Konstante Laserpuls-Verstärkung mittels „Master-Oscillator Power Amplifier“ - MOPA
Kurzfassung
Bei der Verwendung von Lasern in der industriellen Produktion ist die konstante Qualität der Laserpulse eine wichtige Stellgröße. Das hier vorgestellte System „Master-Oscillator Power Ampliefier“ (MOPA) kombiniert zwei Verstärker und liefert dadurch Pulse mit konstant gleichförmigen Pulseigenschaften bei hoher Leistung und Repetitionsrate.
Hintergrund
Um weitere Produktivitätssteigerungen zu erreichen, wurden Laser-Systeme in den letzten Jahren in vielen Parametern (Mittlere Leistung, Spitzenleistung, Repetitionsrate) bereits auf Spitzenwerte getrimmt. Flexible Produktionen verlangen außerdem nach Möglichkeiten der Einzelpuls-Anwahl bzw. eines ‚pulse-on-demand‘.
Problemstellung
Am Markt erhältliche Verstärkersysteme stoßen an ihre Grenzen, wenn sie bei hoher Leistung und hohen Repetitionsraten gepulster Strahlung (multi-MHz) die Pulse zudem schnell schalten bzw. modulieren sollen. Auch externe Modulatoren erreichen ihre Grenze was Geschwindigkeit oder Belastbarkeit angeht und sind außerdem teuer. Typische Probleme sind die Regulierung der Pulse auf dem Werkstück, bzw. eine zu hohe Energie des ersten Pulses. Dies kann eine Beschädigung des Systems verursachen oder eine starke Schwankung der Pulsenergie am Strahlausgang über eine Reihe an Pulsen hinweg verursachen, was dann ein ungleichmäßiges Bearbeitungsergebnis zur Folge hat.
Lösung
Mit Hilfe des neuartigen Verstärkersystems können die Verhältnisse innerhalb der Verstärkerkette bei gleichzeitig hoher Leistung und hohen Repetitionsraten der Pulse während der Schaltvorgänge bzw. Modulation der Pulse zuverlässig konstant gehalten werden. So lassen sich durchgängig gleichförmige Pulseigenschaften erzeugen.
Um den Verstärker möglichst gleichmäßig zu betreiben, wird dem Hauptstrahl ein zweiter Strahl hinzugefügt, der komplementär zum Hauptstrahl den Verstärker durchläuft. Der zweite Strahl wird nach dem Verstärker über seine zum Hauptstrahl orthogonale Polarisierung wieder abgetrennt. Je nach Konfiguration ist das System für diverse Polarisationszustände (auch radiale oder azimutale Polarisation) adaptierbar.
![Zwei mögliche Konfigurationen des Systems mit unterschiedlicher Erzeugung des Zweitstrahls bzw. dessen Ein- und Auskopplung [IFSW, Universität Stuttgart].](/fileadmin/user_upload/img/Technologieangebote/16_051_Konfigurationen.jpg "Zwei mögliche Konfigurationen des Systems mit unterschiedlicher Erzeugung des Zweitstrahls bzw. dessen Ein- und Auskopplung [IFSW, Universität Stuttgart].")
Zwei mögliche Konfigurationen des Systems mit unterschiedlicher Erzeugung des Zweitstrahls bzw. dessen Ein- und Auskopplung [IFSW, Universität Stuttgart].
Vorteile
- ultraschnelle Strahlmodulation bei sehr hoher Leistung und hohen Repetitionsraten
- konstante Pulseigenschaften, insbesondere Pulsenergie
- stabiler Strahl auf dem Werkstück
- geeignet für „pulse on demand“-Applikationen
- für lineare wie auch radiale/ azimutale Polarisationen geeignet
Anwendungsbereiche
Das an der Universität Stuttgart im Rahmen eines von der EU geförderten Projektes entwickelte Verstärkersystem für hohe Leistungen und hohe Modulations- bzw. Schaltgeschwindigkeiten MOPA bietet eine bisher unerreichte Gleichmäßigkeit der Laserpuls-Eigenschaften, insbesondere der Leistung, was enorme Vorteile für nachgeschaltete Prozesse bietet (Materialbearbeitung uvm.); insbesondere interessant für Anwendungen, die gleichermaßen auf hohe Pulsraten (multi-MHz) und eine hohe mittlere Leistung (>1 kW) angewiesen sind.
Publikationen und Verweise
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
https://www.ifsw.uni-stuttgart.de/dokumente/lasermagazin/2016_Lasermagazin_2_Ultrafast-RAZipol.pdf
Peer reviewed papers:
C. Röcker, A. Loescher, J. P. Negel, M. Delaigue, F. Morin, C. Hönninger, E. Mottay, P. Villeval, A. Holvoet, D. Lupinski, T. Graf, and M. Abdou Ahmed, "Direct amplification of sub-300 fs pulses in a versatile thin-disk multipass amplifier", Opt. Commun. 460, (2020).
https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.125159
C. Röcker, J.-P. Negel, A. Loescher, T. Dietrich, S. Piehler, B. Dannecker, T. Graf, and M. Abdou Ahmed, "Ultrafast thin-disk multipass laser amplifier scheme avoiding misalignment induced by natural convection of the ambient air", Opt. Eng. 58, 1 (2019).
https://doi.org/10.1117/1.OE.58.9.096102
Jan-Philipp Negel, André Loescher, Benjamin Dannecker, Paul Oldorf, Stefanie Reichel, Rigo Peters, Marwan Abdou Ahmed, and Thomas Graf, "Thin-disk multipass amplifier for fs pulses delivering 400 W of average and 2.0 GW of peak power for linear polarization as well as 235 W and 1.2 GW for radial polarization", Appl. Phys. B (2017) 123: 156.
https://doi.org/10.1007/s00340-017-6739-2
André Loescher, Jan-Philipp Negel, Thomas Graf, and Marwan Abdou Ahmed, "Radially polarized emission with 635 W of average power and 2.1 mJ of pulse energy generated by an ultrafast thin-disk multipass amplifier", Opt. Lett. 40, 5758-5761 (2015).
https://doi.org/10.1364/OL.40.005758