Bessere Fokussierung von Lasern
Bei modernen Festkörperlasern wie etwa Scheiben- oder Faserlasern lassen sich die Laserstrahlen sehr präzise fokussieren und die Strahlung in flexiblen Glasfasern über Distanzen von 100 Metern und mehr führen. Dies ermöglicht eine einfache und sichere Handhabung des Laserstrahls und macht die Geräte zu vielseitigen Werkzeugen für die Industrie. Dennoch ist die maximale Übertragungsstrecke begrenzt. Forscher des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart haben nun neuartige Multikern-Glasfasern entwickelt, die längere Übertragungswege für Hochleistungs-Festkörperlaser erlauben.
Die Ursache für die Begrenzung der Übertragungsstrecke von Laserstrahlen in Glasfasern liegt in nichtlinearen Effekten, die bei sehr ho-hen Leistungsdichten in den Fasern auftreten. Diese können entweder die am Ausgang der Glasfaser verfügbare Leistung deutlich reduzieren oder sogar zur Beschädigung der Faser beziehungsweise der Laserquelle führen. Je länger die Glasfaser ist, desto geringer ist die Leistungsdichte, ab der die Begrenzungseffekte eintreten. Gleichzeitig nimmt die Bedeutung dieser Effekte mit steigender Qualität der Strahlquellen zu. Da Leistung und Strahlqualität stetig steigen, werden die Limitierungen in der Übertragungslänge dazu führen, dass die hohe Brillanz der künftig kommerziell verfügbaren Hochleistungs-Festkörperlaser nicht voll ausgenutzt werden kann.
Mit dem neuen Faserziehturm der Uni ist es den Forschern des IFSW gelungen, Glasfasern für die Übertragung von Multi-Kilowatt-Laserstrahlung mit beugungsbegrenzter Strahlqualität über Entfernungen von etwa 100 Metern zu entwickeln. Die neuartigen Glasfasern sind singlemodig und besitzen eine effektive Modenfeldfläche von 470 Quadratmikrometern. Singlemodig heißt, dass innerhalb der Faser nur eine Lichtverteilung möglich ist und damit eine gute Fokussierbarkeit der Laserstrahlung bei der Übertragung durch die Glasfaser gewährleistet ist. In mehrmodigen Glasfasern treten aufgrund mehrerer möglicher Verteilungen Übertragungsstörungen auf. Normalerweise steigt die Anzahl der im Faserkern geführten Moden mit zuneh-mender Querschnittsfläche. Die neue Faser vereint jedoch eine echte Einmodigkeit mit einer großen Fläche. Kommerziell verfügbare vergleichbare Glasfasern besitzen beispielsweise Modenfelder von höchstens 300 Quadratmikrometern und sind gleichzeitig biegeempfindlicher. Die Überlegenheit der Multikernfaser beruht darauf, dass das Laserlicht nicht in einem einzelnen Kern geführt, sondern über 19 kleinere, miteinander gekoppelte Kerne verteilt wird. Die Herausforderung bestand darin, die einzelnen Kerne und deren Anordnung so auszulegen, dass die Gesamtstruktur aus allen Kernen nicht multimodig wird. Diese Eigenschaften der neuen Faser ermöglichen es, höhere Leistungen zu übertragen beziehungsweise längere Übertragungswege zu realisieren, ohne dass dabei die Strahlqualität des Lasers abnimmt. So bleibt die gute Fokussierbarkeit der Festkörperlaser bis zum Werkstück erhalten.
Die Forschungsarbeiten fanden im Rahmen des Programms "Optische Technologien" des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts "Kohärente Strahlformung für Laserstrahlwerkzeuge" statt und finden ihre Fortsetzung in dem Folgeprojekt "Hochleistungs-Transportfasern für Multi-kW-Laserstrahlung höchster Brillanz".
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