Gepulster Hochleistungsdiodenlaser

Ein neues Konzept für einen Hochleistungshalbleiterlaser mit guter Fokussierbarkeit verwendet gepulst betriebene Laserdioden mit einer elektrooptischen Zusammenführung aller Pulse auf einen gemeinsamen optischen Pfad. Hochleistungsdiodenlaser sind effizient, klein und einfach zu bedienen. Aber wegen ihrer sehr schlechten Strahlqualität sind sie für wichtige industrielle Anwendungen wie Schneiden, Bohren, Tiefbrandschweißen nicht geeignet. Der Grund ist die inkohärente Kombination der Strahlung sehr vieler Laserdioden in solchen Systemen. Der vorgeschlagene neuartige Ansatz ist, mittels spezieller Laserdioden, eine Folge von Hochleistungslaserpulsen zu erzeugen und diese mit einer elektrooptischen Modulation auf eine gemeinsame Bahn zu leiten. Letzteres soll mit einem invers betriebenen digitalen Strahlablenker realisiert werden. Dieser nutzt die Drehung der Polarisation eines Laserstrahls mittels einer sogenannten Pockelszelle um 90, sodass der Laserstrahl in einem anschließenden polarisationsselektiven optischen Element zwei verschiedene Wege nehmen kann, abhängig davon, ob die Polarisation gedreht wurde oder nicht. Mittels einer passenden Kombination von Pockelszellen und polarisationsselektiven Elementen werden in diesem Projekt die Laserpulse von 16 Diodenlasern auf eine Bahn geleitet. Eine erste Ausführung wird Dioden benutzten, die eine Spitzenleistung von 75 W für 100 ns erreichen. Es wird damit gerechnet, dass ca. 60 W optische Durchschnittsleistung mit so guter Fokussierbarkeit erzeugt werden können, dass im Fokus eine Intensität von ~1MW/cm erreicht wird. Damit können für die kompakten und effizienten Halbleiterlaser neue Felder der Materialbearbeitung erschlossen werden.

Diodenlaser sind klein, effizient, relativ günstig, einfach im Betrieb, mit höchsten Leistungen bis 6kW erhältlich und somit die Laserquelle der Zukunft. Ihr einziger und schwerwiegender Nachteil ist die aus der großen Anzahl an installierten Laserdioden resultierende geringe Strahlqualität, d.h. deren Laserstrahl ist relativ schlecht fokussierbar, so dass im Vergleich zu konventionellen Gas- oder Festkörperlasern geringe Leistungsdichten im Fokus erreicht werden. Das Projekt "Gepulster Hochleistungsdiodenlaser" diente der Strahlqualitätssteigerung von Diodenlasern mittels eines neuen Ansatzes, nämlich Zeitmultiplexing. Hierbei werden die Laserdioden gepulst betrieben, sodass die durchschnittliche Leistung in etwa die gleiche ist, wie im kontinuierlichen Betrieb, so dass eine Laserdiode nach der anderen einen Laserpuls erzeugt. Diese werde in einen optischen Multiplexers geleitet, welcher intern mit schnellen optischen Schaltern einen optischen Eingang nach dem anderen mit einem optischen Ausgang verbindet, sodass zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Eingang eintreffende Lichtpulse den Multiplexer sämtlich auf dem einen Ausgang verlassen. Hiermit kann die Leistung von mehreren Laser auf einem optischen Pfad konzentriert werden und der resultierende Laserstrahl ist genauso gut fokussierbar, wie ein Einzelstrahl. Die optischen Schalter konnten mit piezoelektrischen Kristallen realisiert werden, welche ähnlich wie in einer Quarzuhr auf einer Eigenfrequenz angeregt werden, so dass durch spannungsinduzierte Doppelbrechung die Polarisation von zeitlich korrekt durchgehenden Lichtpulsen ständig zwischen horizontal und vertikal polarisiert wechselt In einem darauf folgenden polarisierendem Strahlteilerwürfel wechselt der Lichtstrahl ständig zwischen Transmission und Reflektion, sodass tatsächlich ein Schalten zwischen zwei Pfaden realisiert ist. Diese Technik wird zukünftig viele Anwendungen in der optischen Messtechnik und Lasertechnologie finden und ist das wichtigste Resultat des Projekts. Hiermit konnte Zeitmultiplexen von vier Laserdioden realisiert werden, wobei eine Ausgangsleistung von 10.5W mit der Strahlqualität einer Laserdiode erreicht wurde. Die erreichbare Fokusintensität wurde gegenüber einem konventionellen Aufbau um ~75% gesteigert. Das System ist dabei mit Abmaßen von 12x12x6cm so kompakt wie ein konventioneller 10W Diodenlaser, sodass leicht eine Kombination mehrerer solcher Geräte zu höheren Leistungen führen kann.