Aktuell / 26.03.2014

Spezialfasern ermöglichen neuen Hochleistungs-Faserlaser

Das Team der Forschungsabteilung Faseroptik des IPHT hat Glasfasern speziell für Hochleistungslaser entwickelt: Volker Reichel, Florian Just, Martin Leich, Stephan Grimm (v.l.n.r.) © IPHT /Döring

Ein neues Verfahren zur Herstellung von Glasfasern ermöglicht es, Hochleistungs-Faserlaser zu bauen, die aus nur einer einzigen Glasfaser mehr als fünf Kilowatt Laserleistung erzeugen. Die von den Forschern des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (IPHT) entwickelten Fasern werden in Multikilowatt-Faserlasern eingesetzt. Diese können mehrere Millimeter dicke Metallbleche schneiden, schweißen oder bohren. Es ist beispielsweise möglich, diese Laser in der Automobilindustrie einzusetzen. Erste Prototypen-Tests zum Verschweißen von Aluminium und Edelstahl bei den Projektpartnern VW und Audi verliefen erfolgreich.

Die Herstellung eines kosteneffizienten Hochleistungs-Faserlasers mit einer Leistung bis 4 kW war das Ziel der Forscher und Laserexperten im Verbundprojekt „Hochleistungs-Faserlaser hoher Strahlqualität auf der Basis alternativer Materialien und integrierter optischer Komponenten (FALAMAT)“. In dem Projekt hat das IPTH gemeinsam mit Industriepartnern ein verbessertes Verfahren zur Herstellung optischer Hochleistungsfasern entwickelt. Ergebnis ist ein sogenanntes Xtra-Large-Mode-Area Faserkonzept (XLMA) mit vergrößerten Pump- (1000 – 1200 µm) und Laserkerndurchmessern (50 – 100 µm). Die Projektpartner veredelten diese Fasern und integrierten sie in ein Strahlkonvertersystem mit hervorragenden Lasereigenschaften.

Glasfaser aus hochreinem Granulat hergestellt

Für das neue Glasfasermaterial wird in mehreren Prozessschritten ein hochreines synthetisches Quarzglas-Granulat hergestellt, das zu Stäben und später zu Glasfasern weiterverarbeitet wird. Hochreines Quarzglaspulver mit Zusatzstoffen wird unter Druck und Wärme versintert und dann in einem Hüllrohr bei weiter erhöhter Temperatur verglast. Das neue Herstellungsverfahren, die Reaktive Pulver Sinter-Technologie (REPUSIL), wurde in Kooperation mit dem Technologiekonzern Heraeus Quarzglas im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojektes FALAMAT entwickelt und erhielt zahlreiche Auszeichnungen.
Den Forschern ist es gelungen, den Faserkerndurchmesser zu erweitern, um dadurch die Laserleistung besser zu verteilen und das System insgesamt stabiler zu machen. Nun reicht eine einzige Glasfaser für die Erzeugung der hohen Laserleistung, statt aufwendig und kostenintensiv mehrere Einzelfasern zu koppeln. Die neuen Glasfasern sind robust und günstig herstellbar.
Bei dem neuen Laser kann die Faser, die bei herkömmlichen Dioden-Lasern zur Homogenisierung und Strahlführung eingesetzt wird, auch die komplexen Strahlformungs- und Strahlüberlagerungs-Komponenten ersetzen. Der große Kern entschärft Alterungsmechanismen wie das sogenannte Photodarkening.

Der Hochleistungslaser wird weiterentwickelt

Das im Verbundvorhaben realisierte Faserlaser-System auf der Basis neuartiger Materialien und Komponenten, welche ein großes laseraktives Volumen ermöglichen, stellt eine kostengünstige Ergänzung der bisher auf dem Markt verfügbaren Festkörperlaser dar. Das neue Herstellungsverfahren für hochreine dotierte Quarzgläser erwies sich als Alternative zu bestehenden Technologien wie der MCVD-Technologie.
In einem Folgeprojekt entwickeln die Jenaer Wissenschaftler gemeinsam mit ihren Partnern das REPUSIL-Verfahren weiter, um so die Leistungsfähigkeit der Faserlaser zu steigern.
Außerdem wollen sie die neuartigen Materialien und Fasern umfassend charakterisieren insbesondere bezüglich der Langzeitstabilität, Leistungsbeständigkeit und intrinsischer Effekte (Spannungs- und Streumessungen an Preform und Fasern).

Funktionsprinzip von Faserlasern

Faserlaser sind optische Fasern, die das Licht nicht nur passiv leiten sondern selbst aktiv als Quellen für Laserlicht dienen. Faserlaser sind eine spezielle Form des Festkörperlasers, die im Kern eine Glasfaser enthält. Während der Festkörperlaser eine Pumplichtquelle benötigt, ist bei einem Faserlaser das Licht in die Glasfaser eingekoppelt.

Verknüpfte Projekte

    Verbundprojekt

    „Hochleistungs-Faserlaser hoher Strahlqualität auf der Basis alternativer Materialien und integrierter optischer Komponenten (FALAMAT)“

    Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download

    Projektbeteiligte

    Laufzeit: 2008 – 2012

    Förderkennzeichen: 13N9552 – 13N955, 13N1191 - 13N11192