas­siv güte­ge­schal­ter Micro­chip­la­ser, ein Faser­ver­stär­ker und ein disper­si­ves Ele­ment zum Kom­pri­mie­ren z.B. ein gechirp­tes volu­men-opti­sches Bragg­git­ter.

Demons­tra­tion einer neuen Puls­kom­pres­si­ons­me­thode und Rea­li­sie­rung von Puls­dau­ern im sub-ps Bereich
Im Rah­men des iPLASE Pro­jek­tes sind am IAP sowohl im Bereich der moden­ge­kop­pel­ten Lasern eta­blierte Metho­den zur Puls­kom­pres­sion bei güte­ge­schal­te­ten Lasern aus­ge­tes­tet [1] als auch eine gänz­lich neue Methode erfun­den und demons­triert wor­den [2,3]. Durch eine Hin­ter­ein­an­der­schal­tung der eta­blier­ten und der neuen Metho­den konnte sogar das ursprüng­li­che Ziel der Erzeu­gung von Puls­dau­ern im sub-10-ps Bereich deut­lich über­trof­fen wer­den [4,5]. In einem ab der Faser­kopp­lung des Micro­chip­la­sers kom­plett faser­in­te­grier­ten Sys­tem konn­ten Pulse mit einer Dauer von 170 fs erzeugt wer­den [5]. Dar­über hin­aus wurde am IAP die Faser­ver­stär­kung der Pulse unter­sucht und Aus­gangs­leis­tun­gen von 80 W bei einer Puls­wie­der­hol­rate von 1 MHz erreicht.

Neu­ar­tige sät­tig­bare Halb­lei­ter-Aus­kop­pel­spie­gel für die Güte­schal­tung von Micro­chip­la­sern
Bei der Firma BATOP wurde der Micro­chip-Oszil­la­tor für den Betrieb in Trans­mis­sion auf der Basis eines sät­tig­ba­ren Aus­kopp­lers (SOC) mit neu­ar­ti­gem Design ent­wi­ckelt.
Neben der Design­ent­wick­lung des SOC wur­den anschlie­ßend auch die Her­stel­lung der sät­tig­ba­ren Absor­ber mit­tels Halb­lei­ter­epi­ta­xie, sowie der Auf­bau und die Mon­tage mit Faser­kopp­lung der Micro­chips durch­ge­führt. Die so her­ge­stell­ten minia­tu­ri­sier­ten Puls­la­ser sind mit einer akti­ven Flä­che von 1,5 mm x 1,5 mm extrem kom­pakt (Abb. 2).
Ein Vor­teil die­ser neuen SOCs im Ver­gleich zur her­kömm­li­chen Refle­xi­ons­an­ord­nung ist ein sehr kom­pak­ter, hybri­der und damit sta­bi­ler Laser- und Pumplicht­auf­bau, der eine hohe Faser­in­te­gra­tion des Micro­chip­la­sers erlaubt. Mit die­sen SOCs wur­den Micro­chip­la­ser in Trans­mis­sion auf­ge­baut und Aus­gangs­leis­tun­gen bis 65 mW, Puls­wie­der­hol­ra­ten bis 400 kHz und Puls­ener­gien bis 170 nJ erzielt. Dar­über hin­aus wurde eine mög­lichst kom­pakte und robuste Anbin­dung der Pumplicht­fa­ser und der Faser zur Füh­rung der vom Micro­chip­la­ser emit­tier­ten Strah­lung unter­sucht und ein Demons­tra­tor für einen faser­in­te­grier­ten Micro­chip­la­ser rea­li­siert.

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Abb.2 Kom­pak­ter SOC-basier­ter Micro­chip­la­ser.

Inte­gra­tion des Strahl­quel­len­kon­zepts zu einem Gesamt­sys­tem
Die Arbei­ten bei Cohe­rent waren auf die Erfor­schung der indus­trie­taug­li­chen Umset­zung des Gesamt­sys­tems fokus­siert. Dazu gehörte neben der Unter­su­chung geeig­ne­ter, inno­va­ti­ver Auf­bau- und Ver­bin­dungs­tech­ni­ken auch die Sta­bi­li­sie­rung der Puls­wie­der­hol­rate des pas­siv-güte­ge­schal­te­ten Micro­chip­la­sers. Dazu wurde ein auf der Modu­la­tion der Pump­leis­tung beru­hen­des Ver­fah­ren rea­li­siert und erforscht. Mit die­sem konnte lang­zeit­sta­bil die Varia­tion des Zeit­ab­stan­des zwi­schen zwei Pul­sen deut­lich in den Bereich von 500 ns redu­ziert wer­den. Dar­über hin­aus wurde die volu­men­op­ti­sche Ver­stär­kung der sub-10-ps Pulse auf rund 400 µJ demons­triert und die effi­zi­ente Fre­quenz­kon­ver­sion in den sicht­ba­ren (40%) und ultra­vio­let­ten (20%) Spek­tral­be­reich erzielt. Des Wei­te­ren wur­den erfolg­reich die SOC-basier­ten Micro­chip­la­ser von BATOP umfas­send getes­tet und die Eigen­schaf­ten der ver­schie­de­nen Puls­kom­pres­so­ren, die in den zwei vom IAP zur Ver­fü­gung gestell­ten Demons­tra­to­ren ver­baut waren, unter­sucht und hin­sicht­lich einer indus­tri­el­len Ver­wer­tung bewer­tet. Zu Ende des Pro­jek­tes wurde erfolg­reich ein ab der Faser­kopp­lung des Micro­chip­la­sers kom­plett faser­in­te­grier­tes Funk­ti­ons­mo­dell auf­ge­baut, in das alle wäh­rend der Pro­jekt­lauf­zeit gewon­ne­nen Erkennt­nisse ein­ge­flos­sen sind.

