Gepumptes Yb:CaF2 Kristall
Hochleistungslaser für Laser-Shock-Peening
Das von der Thüringer Aufbaubank finanzierte Projekt LSP200 beinhaltet die Entwicklung und Realisierung eines hocheffizienten, diodengepumpten Festkörperlasers für die Anwendung Laser-Shock-Peening. Die Projektpartner sind die Lastronics GmbH, das Institut für Optik und Quantenelektronik (IOQ), ICS Industriedienstleistungen GmbH (ICS) und die Ernst-Abbe-Hochschule (AG Bliedtner). Idealerweise sollen Nanosekunden-Laserimpulse mit bis zu 20 J bei einer Folgefrequenz von 10 Hz erreicht werden.
Im Rahmen des Projektes LSP200 ist das IOQ für die Entwicklung eines Laserkopfes zuständig. Die Besonderheit liegt hier im Fakt, dass das Lasermaterial (Yb:YAG) im letzten Verstärker bei einer Temperatur von -150°C gehalten werden soll. Neben einer effizienten kryogenen Kühlung mit flüssigem Stickstoff bedarf dies eines innovativen Kühlkonzeptes. Die Abwärme wird dabei über Saphirplatten abgeleitet, die sich sehr dicht an der Oberfläche des Laserkristalles befinden. Da Saphir, als transparentes Material bei tiefen Temperaturen hoch wärmeleitend ist, können sehr kleine Temperaturunterschiede von wenigen Grad Celsius realisiert werden.
Zusätzlich muss dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Verstärkung im Laserkopf quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahles größer ist, als in Strahlrichtung. Damit muss verhindert werden, dass unerwünschte stimulierte Emission zu Leistungsverlusten führt. Zwei verschiedene Konzepte werden dafür untersucht.
Zwei Konstruktionen für kryogenes Laserkopf
Foto: RLPLaser der Joule-Klasse auf Basis von Thulium-dotiertem aktivem Medium
Im Rahmen von KMU-NetC geförderten Projektes HECMIR wird an der Erstellung eines gepulsten, diodengepumpten Lasers der Joule-Klasse auf Basis von Thulium-dotierten (Tm) Lasermedien gearbeitet, der im Bereich von 1,9 µm emittieren soll. Ein solcher Laser besitzt eine direkte Anwendbarkeit in vielen Bereichen von Forschung über Medizin bis hin zur Industrie, da unter anderem auch breitbandige Impulse im Femtosekunden-Bereich erzeugt werden können.
Allerdings hat das bisherige Fehlen der kommerziellen Verfügbarkeit eines solchen Lasers objektive Gründe: die Besonderheiten der verfügbaren Lasermaterialien (insbesondere der relativ kleine Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission) lassen eine nur geringe Effizienz für kurze Laserimpulse erwarten, weswegen es derzeit hauptsächlich kontinuierliche Laser, und dort fast ausschließlich Faserlaser gibt. Aus diesem Grund wird hier ein neuer innovativer Ansatz verfolgt, der einen zweistufigen Prozess vorsieht. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern werden insbesondere effiziente Laserdioden zum Pumpen von Tm-dotierten Lasermaterialen entwickelt.
Emmissionswirkungsquerschnitte von Tm:YAG bei verschiedenen Temperaturen
Bild: RLP