Faserlaser Laser à fibre

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1 Faserlaser Laser à fibre Grundlagen bases Unterschied zum herkömmlichen Laser Différence par rapport au laser traditionnel Dotiert Doté: Ytterbium (Yb), Erbium (Eb), Präsodym (Pr), Thulium (Tm) 1

2 Geschichte - Histoire 1961 Lichtverstärkung in der Glasfaser 1988 Doppelfasersystem Snitzer Polaroid USA 1998 Strukturierter Faserkern (large-mode-area fiber) 2005 Schneiden und Schweissen mit Laserfaser 2007 Laser mit 20 kw auf dem Markt ipod nur mit Hilfe von Faserlaser möglich ipod seulement avec les laser à fibre possible 2

3 Prinzipieller Aufbau Schéma d un laser à fibre Aufbau eines einfachen Faserlasers Modèle d un laser à fibre simple r 5 μm 120 μm Laserstrahlung Rayon laser n C n Pumpstrahlung Rayon de pompage Kern -Coeur Mantel - Gain n P 3

4 Doppelkernfaser Fibre double gain r Pumpstrahlung rayonnement de pompage 10 μm 400 μm Laserstrahlung Rayonnement laser Kern -Coeur n P n C n Pumpkern Gaine de pompage Ummantelung Revaitement n S Meridional Helix Verbesserte Absorption Absorption amélioré r 3r Absorption - absorption/% r = 5 cm r = 2.5 cm r = 10 cm r = 10 cm L/m 4

5 Versuchsaufbau mit nierenförmiger Fiber Maquette pour les fibres de forme de rein Querschnittsformen Formes de coupe transversale D-Form D-Forme Dezentriert Excentrique Rechteckform Rectangulaire Zentriert Centrique 5

6 Problem der Ramanstreuung Problème de l effet du Raman Parameter der mikrostrukturierten Faser Parameter du fibre microstructuré Glas -verre Λ Luftblasen Bulle d aire 1.44 n Kern 200 μm 50 μm d λ Kern- coeur 1.42 d/λ = d/λ = d/λ = λ/λ 6

7 Mikrostrukturierte Faser - Fibre microstructuré AIR-CLAD Struktur Structure AIR-CLADE Glassteg: h < λ Barre en verre: h < λ Lufträume Espace d air Pumpfaser Fibre de pompage 7

8 AIR-CLAD Struktur Structure AIR-CLADE (2) Ziel But: Na > 0.5 d Kern - Coeur = 0.2 mm Bedingung für eine Singelmodestrahlung Condition pour un rayonnement singelmode 2Λ λ n 2 C (λ) n 2 P (λ) < λ/λ Singelmode Λ n P Endlos - Infiniment Singelmode Multimode n C d/λ 8

9 Mikrostrukturen in der Natur Microstructure dans la nature Mögliche Faserstruktur - Structure du fibre possible Pumpen von beiden Seiten Pomper de deux côtés 9

10 Absorption im Yb Absorption à Yb Relative Absorption Yb, λ E missio n = 1080 nm Absorption relative de Yb Pumpdioden Diode de pompage Wellenlänge/nm Longueure d onde/nm Emissionsspektrum Spectre d emission 10

11 Doppelkern-Faserkonzept Principe des fibres à double gaine μ Herstellung des Rohlings Fabrication du tube basique 11

12 Herstellung des Rohlings Fabrication du tube basique Herstellung des Rohlings Fabrication du tube basique 12

13 Herstellung des Rohlings Fabrication du tube basique Herstellung des Rohlings Fabrication du tube basique 13

14 Ziehturm Tour de fabrication H = 12 m v = 300 m/min Ziehturm Tour de fabrication 14

15 Versuchsanordnung Circuit expérimentale Resonator in der Faser -Resonateur dans le fibre Pumpquelle (Diode) Source de pompage (diode) Bragg Gitter Réseau de Bragg Bragg Gitter Réseau de Bragg 15

