FOKUS

Femtosekundenlaser höchster Leistung (FOKUS)

Ultrakurzpulslaser höchster Leistung – Vom Weltrekord in die industrielle Anwendung

Grundlage für den wirtschaftlichen Einsatz von Ultrakurzpulslasern sind industrietaugliche, also robuste und wartungsarme Strahlquellenkonzepte, die eine weitere Erhöhung der Ausgangsleistung erlauben. Gleichzeitig wird für die Entwicklung und Etablierung weiterer neuartiger Laserprozesse für die Materialbearbeitung die Kombination von hoher mittlerer Leistung und kürzeren Pulsdauern benötigt. Eine der zentralen Herausforderungen dabei besteht vor allem darin, die üblicherweise mit der Verkürzung der Pulsdauern einhergehende Zunahme der Komplexität der Lasersysteme durch geeignete Strahlquellenkonzepte zu verhindern. Dies führt direkt auch zu niedrigeren Kosten solcher Ultrakurzpulslasersysteme, so dass sich dadurch auch weitere Anwendungsfelder für die Ultrakurzpulstechnologie erschließen lassen. Für den Einsatz in der Materialbearbeitung – etwa von Solarzellen oder von Faserverbundwerkstoffen für den Leichtbau – ermöglichen Strahlquellen der angestrebten Leistungsklasse eine deutliche Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit, so dass für die Ultrakurzpulstechnologie über die Mikromaterialbearbeitung hinaus zunehmend auch der Einsatz in der Makromaterialbearbeitung wirtschaftlich wird. Die Arbeiten schaffen im Erfolgsfall die Grundlage für einen zügigen Technologietransfer der bislang im Labor erzielten und international beachteten Rekordwerte in die industrielle Anwendung. Nach der erfolgreichen Umsetzung industrietauglicher Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern im Bereich einiger Pikosekunden folgt nun der nächste Schritt hin zu kürzeren Pulsdauern und höheren Ausgangsleistungen. Die herausragende Position deutscher Unternehmen auf diesem Gebiet wird damit gesichert und weiter ausgebaut.

Kürzer, stärker, produktiver – Die nächste Genration der Ultrakurzpulslaser

Ziel des Vorhabens ist die Realisierung leistungsstarker, robuster und kompakter Ultrakurzpulslaser der nächsten Generation. Dabei sollen neue Laserkristalle eingesetzt werden, um das Ziel der stabilen Erzeugung von Laserstrahlung mit Ausgangsleistungen im Bereich bis 1000W bei Pulsdauern im Bereich von 200fs bis 1ps zu erreichen. Der Einsatz von Ytterbium als aktivem Ion zur Verstärkung der Laserstrahlung erlaubt die Erzeugung kürzerer Laserpulse. Gleichzeitig muss für eine Steigerung der Ausgangsleistung störende Wärme effektiver aus den Laserkristallen, in denen die Ytterbium-Ionen eingebettet sind, abgeführt werden. Dies soll durch das vorgeschlagene Strahlquellendesign in Verbindung mit neuen Kristallmaterialien mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Innovative Pumpmodule mit stabilisierter Wellenlänge und verringertem Strombedarf sollen genutzt werden, um die zur Verstärkung der Laserstrahlung benötigte Energie effizienter in die Laserkristalle einzubringen. Um die gesteigerte Ausgangsleistung industriell nutzen zu können, werden darüber hinaus weitere Komponenten, etwa zum Schutz der Strahlquellen vor der Laserstrahlung, die bei der Bearbeitung vom Werkstück möglicherweise zurück reflektiert wird, benötigt. Zudem müssen für die kostengünstige Herstellung der innovativen Laserkristalle entsprechend produktive Kristallzuchtprozesse erarbeitet werden. Der entlang der Wertschöpfungskette strukturierte Verbund wird sich diesen grundlegenden Fragestellungen annehmen, so dass im Anschluss an das Vorhaben mit einer zügigen Entwicklung und Markteinführung von Ultrakurzpulslasern der nächsten Generation zu rechnen ist.