Weltrekord: 400 W Femtosekundenlaser für die ultrapräzise Materialbearbeitung

Ob in der Medizintechnik, der Elektronik, der Luft- und Raumfahrt oder in der Solartechnik mit fs-Laser lassen sich hochpräzise dünne Schichten abtragen, faserverstärkte Kunststoffe bohren oder Oberflächen von Keramik-Bauteilen strukturieren.

Als Hürde für die Verbreitung der fs-Laser erweist sich die bei kommerziellen Systemen auf unter 100 W begrenzte mittlere Leistung. Auf der LASER World of Photonics 2009 in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT erstmals das derzeit leistungsstärkste Ultrakurzpulslaser-Modul mit einer mittleren Leistung von über 400 Watt und Pulsdauern unter 1 ps aus.

Femtosekunden(fs)-Laser, also Laser mit Pulsdauern kleiner als eine Pikosekunde, haben seit den Anfängen vor 35 Jahren in der Wissenschaft eine stürmische Entwicklung erlebt. Die Wechselwirkung von fs-Laserstrahlung mit Materie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer kleiner als die meisten Wechselwirkungszeiten zwischen Atomen beziehungsweise Atomen und Elektronen ist. So treten bei der Materialbearbeitung Wärmeleitung, Schmelzen, Verdampfung oder Plasmabildung praktisch erst nach der Einwirkung der Laserstrahlung auf. Im Gegensatz zu längeren Nanosekunden-Pulsen oder Dauerstrich-(cw) Lasern tritt keine direkte Wechselwirkung von Licht und abströmender Materie auf, was einen besonders präzisen Materialabtrag ermöglicht. Mit fs-Laser sind Bearbeitungsergebnisse erzielbar, die durch kein anderes Verfahren erreicht werden.

Eine wesentliche Limitierung für den breiten Einsatz heutiger fs-Laser ist ihre mittlere Ausgangsleistung. Während cw-Faser- oder Scheibenlaser heute Kilowatt und mehr mittlerer Leistung bei beugungsbegrenzter Strahlqualität erreichen, liegt die Ausgangsleistung von fs-Lasern typischerweise im Bereich einzelner Watt. Fünfzig Watt zählen bei kommerziellen Lasern schon zum High-End-Bereich. Aufgrund ihrer komplexen Bauweise liegt der Preis solcher Systeme im Bereich einiger hunderttausend Euro. Hoher Preis und leistungsbegrenzte Prozessgeschwindigkeit schränken derzeit das Einsatzpotential von fs-Lasern ein. Breite Anwendung haben fs-Laser in der Produktion bisher nicht gefunden.

Auf der LASER World of Photonics 2009 stellt das Fraunhofer ILT erstmals das derzeit leistungsstärkste Ultrakurzpulslaser-Modul aus. Dieses wurde zum Teil im Verbundprojekt LASERTRON (FKZ 13N8720) mit BMBF Fördermitteln aus dem FEMTONIK Programm entwickelt. Mit einer mittleren Leistung von über 400 Watt hält es den Weltrekord hinsichtlich mittlerer Leistung eines Lasers mit Pulsdauern kleiner einer Pikosekunde.

Dies wurde möglich durch Neuinterpretation der sogenannten InnoSlab-Technologie, die seit über 10 Jahren am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) entwickelt wird. Diese Technologie bildet schon die Grundlage für zahlreiche Nano- und Pikosekunden-Lasersysteme im industriellen Einsatz. Der extrem einfache Aufbau des Single-Pass Verstärkers mit vier Spiegeln und einem Laserkristall ermöglicht einen opto-mechanisch und thermisch außergewöhnlich robusten und kompakten Aufbau.

Darüber hinaus ist eine Reduktion und Anpassung der auftretenden Intensitäten konzeptinhärent und bietet so die Möglichkeit, Pulsenergien unterhalb einem Millijoule – wie sie insbesondere für die Mikromaterialbearbeitung relevant sind – ohne komplexe „Chirped Pulse Amplification (CPA)“ zu erreichen. Dies ist ein weiterer Durchbruch für die Vereinfachung von fs-Lasersystemen und der damit verbundenen Kosten – eine wesentliche Vorraussetzung für den großflä-chigen Einsatz im industriellen Umfeld.

Der innovative Laser des Fraunhofer ILT ist dadurch gekennzeichnet, dass Oszillatoren mit 1-2 Watt Ausgangsleistung mit einer einzigen Verstärkerstufe auf bis zu 400 Watt Leistung verstärkt werden können. Bei voller Leistung wird eine Strahlqualität M2

Weitere Highlights sind Pulsdauern unter 700 fs und spektrale Bandbreiten unter 2 nm. Einerseits sind die Pulse damit deutlich kürzer als bei heutigen ps-Lasern und ermöglichen bessere Ergebnisse zum Beispiel in der Mikromaterialbearbeitung. Andererseits erlauben Bandbreite und Wellenlänge noch uneingeschränkt die Verwendung der gleichen Optiken wie bei typischen ps- und ns-Lasern. Spezielle Aufbauten zur zeitlichen Komprimierung (Kompressoren), wie bei Ultrakurzpulslasern häufig notwendig, sind überflüssig. Damit entfallen sämtliche Probleme, wie z.B. Pulsfront-/Phasenfront-Neigung, die durch diese Aufbauten hervorgerufen werden können.

Aufgrund des bandbreitebegrenzten Spektrums und der hohen Pulsspitzenleistung eignet sich die Laserstrahlung sehr gut für nichtlineare Frequenzkonversion. Frequenzverdoppelung, Kompression der Pulsdauer oder Erzeugung hoher Harmonische sind laufende Arbeiten. Erhöhung der Pulsenergie in den Multi 10mJ Bereich bei mehreren 100 Watt mittlerer Leistung durch zusätzliche CPA-Technik ermöglicht in Zukunft auch den Einsatz im wissenschaftlichen Bereich.

Die praktischen Grenzen des Ultrakurzpulslasers sind nach allen theoretischen und experimentellen Erkenntnissen derzeit noch nicht erreicht. Daher befasst sich das Fraunhofer ILT bereits mit der Skalierung des innovativen fs-Lasers zu Leistungen größer 1000 Watt. Die Ergebnisse der neuen Technologie werden einem breiten Fachpublikum auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle C2 auf der LASER 2009 in München vom 15. bis 18. Juni 2009 vorgestellt.

Ansprechpartner im Fraunhofer ILT
Für Fragen zu Femtosekundenlaser sowie allgemein zur Entwicklung von Festkörper- und Diodenlaser stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:
Dr. Torsten Mans
Projektleiter 400 W fs Laser
Tel: 0241 8906-379
torsten.mans@ilt.fraunhofer.de
Dr. Peter Rußbüldt
Gruppenleiter Ultrakurzpulslaser
Tel: 0241 8906-303
peter.russbueldt@ilt.fraunhofer.de
Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann
Leiter der Abteilung Laser und Laseroptik
Tel: 0241 8906-206
hansdieter.hoffmann@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Telefon 0241 8906-0
Fax 0241 8906-121
Pressekonferenz mit Rundgang auf der LASER 2009 in München:
Wann? Di 16.6.2009, 11h bis 13h
Wo? Fraunhofer Stand Nr. 350 in Halle C2
Kontakt: axel.bauer@ilt.fraunhofer.de