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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].
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.

Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Julia Mündel
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
muendel(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Funktionsnachweis / TRL3
Patentsituation
EP 3413410 A1 anhängig
Referenznummer
16/051TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.