IGF-Projekt: 18728 N (2015 - 2018)
Hochleistungslaser werden als flexibles und effizientes Werkzeug für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt. In einer Reihe von Arbeiten konnte gezeigt werden, dass hierbei die Effizienz und Qualität der Prozesse deutlich gesteigert werden kann, wenn ein Bearbeitungslaserstrahl mit optimiertem Polarisationszustand eingesetzt wird. So konnten z. B. beim Schneiden von Metallblechen die Prozesseffizienz (bis zu 40 % mehr Schnittgeschwindigkeit) und die Qualität der Schnittkante mit radialer Polarisation deutlich verbessert werden.
Daher sind neuartige diffraktive Konzepte zur Polarisationsformung und die Implementierung der entsprechenden Prozesskette für die kostengünstige Herstellung der optischen Hochleistungslaserkomponenten für zukünftige, effiziente Materialbearbeitungs- und Schweißprozesse in der Lasertechnik von hohem Interesse.
Die effiziente Erzeugung solcher Polarisationszustände in Hochleistungsscheibenlasern ist allerdings bisher noch nicht gelungen. Diese kann prinzipiell Resonator-intern oder -extern (durch Polarisationskonversion) erfolgen. Die derzeit kommerziell erhältlichen Polarisationskonverter sind wegen ihrer geringen Transmissionswerte (50 - 90 %) und Schadensschwelle nicht hochleistungstauglich. Resonator-interne Konzepte für den Hochleistungsscheibenlaser zur effizienten Generierung dieser Polarisationszustände sind aktuell nicht am Markt erhältlich.
Das Ziel des IGF-Projekts SubWell war die Erforschung neuartiger Designs und Konzepte zur Polarisationsformung und die Implementierung einer Prozesskette für die kostengünstige Herstellung entsprechender optischer Hochleistungslaserkomponenten. Hierbei handelt es sich um neuartige diffraktive Sub-Wellenlängenstrukturen.
Insgesamt sollten drei verschiedene Typen von Polarisationskonverter im Projekt untersucht werden. Zwei der Komponenten waren für den Resonator-internen Einsatz im Lasersystem angedacht (Gitterendspiegel, engl. grating waveguide mirror, kz. GWM, und Gitterauskoppelspiegel, engl. grating wave-guide output coupler, kz. GWOC). Die dritte Komponente sollte eine Resonator-externe Polarisationsformung ermöglichen.
In dem IGF-Projekt SubWell wurden unterschiedliche Designs und Konzepte für die Erzeugung radialer Polarisationszustände in Hochleistungslasern sowie die Prozesskette zu deren effizienten Herstellung entwickelt. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit dem interferenzlithographischen SBIL-Verfahren und unterschiedlichen Rezepten für das anschließende reaktive Ionenätzen in verschiedenen Materialien (SiO2 und Ta2O5) Elemente zur Polarisationsformung gefertigt werden können.
Die erzeugten Demonstratorelemente (Resonator-intern einsetzbare Gitterspiegel und Gitterauskoppler) wurden in Experimenten in Hochleistungsscheibenlasersystemen erfolgreich integriert und getestet. Mit den Gitterspiegeln konnte Laserstrahlung mit max. 980 W Ausgangsleistung, einem radialen Polarisationsgrad von > 95 % und einer optischen Effizienz von ca. 53 % erzeugt werden. Mit dem Gitterauskoppler konnte radiale Laserstrahlung mit einer maximalen Ausgangsleistung von 750 W erreicht werden. Dies wurde weltweit erstmalig demonstriert und beweist die Leistungsfähigkeit des gewählten Ansatzes.
Für die Herstellung Resonator-externer Polarisationskonverter wurde das SMILE-Konzept erarbeitet. In der Prozessoptimierung zur Herstellung der Elemente wurden große Fortschritte gemacht.
Laserbearbeitungsprozesse werden in immer mehr Branchen, z. B. in der Automobilindustrie, dem Maschinenbau, der Elektronikindustrie und der Medizintechnik eingesetzt. Da die Projektergebnisse eine hohe Relevanz für die gesamte photonische Prozesskette haben, können insbesondere KMU mit den Ergebnissen marktgerecht und flexibel Systeme für applikations- und kundenspezifische Anwendungen zur Verfügung stellen.
In SubWell wurde eine neuartige Herstellungsmethode im Bereich der effizienten und damit kostengünstigen Generierung von leistungsfähigen Gitterstrukturen mit Dimensionen im Bereich weniger hundert Nanometer entwickelt. Dies kann von Komponentenherstellern, meist spezialisierte kleine und mittelständische Unternehmen, direkt für die Fertigung von neuartigen Polarisationsformern genutzt werden.
Durch den Einsatz der Laserkomponenten ist zu erwarten, dass sich Bearbeitungszeiten beim Laserbohren, -schneiden und -tiefschweißen reduzieren, sowie sich Energieeinsparungen und Qualitätsverbesserungen ergeben.
Laufzeit: 01.08.2015 - 31.03.2018
Beteiligte Forschungseinrichtungen
Eingebundene Unternehmen
(Projektbegleitender Ausschuss, "PA")
Von diesen Unternehmen beteiligten sich die Unternehmen AMPHOS GmbH und Coherent Kaiserslautern GmbH an der Deckung der auf freiwilliger Basis durch die Wirtschaft zu tragenden Administrationskosten. Die F.O.M. bedankt sich im Namen der begleitenden Branchen.
BMWi-Förderung
Abschließende Ergebnisse
Weitere Informationen für eingebundene PA-Unternehmen
Die Projektergebnisse wurden am 18. Mai 2017 auf dem Innovationstag Mittelstand des BMWK in Berlin präsentiert.