Entwicklung eines hocheffizienten lang-welligen Laserprototyps (EHLAP)

Laser werden heutzutage in unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, beispielweise in der Mess- und Kommunikationstechnik und in der der Metall- und Kunststoffbearbeitung. Die Aufgaben reichen dabei von der Entfernungsmessung, über die Datenübertragung bis hin zum Modellieren, Trennen oder Verschweißen verschiedenster Materialien.

Umfangreiche Einsatzgebiete finden sich ebenfalls im Bereich der Medizin, z.B. in der Zahnmedizin, bei der Behandlung von Tumoren oder in der Ophthalmologie. Je nach Aufgabengebiet müssen die eingesetzten Laser sehr spezifische Anforderungen erfüllen, die durch den Einsatz unterschiedlicher Laserquellen und spezifischer optischer Bauelemente erreicht werden.

Generelles Grundprinzip bei der Erzeugung von Laserstrahlung ist, dass unter Einsatz von Energie ein optisches Medium kontinuierlich angeregt wird, um die Atome auf ein höheres Energielevel zu bringen. Durch den Einsatz eines optischen Systems aus verschiedenen Spiegeln wird Licht gebündelt und kann als Laserstrahl eingesetzt werden.

Betrachtet man die Energiebilanz eines solchen Systems, ist die externe Energie, die dem System zur Anregung zugeführt wird, um einiges größer als die Energie, die das System als Laserstrahl verlässt. Doch wie hoch sind die Energieverluste eines solchen Systems in der Praxis?

Betrachtet man einen handelsüblichen Thuliumfaserlaser werden dem Gerät ca. 350 Watt als elektrische Leistung zugeführt, um einen Laserstrahl (2µm ) mit einer Leistung von 50 Watt zu erzeugen¹. Das bedeutet, es muss ungefähr die 7fache Energiemenge aufgewendet werden, um den gewünschten Laserstrahl zu generieren. Die Energiedifferenz verlässt das System i.d.R. über einen Wasserkühler als Abwärme (waste heat à vgl. Abbildung 1) und kann nicht weiter genutzt werden.

Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena am Abbe Center of Photonics haben es sich zum Ziel gesetzt, einen Faserlaser durch den Einsatz eines veränderten Pump-Lasers dahingehend zu modifizieren, dass dessen Energieeffizienz nahezu verdoppelt wird. Dies würde dazu führen, dass bei bestimmten Leistungsklassen kein aktives Wasserkühlsystem für den Laserbetrieb mehr eingesetzt werden muss und der Ressourceneinsatz für die Herstellung und den Betrieb solcher Laser erheblich reduziert wird.

Die Carl-Zeiss-Stiftung unterstützte das Projekt finanziell, um den Bau eines Prototyps zu realisieren, mit welchem das Einsparpotential bestätigt werden soll.

Hersteller solcher Lasersysteme können auf die Erfahrungen und Messergebnisse bei der prototypischen Umsetzung des Lasersystems zurückgreifen, um in neuen Produktgenerationen sparsamere und kleinere Laser für die jeweiligen Anwendungen in Medizintechnik und Industrie zur Verfügung zu stellen.

Nucleus Jena hat das Entwicklungsprojekt initial begleitet und wir freuen uns, dass wir dazu beitragen konnten, dass der Transfer dieser Erkenntnisse in die Wirtschaft ermöglicht wird und die Gesellschaft von der Neuentwicklung profitieren kann. Sie haben weiterführendes Interesse an dieser Entwicklung? Kontaktieren Sie uns: info@nucleus-jena.de

1. https://www.futonics.de/de/products/thulium/laser10w-50w/ ↩︎