Hochleistungs-Lasersystem für die Additive Fertigung und weitere Neuentwicklungen auf der Laser World of Photonics

Erneut stellt das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) auf der Laser World of Photonics in München vom 27 - 30. Juni 2023 sein komplettes Leistungsspektrum vor – vom Design über Chips bis hin zu Modulen und Systemen. Am Berlin-Brandenburger Gemeinschaftsstand A2.421 zeigt das FBH neben seinen Diodenlasern für Anwendungen in Weltraum, Kommunikation, Medizintechnik, Materialbearbeitung und Quantentechnologie ein Bestrahlungssystem mit optimierten 233 nm UVC-LEDs. Damit lassen sich multiresistente Krankheitserreger und Corona-Viren direkt auf der Haut unschädlich machen, ohne diese zu schädigen.

Weltraum-kompatible Entwicklungen und ausgewählte Schlüsselkomponenten für die Quantentechnologie präsentiert das FBH parallel in den Hallen der World of Quantum am Messestand A1.231 der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). Auch auf der angeschlossenen CLEO Europe Konferenz und den Laser World of Photonics Application Panels ist das Institut mit mehr als 20 wissenschaftlichen Beiträgen vertreten.

Kompetenz bei Hochleistungs-Diodenlasern – demonstriert im System

Am Berlin-Brandenburger Stand demonstriert das Institut gemeinsam mit den Berliner Partnerunternehmen Photon Laser Manufacturing und SKDK erstmalig einen beweglichen Roboterarm mit integrierter Laserstrahlquelle für die Additive Fertigung im Leichtbau. Das Direkt-Diodenlasersystem der Kilowatt-Klasse zeichnet sich durch eine ungewöhnliche Wellenlänge von 780 nm aus, die die Effizienz bei der Technik der Auftragsbearbeitung deutlich verbessert. Aufgrund der erhöhten Absorption gilt dies insbesondere für die Fertigung von aluminiumbasierten Strukturen. Damit sollen unter anderem maßgeschneiderte Seitenwände von Hochgeschwindigkeitszügen mit deutlich reduziertem Gewicht hergestellt werden. Dank der kompakten Größe des Lasersystems lassen sich auch auf engstem Raum komplexe Bauteile fertigen. Da es ohne optische Fasern funktioniert, ist es zudem weniger fehleranfällig.

Basis dieses und weiterer Lasersysteme für Hochleistungsanwendungen sind die Diodenlaser-Stacks des FBH. Sie bestehen aus innovativen vertikal gestapelten Diodenlasern, deren Gesamtleistung sich bis in den Kilowatt-Bereich skalieren lässt. Diese Diodenlaserquellen werden in der Materialbearbeitung, der Freiraumkommunikation, der Druck- und Medizintechnik als Pumpquelle – und zunehmend auch direkt – eingesetzt. Parallel entwickelt das FBH die Lasereigenschaften auf Chipebene stetig weiter: für mehr Leistung, Effizienz und Strahlgüte.

Kantenemitter mit 70 % Wirkungsgrad bei 70 W Ausgangsleistung

Forschende des Ferdinand-Braun-Instituts haben Diodenlaser mit 70 % Wirkungsgrad bei 70 W Ausgangsleistung aus einem Einzelemitter realisiert. Die Kantenemitter mit einer Wellenlänge von 915 nm werden zum Pumpen von Faserlasern oder für den direkten Einsatz benötigt. Sie erreichen höhere Leistungen durch die extrem breiten Emissionsöffnungen von 1,2 mm. Die hohen Wirkungsgrade basieren auf fortschrittlichen, hochgradig vertikalen asymmetrischen Epitaxie-Schichtstrukturen. Mit der Buried-Regrown-Implant-Structure (BRIS)-Technologie des FBH lässt sich eine laterale periodische Sauerstoff-Implantationsschicht in der Nähe des aktiven Bereichs des Einzelemitters erzeugen. Das gewährleistet die Emission innerhalb eines engen Winkels.

Leistungsstarke Pulslaserquellen – von LiDAR bis zur Zwei-Photonen-Polymerisation

Das FBH entwickelt Pulslaserquellen mit maßgeschneiderten Eigenschaften für verschiedene Anwendungen. Die integrierten Lasertreiber werden ebenfalls am Institut realisiert. Zu den Entwicklungen gehören Hochleistungs-Pulslaserquellen für Linienscanner im Bereich Automotive LiDAR, um Gegenstände dreidimensional zu erkennen. Diese Laserquellen basieren auf Diodenlaserbarren mit 48 Emittern mit einer Pulsspitzenleistung von 2 kW für 8 ns lange Impulse. Sie liefern schnelle Laserpulse, die von Objekten, auf die sie treffen, reflektiert werden.

Für den Klimasatelliten MERLIN, der künftig die Methankonzentration in der Atmosphäre messen wird, hat das FBH Pumplaser entwickelt, die es ebenfalls auf der Messe zeigt. Ausgestattet mit zwei Hochleistungslaser-Halbbarren liefert das System 130 W optische Leistung bei 808 nm im Pulsbetrieb.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts haben zudem einen monolithischen Quantentopf-Diodenlaser mit konischer Verstärkungssektion entwickelt, der ultrakurze Pulse bei 780 nm erzeugt. Der modengekoppelte Trapezdiodenlaser liefert 7 Pikosekunden lange Pulse mit einer hohen Spitzenleistung von über 40 W. Er könnte künftig herkömmliche Ti:Saphir-Laser als Pulsquelle für die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ersetzen, mit der Mikrostrukturen hergestellt werden. Dies wurde mit einer einzeiligen Teststruktur mit der 2PP-Technik bereits erfolgreich demonstriert. Die Struktur wurde mit einem ähnlichen monolithisch-modengekoppelten Diodenlaser (830 nm) mit nur einem einzigen Scan geschrieben.

Sensorsystem für die 3D-Quanten-Bildgebung

Im Projekt QUIN entwickelt das Ferdinand-Braun-Institut zurzeit einen kompakten Sensorkopf für die 3D-Quanten-Bildgebung mithilfe der optischen Kohärenztomographie (OCT). Dafür verwenden die Forschenden verschränkte Photonen im mittleren Infrarotbereich. Die Information wird im Sensorkopf durch die Verschränkung vom mittleren in den nahen Infrarotbereich übertragen. Wird dann der Sensorkopf mit einem hochauflösenden Spektrometer im nahen Infrarotbereich kombiniert, lassen sich Abstands- und Strukturdaten in bislang unbekannter Auflösung ermitteln.

Das Sensorsystem kann so präzise 3D-Tiefeninformationen mittels „undetektierter“ Photonen im mittleren Infrarot liefern und für die Quanten-OCT zur zerstörungsfreien Prüfung keramischer und polymerer Werkstoffe eingesetzt werden.