Fortschritte in der Laserforschung   >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Bessere Fasern, genauere Dosierung

Als das Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Uni vor drei Jahren einen neuen Faserziehturm erhielt, versprach man sich von der Produktionsanlage neuartige optische Fasern und die Optimierung der Strahlführung. Inzwischen sind die erwarteten Durchbrüche geglückt. Vor Kurzem entwickelten die Wissenschaftler neuartige Glasfasern mit einer vergrößerten Modenfeldfläche, die längere Übertragungswege für Hochleistungs-Festkörperlaser erlauben. Und auf der Fachmesse „Laser World of Photonics“ im Juni wurde ein Verfahren vorgestellt, das es erlaubt, Laserprozesse mit Hilfe einer sehr schnell arbeitenden Kamera optimal zu regeln.

Moderne Festkörperlaser wie etwa Scheiben- oder Faserlaser ermöglichen es, Laserstrahlen sehr präzise zu fokussieren und die Strahlung in flexiblen Glasfasern über Distanzen von 100 Metern und mehr zu führen. Dies bietet eine einfache und sichere Handhabung des Laserstrahls und macht die Geräte zu vielseitigen Werkzeugen für die Industrie. Dennoch ist die maximale Übertragungsstrecke begrenzt. Die Ursache dafür liegt in nichtlinearen Effekten, die bei sehr hohen Leistungsdichten in den Glasfasern auftreten. Diese können entweder die am Ausgang der Faser verfügbare Leistung deutlich reduzieren oder sogar zur Beschädigung der Faser beziehungsweise der Laserquelle führen. Je länger das durchstrahlte Glas und damit die Glasfasern selbst sind, desto geringer ist die Leistungsdichte, ab der die Begrenzungseffekte eintreten. Gleichzeitig nimmt die Bedeutung dieser Effekte mit steigender Qualität der Strahlquellen zu. Da Leistung und Strahlqualität stetig steigen, werden die Limitierungen in der Übertragungslänge dazu führen, dass die hohe Brillanz der künftig kommerziell verfügbaren Hochleistungs-Festkörperlaser nicht voll ausgenutzt werden kann.

		Vor diesem Hintergrund entwickeln die Forscher am IFSW spezielle Glasfasern für die Übertragung von Multi-Kilowatt-Laserstrahlung mit beugungsbegrenzter Strahlqualität über Entfernungen von etwa 100 Metern. Den Grundstein dafür lieferte das im Rahmen des Förderprogramms „Optische Technologien“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung geförderte Projekt „Kohärente Strahlformung für Laserstrahlwerkzeuge“. Innerhalb des Folgeprojekts „Hochleistungs-Transportfasern für Multi-kW-Laserstrahlung höchster Brillanz“ gelang es nun, eine singlemodige Glasfaser mit einer effektiven Modenfeldfläche von 470 Quadratmikrometern auszulegen. Kommerziell verfügbare vergleichbare Glasfasern besitzen Modenfelder von höchstens 300 Quadratmikrometern und sind gleichzeitig wesentlich biegeempfindlicher. Neben der großen Querschnittfläche besteht der überragende Vorteil der neuen 19-Kern-Faser darin, dass der Leistungsverlust selbst bei stark gebogener Faser um zwei bis drei Größenordnungen geringer ist als bisher. Dadurch erlaubt es die neue Faser, höhere Leistungen zu übertragen beziehungsweise längere Übertragungswege zu realisieren. Ihre Überlegenheit beruht darauf, dass das Laserlicht nicht in einem einzelnen Kern geführt, sondern über 19 kleinere, hexagonal angeordnete und miteinander gekoppelte Kerne verteilt wird.
Faserendfläche einer am IFSW entwickelten Singlemode-Glasfaser mit 19 gekoppelten Kernen.                    (Foto: Institut)

Die Herausforderung besteht darin, die einzelnen Kerne und deren Anordnung so auszulegen, dass die Gesamtstruktur aus allen Kernen nicht multimodig wird - sonst würde die gute Fokussierbarkeit der Laserstrahlung bei der Übertragung durch die Glasfaser zerstört werden.

Laserschweißen mit intelligenten Pixeln
Eine besondere Herausforderung beim Laserschweißen ist die Dosierung der Laserleistung: Ist sie zu hoch, bilden sich Löcher in der Naht, bei zu niedriger Leistung dagegen verbinden sich unter Umständen die Bleche nicht.
In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der dem IFSW angegliederten Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge (FSGW) und dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik gelang es erstmals, ein Regelsystem zu entwickeln, das die Laserleistung bedarfsgerecht für eine optimale Durchschweißung anpasst. Hierfür wird die Größe des Durchschweißloches überwacht und die Laserleistung entsprechend angepasst. Das Regelsystem basiert auf einer kommerziell erhältlichen und mit einem Preis von knapp 3.000 Euro sehr kostengünstigen Spezialkamera, die es ermöglicht, genau definierte Bildmerkmale mit einer Geschwindigkeit von über 10.000 Bildern pro Sekunde aufzunehmen und auszuwerten. Die Kamera bildet mit ihren intelligenten Pixeln ein so genanntes „Cellular Neural Network“, das aus über 25.000 winzigen Prozessoren besteht. Diese Technologie kann die Bilder über zehnmal schneller verarbeiten als konventionelle Systeme. Dabei ist das gesamte Regelsystem nicht größer eine Schuhschachtel.                        amg

KONTAKT
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Prof. Thomas Graf
Institut für Strahlwerkzeuge
Tel. 0711/685-66841
e-mail: graf@ifsw.uni-stuttgart.de