Soviel grün war nie – Femtosekundenlaser mit Rekordleistung installiert

19.05.2011: Erstmals sind 280 W mittlerer Leistung bei 515 nm Wellenlänge und perfekter Strahlqualität auf Knopfdruck abrufbar. Im Rahmen des Kooperationsprojekts KORONA installierten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen einen Femtosekundenlaser am Max-Planck-Institut für Quantenoptik MPQ in Garching. Der schlüsselfertige Laser basiert auf einem Yb:INNOSLAB-Verstärker mit Frequenzverdopplung. Mehr Leistung bei beugungsbegrenzter Strahlqualität erreicht im sichtbaren Spektralbereich bisher kein anderes Lasersystem.

Ultrakurze Laserpulse sind als Werkzeug in Wissenschaft und Industrie etabliert. Die Skalierung zu großen mittleren Leistungen erweitert die Anwendungsmöglichkeiten in vielen Bereichen. Große Fortschritte in der Strahlquellenentwicklung sind in den letzten Jahren auf diesem Gebiet erreicht worden. Mittlere Leistungen im Bereich mehrerer 100 W bei beugungsbegrenzter Strahlqualität wurden demonstriert mit Ytterbium-dotierten Lasermedien bei ca. 1 µm Wellenlänge in Faser-, INNOSLAB- und Scheibengeometrie. Den Rekord mit einer Leistung von 1,1 kW halten die Forscher des Fraunhofer ILT mit ihrem Yb:INNOSLAB-Verstärker.

Damit diese Strahlquellen für den breiten Einsatz in Wissenschaft und Industrie geeignet sind, müssen sie zuverlässig und einfach zu bedienen sein. Die Forscher des Fraunhofer ILT haben nun ein Lasersystem am MPQ installiert, das mit einer industrienahen Aufbautechnik und Bedienoberfläche eine mittlere Leistung von 280 W bei 515 nm Wellenlänge und nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität von M² < 1,4 liefert. Dazu wird die Strahlung eines kommerziellen Femtosekunden-Lasers mit 3 W Ausgangsleistung in einem Yb:INNOSLAB-Verstärker auf 470 W mit 700 fs Pulsdauer verstärkt und anschließend in einem nicht¬linearen Kristall frequenzverdoppelt. Damit steht den Wissenschaftlern am MPQ eine mittlere Leistung zur Verfügung, die eine Größenordnung höher ist als die kommerziell erhältlicher Systeme.

Ultrakurzpulslaser bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Materialbearbeitung. Der Vorteil durch präziseren Abtrag gegenüber längeren Pulsen ist weithin anerkannt. Mit dem Femtosekunden-Laser können Materialien bearbeitet werden, die andernfalls für Licht der Laserwellenlänge transparent sind, also etwa Glas. Diese Eigenschaft beruht auf dem Prozess der Multiphotonenabsorption, der bei den großen Pulsspitzenintensitäten auftritt. Frequenzkonversion vom infraroten in den grünen Spektralbereich ergibt eine verdop-pelte Photonenenergie, so dass weniger Photonen für die Absorption ausreichen und die Absorption noch effektiver sein kann.

Eine andere Anwendung von grüner Laserstrahlung ist die Bearbeitung von Kupfer und anderen Materialien, die in diesem Spektralbereich besonders gut absorbieren. Die Skalierung der mittleren Leistung erlaubt einen größeren Durchsatz und macht den industriellen Einsatz wirtschaftlich, da die Kosten pro Watt deutlich gesenkt werden. Ziel des Kooperationsprojekts KORONA zwischen der Max-Planck-Gesellschaft und der Fraunhofer-Gesellschaft ist die Erzeugung kohärenter Strahlung mit Wellenlängen im extrem-ultravioletten Bereich unter 100 nm. Dieser Wellenlängenbereich kann erschlossen werden durch die Erzeugung hoher Harmonischer von Femtosekunden-Strahlung. Die Skalierung der mittleren Leistung erschließt auch in diesem Wellenlängenbereich neue Anwendungsmöglichkeiten. INNOSLAB-Laser sind auch kommerziell verfügbar. Auf Basis der INNOSLAB-Plattform bietet die Firma EdgeWave GmbH, eine Ausgründung des Fraunhofer ILT, seit etwa zehn Jahren gepulste Festkörperlaser für den wissenschaftlichen und industriellen Einsatz an. Die Firma Amphos GmbH, eine weitere Ausgründung des Fraunhofer ILT, entwickelt und verkauft Yb:INNOSLAB-Laser im Leistungsbereich 100 W bis 1000 W.