„Seedbeam-Scanning“ – mehr Leistung für UKP-Scheibenlaser dank kompaktem Multipass-Verstärker

Anstatt den Seedstrahl bis zu 80-mal über einen gleichgroßen Pumpspot zu falten, kann nun durch das Abrastern des Pumpspots mit einem viel kleineren Seedstrahl eine wesentlich bessere Laserleistung erzielt werden.

• Erhöhte Ausgangsleistung
• Kompakt und kostengünstig
• Mechanisch und thermisch stabil dank kurzem Strahlengang
• Deutliche schmalerer aber effizienterer Seedstrahl bei gleicher oder geringerer Leistungsdichte
• Prinzip auch für Oszillatoren anwendbar

Die am Institut für Strahlwerkzeuge (Universität Stuttgart) entwickelte Erfindung bietet nun eine Möglichkeit, die Ausgangsleistung von (UKP-)Scheibenlasern weiter zu steigern. Dies wird durch Abrastern des Pumpspots mit einem sehr viel kleineren Seedstrahl realisiert. So wird abermals eine deutliche Leistungssteigerung für Scheibenlaser erreicht und das System gleichzeitig sogar kompakter, robuster und kostengünstiger.

Auch über 25 Jahre nach der Entwicklung des Scheibenlasers wird noch an dessen Leistungssteigerung getüftelt, um den Forderungen nach immer höherer Produktivität von Bearbeitungsprozessen gerecht zu werden. Eine Hochskalierung innerhalb etablierter Systeme stößt jedoch irgendwann an physikalische Grenzen. So ist die maximal nutzbare Leistungsdichte des Pumplaserstrahls durch Quantendefekte und die damit verbundene Erwärmung des Lasermediums limitiert. Die Gesamtleistung kann deshalb nur durch eine effizientere Nutzung des Seedstrahls erhöht werden.

Um den Seedstrahl möglichst oft über den gleichgroßen Pumpspot zu falten und damit eine effektive Absorption zu erreichen, wird bisher auf eine große Anzahl von spiegelnden Elementen zurückgegriffen, die um die Laserscheibe angeordnet werden und sich einzeln justieren lassen. Diese Verstärker-Anordnung, mit der eine maximale Ausgangsleistung von 2 kW erreicht wird, benötigt neben großem Bauraum auch eine aufwändige Justierung – die einzelnen optischen Elemente sind zudem sehr teuer. Hinzu kommen thermische Effekte und Stabilitätsprobleme durch lange Strahlwege zwischen den vielen Elementen.

Durch eine geschickte Anordnung weniger optischer Elemente (mindestens ein Spiegel und zwei Retroreflektoren) und die Nutzung des durch Retroreflektoren hervorgerufenen Versatzes der parallel verlaufenden Einfalls- und Ausfallsstrahlengänge wird es möglich, den Pumpspot mit einem sehr viel kleineren Strahldurchmesser abzurastern. Mit diesem Aufbau kann wahlweise die gleiche oder sogar eine noch größere Fläche der Scheibe als bisher üblich gepumpt werden. Mit einem solchen Seedstrahl (Ø ≈ 1 mm) kann die notwendige Sättigungsintensität in der Scheibe (bei gleicher mittlerer Leistungsdichte) bei einfachem Durchgang erreicht werden. Statt einen Pumpspot mit einem breiten, vergleichsweise ineffizienten Strahl 80-fach zu durchqueren, wird hier mit effizienterer Strahlleistung in der gleichen Zeit ein entsprechender Bereich des Lasermediums abgerastert. Diese Anordnung bietet neben einer Leistungssteigerung für UKP-Laser weitere wirtschaftliche Vorteile.