Stark und effizient

  • 23. January 2015

Diodenlaser-Pumpmodul erreicht große Pulsenergien bei hohen Repetitionsraten.

Diodengepumpte Festkörperlaser, die hohe Impulsenergien im Joule-Bereich bei mittleren Leistungen von mehreren hundert Watt liefern, waren bislang weltweit nicht verfügbar. Sie werden jedoch für Hochfeldlasersysteme, die auf leistungsstarken Ultrakurzpuls-Lasern basieren, dringend benötigt. Damit lassen sich neuartige Röntgenquellen für die Materialanalytik nutzbar machen und neue experimentelle Möglichkeiten auf dem Gebiet der Attosekunden-Spektroskopie eröffnen. Solche Laserpulse führen unter anderem zu einem besseren Verständnis von chemischen Prozessen in Molekülen. Auch Anwendungen im medizinischen Bereich gehören dazu, beispielsweise als Teilchenbeschleuniger für die Krebstherapie.

Abb.:Zwei dieser Barrenmodule bilden ein Hochleistungs-Pumplasermodul für Kilowatt-Laser. (Bild: FBH / P. Immerz)

Abb.:Zwei dieser Barrenmodule bilden ein Hochleistungs-Pumplasermodul für Kilowatt-Laser. (Bild: FBH / P. Immerz)

Kernstück dieser neuartigen Hochleistungsfestkörperlaser sind Diodenlaser-Pumpmodule, die effizient sowie möglichst einfach und robust im optischen Aufbau sein müssen. Derartige Diodenlaser-Pumpmodule wurden im Rahmen einer Kooperation des Ferdinand-Braun-Instituts mit dem Berliner Unternehmen C2GO inprocess solutions neu entwickelt. Sie wurden nun erfolgreich am Max-Born-Institut (MBI) in Betrieb genommen. Dort kommen die fasergekoppelten Pumpmodule in einem CPA-Scheibenlasersystem (chirped pulse amplification) hoher Repetitionsrate für Spitzenleistungen im Petawattbereich zum Einsatz.

Die Module liefern hohe Pulsenergien von 6 Joule (6 Kilowatt über eine Pulsdauer von zirka 1 Millisekunde) mit hohen Folgefrequenzen von 200 Impulsen pro Sekunde; die mittlere Leistung beträgt mehr als ein 1 Kilowatt. Die Effizienz der eingesetzten Chips liegt über sechzig Prozent. Nach Kopplung in eine Pumpfaser beträgt der elektrooptische Konversionswirkungsgrad immer noch über fünfzig Prozent. Begrenzt durch die bisher eingesetzten Pumpmodule lag die Wiederholrate dieser Lasersysteme mit Impulsenergien im Joule-Bereich vorher bei nur 10 Hertz. Damit können nun die Forschungsarbeiten am MBI erheblich beschleunigt werden und die genannten Anwendungen kommen schneller in die Praxis.

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) hat die dafür benötigten maßgeschneiderten Diodenlaser entwickelt. Diese sind hocheffizient und erfüllen zugleich hinsichtlich der Strahleigenschaften die Anforderungen für eine einfache und robuste Faserkopplung. Ein Laserchip mit rund 1 Millimeter Aperturbreite, montiert zwischen zwei CuW-Träger, emittiert bei 940 Nanometern Wellenlänge 120 Watt im QCW-Betrieb. Vom Kooperationspartner C2GO, einem Spezialdienstleister im Bereich hochkomplexer elektromechanischer und elektrooptischer Verbindungs- und Montagetechnologien von Lasermodulen unterschiedlicher Leistungsklassen, werden diese vormontierten Emitter zu Stacks mit je 28 Einzellasern kombiniert. Anschließend werden sie zusammen mit einer Kühlung in ein Gehäuse eingebaut. Neuartig sind der Aufbau ohne zusätzliche mechanische Elemente mit hoher Fügepräzision und die seitliche Entwärmung, die für alle Einzellaser einen gleichen thermischen Widerstand realisiert. Ein Modul besteht aus jeweils zwei vollintegrierten, wassergekühlten Laserstacks. Deren Gesamtleistung von mehr als 6 Kilowatt wird dann sehr effizient mit wenigen Linsen in eine Faser eingekoppelt.

Claus Heitmann, Geschäftsführer der C2GO inprocess solutions ist hocherfreut, das FBH in seiner Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu unterstützen, und das volle Vertrauen für eine anschließende federführende Vermarktung des Produktes zu genießen: „Nach mehreren Monaten intensiver ingenieurstechnischer Entwicklungsarbeit mit engster Abstimmung und Zusammenarbeit mit den Kollegen des FBH freuen wir uns, durch die erfolgreiche Erstinbetriebnahme einen sehr wichtigen Meilenstein erreicht zu haben. Das in uns gesetzte Vertrauen haben wir mit der Inbetriebnahme des Modules bei 5,7 Kilowatt und 100 Hertz vollumfänglich rechtfertigen können.“

FBH / DE

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