16 Herstellung der Bragg Gitter Formation du réseau de Bragg Wirkung der Bragg Gitter Effet du réseau de Bragg 16

17 Resonator in der Faser -Resonateur dans le fibre Wirkung der Bragg Gitter Effet du réseau de Bragg Δ λ = 0.40 nm 17

18 Einführung Pumplicht Entrée de la lumière de pompage Pumplaser Laser pompage optique Mikrolinse Microlentille Kern -noyeau Pumpkern Gaine de pompage Pumplaser Laser pompage optique Kern - noyeau Pumpkern Gaine de pompage Ende der Pumpfasern Pumplaser Laser pompage optique Mikrolinse Microlentille Kern - noyeau Pumpkern Gaine de pompage Zentrale Faser Fibre centrale Pumpfaser Fibres de pompage kw Faserlaser mit mikrostrukturiertem Kern Laser à fibre avec un coeur microstructuré 2.5 kw 18

19 Optische Leistungen im kw-bereich Puissance optique dans dans le domaine kw Gesamtwirkungsgrad Rendement totale ca 30% Qualitätsvergleich Comparaison de la qualité [BPP: Beam parameter product] 19

20 Beam parameter product BPP Vergleich verschiedener Strahlqualitäten Comparaison des qualtiés du rayonnements 20

21 Vorzügliche Eignung im Remotesystem Qualifcation exellente dans les application Remote Brightness Helligkeit - Luminécent 21

22 Upconversion - Laser Tm 3+ Pr 3+ Yb nm 850 nm 1017 nm Wellenlänge Pumpenergie > Wellenlänge Laserenergie Longueure d onde d energie de pompage > Longeure d onde du Laser Lebensdauer des Lasers (Pumpdiode) Durée de vie du laser (diode de pompage) 10 6 h = 116 Jahre - ans 22

23 Modul Laser - Module d un laser L x B x H = 60 x 33 x 4.7 cm λ = 1070 nm P = 800 W η TOT > 33 % BPP = 0.34 mm x mrad M 2 < 1.05 Modul Leistungslaser - Module d un laser de puissance A) Kompakte integrierte Optik Optique integré B) Erfordert keine Justierung C) M 2 < 1.1 D) Robuste mechanische Konstruktion Construction mécanique solide 23

24 Modul Leistungslaser - Module d un laser de puissance Licht bleibt immer in der Faser Lumière reste dans le fibre Laserkopf Tête de focalisation : Durchmesser Diamètre Na: Nummerische Apertur Aperture nummérique F col : Brennweite der Eintrittslinse Distance focale de la lentille d entrée F foc : Brennweite der Fokusierlinse Distance focale de la lentille focalisation M = F foc /F col : Optische Verstärkung total Amplification d optique totale. foc = M x fib 24

25 Problem Reflexion Problème de la réflexion CO 2 R = 10% - 90% Scheibenlaser Laser à disc Rückstrahlung beim Faserlaser mit grosser Leistung Reflexion dans le laser à fibre à haute puissance Faserlaser Laser à fibre 25

26 Optische Rückkopplungsbarriere eine Komponente Barrière de rétroaction optique une composante Optische Rückkopplungsbarriere für vollen Strahl Barrière de rétroaction optique ube composante 26

27 Problem: Linsenerwärmung Problème: Echauffement de la lentille Wärme: 29 mw Chaleur: 29 mw Ausgebildete Optische Wegdifferenz Formé du chemin d optique P Laser = 1 kw 12 mm Oberfläche: 2 x 10-5 Surface: 2 x 10-5 Volumen: 7 x 10-6 /mm Volume: 7 x 10-5 /mm Entwicklung der Leistung der Faserlaser Evolution de la puissance de laser à fibre 27

28 Prognostizierte Entwicklung des Fiberlasermarketes Development prévue du marché de laser à fibre 28