Kohärente Kombination von Laserstrahlen

Hochleistungs-Faserlaser haben sich aufgrund ihrer kompakten Abmessungen, ihres relativ hohen Wirkungsgrads und ihrer niedrigen Betriebskosten sowohl in industriellen als auch in Verteidigungsanwendungen als unverzichtbar erwiesen. Trotz dieser Vorteile bleibt die Steigerung der maximalen Leistung von Faserlasern eine große Herausforderung: Thermische Effekte, nichtlineare Streuung (wie stimulierte Raman- und Brillouin-Prozesse) sowie die Transversale Modeninstabilität (TMI) stellen Einschränkungen dar, wie viel Energie eine einzelne Faser unter Beibehaltung einer guten Strahlqualität erzeugen kann. Obwohl Einmoden-Faserlaser bereits Ausgangsleistungen im Bereich von 6–10 kW erreicht haben und theoretische Vorhersagen von bis zu 40 kW ausgehen, wird es immer schwieriger und teurer, diese Grenze mit Hilfe einem einzigen Faserverstärker wird immer schwieriger und teurer. Als vielversprechendster Weg zu Ultrahochleistungslasern haben sich daher Techniken der Strahlkombination erwiesen.

Techniken zur Strahlkombination

Es gibt mehrere Strategien, um mehrere Faserlaser zu einem einzigen Strahl zu kombinieren, wobei jede ihre eigenen Vorteile und Perspektiven bietet:

1. Inkohärente (Side-by-Side-)Kombination

Die einfachste Methode besteht darin, mehrere Laser nebeneinander anzuordnen und sie auf dasselbe Ziel auszurichten. Oft wird dieser Ansatz als „inkohärente“ oder „Side-by-Side“-Kombination bezeichnet, und eine höhere Gesamtleistung wird hier im Grunde durch „rohe Kraft“ erreicht. Dieser Ansatz ist unkompliziert – es ist keine Phasenabstimmung erforderlich – und er ist unempfindlich gegenüber dem Ausfall einzelner Kanäle, da jeder Strahl weiterhin unabhängig funktionieren kann. Allerdings ist es schwierig, die gesamte Laserstrahlung in einem einzigen kleinen Brennpunkt zu bündeln. Die Endleistung am Auftreffpunkt wird durch die größere effektive Strahlgröße begrenzt, was in Situationen zum Nachteil wird, in denen Präzision über große Entfernungen erforderlich ist. Systeme dieser Art haben bereits eine Leistung von 30 kW überschritten, und neuere Versionen, die in erster Linie für Verteidigungszwecke bestimmt sind, streben noch höhere Leistungen an.

2. Spektrale Strahlkombination (Spectral Beam Combining; SBC)

Ein ausgefeilterer Ansatz besteht darin, jeden Laserkanal bei einer leicht unterschiedlichen Wellenlänge zu betreiben und anschließend alle Ausgänge mithilfe wellenlängenselektiver Optik, wie Beugungsgittern oder dichroitischen Spiegeln, zu einem einzigen Strahl zu kombinieren. Diese Technik, im Englischen als „spectral beam combining“ (SBC) bezeichnet, sorgt für eine hohe Leistung in jedem Kanal und die unterschiedlichen Wellenlängen zu einem kombinierten Ausgangsstrahl zusammenführt. SBC hat bereits Ausgangsleistungen im Bereich von mehreren Kilowatt demonstriert – es gibt Berichte über 60-kW-Systeme, die mittels SBC aus 96 einzelnen Faserlasern mit einer Strahlqualität, die für Anwendungen mit größerer Reichweite geeignet bleibt (besser als bei einer inkohärenten Kombination). Da jedoch jeder Kanal seine eigene Wellenlänge hat, kann die Feinabstimmung des Systems für bestimmte optische Anwendungen – insbesondere solche, die ein schmales Spektrum erfordern – komplizierter sein.

3. Kohärente Strahlkombination (Coherent Beam Combining; CBC)

Unter allen Methoden zur Leistungsskalierung verspricht die kohärente Strahlkombination (CBC) auch bei hoher Leistung die höchste Strahlqualität. CBC basiert auf der Idee, dass, wenn mehrere Laser, die bei (nahezu) derselben Wellenlänge arbeiten, phasenabgestimmt sind, ihre Ausgangssignale konstruktiv interferieren und so einen Strahl mit einem Brennpunkt erzeugen können, dessen Größe sich der Beugungsgrenze . Im Prinzip eröffnet dies den Weg zu Leistungen im Bereich von Dutzenden oder sogar Hunderten von Kilowatt und zu kleinen, intensiven Fokuspunkten, wie sie für Anwendungen wie die Materialbearbeitung und die Herstellung von gerichtetem Energiegeräten (directed energy device) erforderlich sind.

