Hochleistungslaser werden heutzutage in der Industrie zum Schneiden und Schweißen von Blechen in der Materialbearbeitung eingesetzt. Für die Anwendung von Laserstrahlung über große Distanzen von einigen Kilometern oder mehr ist jedoch eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität (M² = 1) und eine deutlich höhere Laserleistung erforderlich.
Am Institut für Technische Physik erstrecken sich die Arbeiten auf Untersuchungen zur Leistungsskalierung von Lasersystemen mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität bis in den Multi-Kilowattbereich. Je nach Anwendungsszenario stehen dabei verschiedene Laserkonzepte im Fokus.
Gegenüber cw-Lasern (continuous wave) sind bei der systematischen Beeinflussung der Licht-Materie-Wechselwirkung, gepulste Lasersysteme vorteilhaft hinsichtlich der Möglichkeit zur Erzeugung extrem hoher Bestrahlungsintensitäten, auch bei moderater mittlerer Laserleistung. Die hohe räumliche und zeitliche Konzentration von Strahlungsenergie in einem Laserpuls und der umfangreiche Parameterraum, welcher einen Laserpuls charakterisiert (Pulsdauer, Pulsenergie, Pulsform, Wellenlänge, spektrale Breite) eröffnen zahlreiche Anwendungen in der Forschung oder auch in der industriellen Materialbearbeitung. Ebenso wie bei cw-Hochleistungslasern besteht auch bei Pulslasern die Herausforderung in der Erzielung guter Strahlqualität bei hoher mittlerer Leistung.
Gepulste Hochleistungssysteme hoher Brillanz für Anwendungen auf den Schwerpunktthemen des Instituts für Technische Physik, wie die Detektion von Weltraumschrott oder Lasereffektoren, sind nicht kommerziell verfügbar und werden daher am Institut selbst entwickelt. Für diese Anwendungen sind typische Pulsenergien von über 1 Joule und mittlere Leistungen größer 1 Kilowatt erforderlich. In der Abteilung Festkörperlaser und Nichtlineare Optik werden solche Pulslasersysteme hoher mittlerer Leistung auf Basis des Scheibenlaserkonzeptes untersucht. Insbesondere bei Oszillator-Verstärker-Konzepten kann hierbei über die Leistungsskalierung des Scheibenlasers durch Skalierung der aktiven Fläche die Pulsenergie bei gleichbleibender Spitzenintensität gesteigert werden.
Die Gefährdung und Verletzung der Augen in Form koagulativer Schädigung der Netzhaut durch Laserstrahlung besteht aufgrund der Fokussierung des Strahls auf die Netzhaut bereits bei Leistungen von weniger als einem Milliwatt. Bei Wellenlängen größer als 1,4 Mikrometer ist diese Gefährdung jedoch deutlich geringer, als bei kürzeren Wellenlängen, weil die Strahlung durch die Augenlinse nicht mehr optimal fokussiert wird und damit die Strahlungsintensität auf der Netzhaut geringer bleibt.
Diese längerwelligen Laser ermöglichen somit Anwendungen, wie z.B. LIDAR-Messungen für die Atmosphärenforschung oder Ferndetektion, mit einem deutlich reduzierten Gefährdungspotential. Auch an die Abschirmung der Streustrahlung, können bei Verwendung solcher Laser deutlich geringere Anforderungen gestellt werden.
Am Institut für Technische Physik wurde bereits ein Ho:YAG-Scheibenlaser mit einer Emissionswellenlänge von zwei Mikrometer als effiziente und skalierbare Strahlquelle realisiert, mit dem Potenzial zur Erzeugung hoher Pulsenergien.
Die Vorteile des Scheibenlasers beruhen auf der Leistungsskalierbarkeit, hohen Effizienz, geringen thermischen Linse und der vernachlässigbaren Doppelbrechung im Lasermedium. Das laseraktive Medium besteht aus einer sehr dünnen Kristallscheibe (einige hundert Mikrometer dick), die rückseitig gekühlt wird. Dadurch können sehr hohe Pumpleistungsdichten realisiert werden. Die Leistungsskalierung kann durch Vergrößerung der aktiven Fläche bei konstanter Pumpleistungsdichte erfolgen. Hierbei bleiben sowohl die Temperaturen in der Scheibe als auch die erforderliche Brillanz der Pumpdioden konstant. Eine andere Möglichkeit der Leistungsskalierung besteht in der optischen Kopplung mehrerer Scheiben innerhalb eines Resonators mit dem Vorteil der Skalierung des Gesamt-Verstärkungskoeffizienten. Weiterhin sind modulare Leistungsskalierungen nach dem Oszillator-Verstärker-Konzept Gegenstand der Aktivitäten auf diesem Gebiet.
Eine Leistungsskalierung von Lasersystemen kann durch die Kopplung einzelner Laserquellen durchgeführt werden. Die Gesamtleistung im Ziel ergibt sich dann als Summe der Einzelleistungen. Die Intensitätsverteilung hängt jedoch entscheidend von der Art der Kopplung ab. Aufgrund der Wellennatur der Laserstrahlung kann bei der Überlagerung von mehreren Quellen durch Interferenzeffekte prinzipiell eine deutliche Erhöhung der Spitzenintensität erzielt werden. Hierzu ist es erforderlich, dass die einzelnen Wellen relativ zueinander eine konstante Phase haben. Bei der einfachen Überlagerung von Einzelquellen ist dies in der Regel nicht gegeben, als Spitzenintensität ergibt sich dann maximal die Summe der Einzelintensitäten. Bei der kohärenten Kopplung wird erzwungen, dass die Strahlen der Einzelemitter relativ zueinander eine konstante Phase besitzen. Die Einzellaser können somit wie Teilaperturen einer einzelnen Laserquelle betrachtet werden, vergleichbar der Beugung an einem zweidimensionalen Gitter. Bei der kohärenten Kopplung von N Quellen ergibt sich resultierend ein Interferenzmuster mit einer bis zu N-fachen Überhöhung der Spitzenintensität gegenüber der einfachen Überlagerung. Die hierzu notwendige aktive Phasenmanipulation und -regelung wird am Institut für Technische Physik an Oszillator-Verstärker-Systemen auf Festkörper- und Halbleiterlaserbasis untersucht und wurde bereits erfolgreich demonstriert.
