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Konzeptaufbau
Erster Aufbau mit vier Laserbarren

Gleichgerichtete Polarisationskopplung an Diodenlaserbarren

Moderne Materialbearbeitung mittels Lasern erfordert zunehmend höhere Leistungen und insbesondere Leistungsdichten, die mittels Diodenlasern nicht unmittelbar erreichbar sind.

Zur Verbesserung der Leistungsdichte an Diodenlaserbarren wird deshalb eine mehrstufige Polarisationskopplung entwickelt. Die Strahlqualität des Gesamtstrahls besitzt dann die Strahlqualität des Einzelbarrens, während die Ausgangsleistung deutlich steigt.

Dazu werden mehrere einzelne Laserbarren in individuellen Laserresonatoren aufgebaut, die sich das letzte Stück vor dem Auskoppelspiegel teilen. Durch eine geschickte Wahl von spektral filternden Elementen laufen alle einzelnen Laser auf ineinander verschränkten Kämmen von longitudinalen Lasermoden. Es ergibt sich eine Steigerung der Leistung um etwa einen Faktor 1,8 pro Koppelstufe.

Es wurden bereits Leistungen über 500W nachgewiesen und künftige Weiterentwicklungen versprechen Werte deutlich jenseits 1kW.

 

 

 

Kopplungsprinzip
Mehrere Laser werden polarisationsgekoppelt. Durch einen dispersiven Kristall kann diese gekreuzte Polarisation wieder gleichgerichtet werden.

Kopplungsprinzip

Mehrere Laserresonatoren sind so ineinander verschränkt aufgebaut, dass sie sich den Auskoppelspiegel teilen. Ein oder mehrere Lyot-Filter separieren unterschiedliche Frequenzanteile in die verschiedenen Kanäle, die jeweils von einem Gain-Element angetrieben werden.

Durch diese Filteranordnung kann jeder Diodenlaser nur auf den Wellenlängen oszillieren, die durch das ihm zugeordnete Filter definiert werden.

simulierte Spektren
Mittels finiter Elemente in 2 räumlichen und einer Zeitdimension simulierte Spektren gekoppelter Laser

Spektrale Simulationen

In enger Zusammenarbeit mit dem Weierstrass-Institut für angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) wurde das Kopplungsverhalten der Laser an die entsprechenden Resonatoren simuliert. Dabei wurden mittels finiter Elemente zwei Raum- und eine Zeitdimension berücksichtigt, so dass sich die spektralen Eigenschaften und deren Winkelabhängigkeiten ermitteln lassen. Man erkennt, dass die einzelnen Laser auf ineinander verzahnten Spektren oszillieren. Aufgrund der endlichen Winkelakzeptanz des Filters und weiterer optischer Störungen ist ein gewisses Übersprechen zwischen den Kanälen unvermeidlich.

experimentelle Sprekten
Experimentell ermittelte Spektren von vier Laserbarren.

Experimentelle Spektren

Die Kopplung von vier Hochleistungs-Laserbarren liefert auch in einem zweistufigen Prozess experimentell die erwarteten verzahnten Spektren mit guter spektraler Separation. Somit ist es künftig möglich, dieses (wieder) polarisierte Licht mittels eines zweiten gleichartigen Aufbaus in seiner Leistung abermals fast zu verdoppeln.

Demonstrator mit 500W Ausgangsleistung
Demonstatoraufbau aus vier Laserbarren, der über 500W Ausgangsleistung liefert

Demonstrator

Gemeinsam mit monocrom wurde eine Plattform für vier Hochleistungs-Laserdiodenbarren entwickelt. Mit diesem Demonstrator gelang es,  einen einzelnen gekoppelten Strahl mit  über 500W Leistung und einem Strahlparameterprodukt von BPP<30mm mrad zu erzeugen.

Weitere Informationen

  • Projektpartner:
  •        
  • Spezifikation: 500W, BPP < 30, λ=976nm
  • Publikationen: JOSA-B Vol.36, No.7 (2019) C. Brée, V. Raab, J. Montiel-Ponsoda, G. Garre-Werner, K. Staliunas, U. Bandelow, M. Radziunas;
  • "Beam-combining scheme of high-power broad-area semiconductor lasers with Lyot-filtered reinjection: modeling, simulations, and experiments"
  • Projektförderung: 01QE1650B (HIP-laser)
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