Bei CBC wird der Laserstrahl in mehrere Kanäle aufgeteilt und in parallelen Faserverstärkern verstärkt. Dabei muss jeder Kanal phasenmäßig mit den anderen abgestimmt bleiben, damit die Strahlen bei der Rekombination in konstruktiver Interferenz stehen. Diese Phasenanpassung kann mithilfe eines Rückkopplungsregelsystems überwacht und aufrechterhalten werden, das jeden Phasenfehler erkennt und in Echtzeit kompensiert.

Je mehr Kanäle das CBC-System umfasst, desto wichtiger ist es, für jeden einzelnen Kanal eine präzise und einstellbare Laufzeitverzögerung zu gewährleisten. Ein typisches CBC-System nutzt zur feinen Phasenanpassung kurze Faser-Pigtails, Piezo-Spiegel oder „Free-Space“- Abschnitte des Strahlengangs. Eine präzise Abstimmung erfordert jedoch häufig den Einbau einer dedizierten (Faser-)Verzögerungsstrecke in den Strahlengang. Dies gilt insbesondere für Pulslaser, bei denen eine schlechte zeitliche Phasenanpassung bis zum vollständigen Verlust der Pulsüberlappung führen kann. Durch die Feinjustierung der Position des beweglichen Spiegels innerhalb der Verzögerungsleitung gleicht das System Unterschiede im optischen Weg aus und gewährleistet die erforderliche Synchronisation. Optische Verzögerungsleitungen werden häufig mit einer Art Phasenmodulator kombiniert, der durch Veränderung des Brechungsindexes des Mediums, in dem sich der Laser ausbreitet, feine Anpassungen des optischen Weges vornimmt.

Da in kohärent kombinierten Systemen alle Kanäle die gleiche optische Frequenz haben und (praktisch perfekt) phasengleich sind, lässt sich theoretisch fast die gesamte Leistung auf einen einzigen beugungsbegrenzten Punkt konzentrieren. In der Praxis wurden im Dauerstrichbetrieb (CW) Leistungen im zweistelligen Kilowattbereich erreicht, mit Potenzial für weitere Steigerungen. Ein bemerkenswerter Meilenstein ist ein 100-kW-CBC-System, das aus Plattenlasern (Slab-Lasern) aufgebaut ist.

In jüngster Zeit haben CBC-Systeme, die bei einer Wellenlänge von 2 µm arbeiten, größere Aufmerksamkeit erlangt, insbesondere in Verteidigungsanwendungen . Der Grund dafür ist, dass bei längeren Wellenlängen (1,4–3 µm) im Vergleich zu 1-µm-Quellen das Risiko dauerhafter Augenschäden sowie die Wahrscheinlichkeit anderer Folgeschäden oder einer Entzündungsgefahr deutlich geringer ist. Moderne Thulium-Faserlaser erreichen in diesem Bereich Leistungen im Kilowattbereich und können durch den Einsatz einer kohärenten Kombination somit können 2-µm-Systeme sowohl die Leistungsanforderungen als auch die strengen Sicherheitsstandards erfüllen, die insbesondere für moderne Strahlwaffensysteme (Directed Energy Weapons; DEW) von entscheidender Bedeutung sind.

FODL MDX – modulare Lösung von OptiXs

Faser-Verzögerungsleitungen, kompatibel mit 19-Zoll-Rack-Systemen

Bei OptiXs haben wir ein modulares System aus faseroptischen Verzögerungsleitungen entwickelt, das in Form von Steckmodulen realisiert ist, die mit dem 19-Zoll-Rack-System kompatibel sind. Die Verzögerungsleitungen werden mit einem Controller geliefert, der die Fernsteuerung über einen Computer ermöglicht – für die grundlegende Nutzung bieten wir eine intuitive Web-Benutzeroberfläche an, für fortgeschrittenere Kommunikations- und Automatisierungsaufgaben stehen zudem Ethernet und USB zur Verfügung. Ein Controller kann bis zu 8 Verzögerungsleitungen steuern. In Kombination mit hervorragenden optischen Parametern ist unser System aus faseroptischen Verzögerungsleitungen somit für Anwendungen optimiert, die kohärente Bündelkombinationen nutzen.

Wenn Sie weitere Informationen benötigen, besuchen Sie bitte die Produktseiten zu den faseroptischen Verzögerungsleitungen: FODL‑MDX und FODL‑SA.