Innovationsschub durch hochenergetische Femtosekundenlaser

Forscher des Laser Zentrums Hannover e.V. (LZH) wollen weltweit erstmalig eine 2 μm Femtosekunden-Strahlquelle mit Pulsenergien im μJ-Bereich entwickeln.

Seit annähernd 20 Jahren weiß man um die besonderen Vorzüge ultrakurzer Laserstrahlung. Aufgrund der extremen zeitlichen Verkürzung des Pulses erreicht man sehr hohe Spitzenintensitäten selbst bei geringen Pulsenergien. Die Wirkung ist beachtlich: Man kann Material sehr präzise schneiden und abtragen, ohne es durch Erwärmung zu schädigen. Diesen Vorteil macht man sich bereits in verschiedenen Anwendungsbereichen zunutze, wie z.B. in der Augenchirurgie. Hornhauttransplantationen mit dem fs-Laser sind seit Jahren gängige Praxis und seit 2011 wird das System bei der Behandlung des Grauen Stars eingesetzt. Auch in der Industrie profitiert man von den Vorzügen der Ultrakurzpuls-Lasersysteme. Hier führen sie beispielsweise zu deutlich effizienteren Solarzellen oder verbessern die Ausnutzung teurer Wafer in der Chipproduktion.

Durch Erweiterung des Emissionsspektrums eines fs-Lasers in den Spektralbereich 2 µm bei gleichzeitig hohen Pulsenergien will man am LZH jetzt das Tor zu gänzlich neuen Anwendungsfeldern u. a. in der Mikromaterialbearbeitung, der Medizintechnik oder in der Nanotechnologie aufstoßen. Neben den hohen wirtschaftlichen Erfolgsaussichten bietet dieser ,augensichere" Wellenlängenbereich einen weiteren Vorteil: beim Lasereinsatz müssen nur relativ geringe Sicherheitsstandards eingehalten werden - ein ansonsten stark beschränkender und kostenintensiver Aspekt.

Konkretes Ziel der Arbeiten in der Abteilung Laserentwicklung des LZH ist ein kompakter, regenerativer Ultrakurzpuls-Verstärker, der im Wellenlängenbereich um 2 μm mit Pulsenergien von bis zu 50 μJ und Pulsdauern unterhalb von 500 fs emittiert. Die Forscher setzen als Seedlaser einen fs-Oszillator auf der Basis von Thulium-dotierten Fasern mit einer Ausgangsenergie von 1-2 nJ ein, die auf 25 nJ nachverstärkt wird. Im Anschluss an die regenerative Verstärkung erfolgt eine nichtlineare Frequenzkonversion in den Wellenlängenbereich von 3 bis 6 µm in einem optisch parametrischen Generator oder Verstärker (OPG/OPA). Als nichtlineare Kristalle dienen z.B. Galliumarsenid (GaAs) oder Zink Germanium Phosphit (ZGP).

"Unser Endziel ist ein auf dem 2 µm-System basierender fs-Laser, der im mittleren Infrarotbereich emittiert", erläutert Dr. Dieter Wandt, Leiter der maßgeblich beteiligten Gruppe Ultrafast Photonics. "Für diese Wellenlängen erwarten wir noch enorme Wachstumspotentiale." Als ein wichtiges Anwendungsfeld nennt Wandt die Bearbeitung von Polymeren, die man unter Einsatz von IR-Strahlung ohne Zusatz von Additiven schneiden, schweißen oder trennen kann. Für die deutschen Laserhersteller soll das neue Grundlagen-Know-how einen entscheidenden Vorteil im internationalen Wettbewerb um die Lasertechnik der ultrakurzen Pulse liefern.

Quelle: idw / Laser Zentrum Hannover (LZH)