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Abb.3 Spek­trum (links) des kom­plett faser­in­te­grier­ten puls­kom­pri­mier­ten Laser­sys­tems [5]. Anhand der Halb­werts­breite der gemes­se­nen Auto­kor­re­la­ti­ons­spur (rechts) lässt sich auf eine Puls­dauer von 170 fs zurück­schlie­ßen.

Aus­blick
Auf­grund der erziel­ten posi­ti­ven Resul­tate sind die Pro­jekt­part­ner wei­ter­hin von dem gro­ßen Poten­tial der unter­such­ten Strahl­quelle über­zeugt. Die Fir­men BATOP und Cohe­rent stre­ben sowohl die wirt­schaft­li­che Ver­wer­tung der SOC-basier­ten Micro­chip­la­ser ein­zeln als auch die Umset­zung des Strahl­quel­len­kon­zep­tes samt Puls­kom­pres­sion zu einem neuen Pro­dukt an. Die­ses wird bei­den Fir­men dabei hel­fen neue Märkte zu erschlie­ßen und neue Arbeits­plätze in Deutsch­land zu schaf­fen.

Das Ver­bund­vor­ha­ben hatte eine Lauf­zeit vom 01. Januar 2012 bis 31. Dezem­ber 2014 und wurde vom BMBF mit ca. 0,9 Mio. EUR geför­dert.

Ansprech­part­ner:
BATOP: Dipl.-Phys. Rico Hohmuth (rico.hohmuth@batop.de)
Cohe­rent: Dr. Wolf See­lert (Wolf.Seelert@coherent.com)
Insti­tut für Ange­wandte Phy­sik: Prof. Dr. Jens Lim­pert (jens.limpert@uni-jena.de)

Referenzen/References:

1. A. Stein­metz, F. Jan­sen, F. Stutzki, R. Lehneis, J. Lim­pert und A. Tün­ner­mann, »Sub-5-ps, mul­time­ga­watt peak-power pul­ses from a fiber-ampli­fied and opti­cally com­pres­sed pas­si­vely Q-swit­ched micro­chip laser,« Opt. Lett. 37, 2550 (2012)
2. R. Lehneis, A. Stein­metz, C. Jau­re­gui, J. Lim­pert und A. Tün­ner­mann, »Disper­sion-free pulse dura­tion reduc­tion of pas­si­vely Q-swit­ched micro­chip lasers,« Opt. Lett. 37, 4401 (2012)
3. R. Lehneis, C. Jau­re­gui, A. Stein­metz, J. Lim­pert und A. Tün­ner­mann, »Smoot­hed spec­tra for enhan­ced disper­sion-free pulse dura­tion reduc­tion of pas­si­vely Q-swit­ched micro­chip lasers,« Opt. Lett. 39, 505 (2014)
4. R. Lehneis, A. Stein­metz, J. Lim­pert und A. Tün­ner­mann, »Wav­elength-tun­able, sub-pico­se­cond pul­ses from a pas­si­vely Q-swit­ched micro­chip laser sys­tem,« Opt. Lett. 38, 2478 (2013)
5. R. Lehneis, A. Stein­metz, J. Lim­pert und A. Tün­ner­mann, »All-fiber pulse shor­ten­ing of pas­si­vely Q-swit­ched micro­chip laser pul­ses down to sub-200fs,« Opt. Lett. 39, 5806 (2014)

» Schluss­be­richt iPLASE

Koordinator

Dr. Sebastian Koke
Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG
Garbsener Landstr. 10
30419 Hannover
Tel.: 0511 / 760 727-19
E-Mail: Sebastian.Koke@coherent.com

Projektvolumen

1,47 Mio. €
(ca. 61% Förderanteil durch das BMBF)

Projektlaufzeit

1.1.2012 — 31.12.2014

Projektpartner

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung Teil des Photonik Forschung Deutschland-Programms