Gebündelte Energie

Presseinformation Nr. 106 vom 27. Juni 2012

Konstanzer Physiker und die Firma Trumpf Laser GmbH + Co. KG schaffen Laser-Weltrekord


Prof. Dr. Thomas Dekorsy

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thoams Dekorsy am Zentrum für Angewandte Photonik (CAP) der Universität Konstanz und die Firma Trumpf Laser GmbH + Co. KG haben in einem gemeinsamen Forschungsprojekt einen neuen Rekord bei der Ausgangsleistung und Impulsenergie ihrer Pikosekundenoszillatoren erzielt. Mit einem neu entwickelten Oszillator konnte eine Ausgangsleistung von 145 Watt im infraroten Bereich erreicht und die Impulsenergie auf 41 Mikrojoule gesteigert werden.

Der bereits auf verschiedenen Fachkonferenzen und in der Zeitschrift „Optics Express“ vorgestellte Laser basiert auf dem Scheibenlaserkonzept, bei dem eine dünne Kristallscheibe das laseraktive Medium darstellt. Auf der Basis dieses Konzeptes werden bei Trumpf bisher industriell einsatzfähige Pikosekundenlaser mit 100 Watt Ausgangsleistung hergestellt. Die erhöhte Ausgangsleistung von 145 Watt konnte im Gegensatz zu diesen Lasern nun nur durch einen Oszillator ohne Nachverstärkung erreicht werden. Die Entwicklung des Oszillators erfolgte im Rahmen der Doktorarbeit von Dominik Bauer, Laserentwicklung Trumpf Laser GmbH + Co. KG in Schramberg.

„Das Besondere an diesem Laser ist ein leicht modifiziertes Resonatordesign, mit dem wir schon von Beginn an eine sehr hohe Ausgangsleistung des Laserpulses erreichen, statt eine moderate Leistung zu verstärken“, sagt Dominik Bauer. Besondere Herausforderung war der Umgang mit Luft im Resonator, da die in der Luft enthaltenen Moleküle mit dem Laserstahl interagieren und die Impulsbildung destabilisieren. Durch den Einsatz spezieller Spiegel konnte dieser Effekt weitgehend kompensiert werden.

Die infraroten Laserimpulse lassen sich in grüne und ultraviolette Impulse umwandeln. Dies erfolgt durch eine nachgelagerte Frequenzkonversion außerhalb der Kavität, hat aber Auswirkungen auf die Leistung. Bei einer Wellenlänge von 515 Nanometer kann immerhin noch eine Ausgangsleistung von knapp 100 Watt erzielt werden, im ultravioletten Bereich sind es derzeit rund 35 Watt. Grüne und ultraviolette Wellenlängen sind insbesondere für die Glas- und Kunststoffbearbeitung interessant.

Pikosekundenlaser sind Ultrakurzpulslaser, die eine Bearbeitung kleinster Bauteile und feinster Strukturen ermöglichen. Zum Vergleich: In einer Pikosekunde legt ein Lichtstrahl 0,3 Millimeter Weg zurück. „Entscheidend bei der Anwendung ist, wie viel Energie ein Impuls hat und dass die ganze Energie in dem kurzen Impuls gebündelt ist. Mit unserem Laserstrahl fliegt das Material einfach weg, ohne es zu erhitzen“, erklärt Thomas Dekorsy. Typische Anwender sind neben der wissenschaftlichen Forschung die Chip- und Halbleiterbranche, aber auch Solar- und Automobilindustrie sowie die Medizintechnik. Bislang werden beispielsweise kleinste Löcher in Leiterplatten von Chips oder in Einspritzdüsen von Fahrzeugen gebohrt. Auch Stents zur Stabilisierung von Gefäßen werden mit Ultrakurzpulslasern geschnitten. Die hohe Ausgangsleistung von 145 Watt ist ein Durchbruch für eine breite Anwendung von Pikosekundenlasern im industriellen Alltag. Allerdings handelt es sich bei dem vorgestellten Projekt um Laborversuche, an denen noch weiter geforscht wird.

Das Centrum für Angewandte Photonik an der Universität Konstanz hat sich zum Ziel gesetzt, in industriellen Kooperationen Grundlagenforschung in Produktentwicklungen umzusetzen. „In den optischen Technologien laufen grundlegende Neuentwicklungen sehr schnell ab. Jede Anwendung, die mit Lasern durchführbar ist, wird auch mit Lasern gemacht werden. Eine sauberere und bessere Verarbeitungsmethode gibt es nicht“, so Thomas Dekorsy.

Originalveröffentlichung: D. Bauer, I. Zawischa, D. H. Sutter, A. Killi, T. Dekorsy: „Mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator with 41 µJ pulse energy at 145 W average infrared power and high power frequency conversion", Optics Express 20, 9698, (2012)