Ferdinand-Braun-Institut představí novinky v laserové technologii na Photonics West 2025

Miniaturizovaný hlavní oscilátorový výkonový zesilovač (MOPA) s vloženým optickým izolátorem, namontovaný na chladiči CCP3. (Obrázek: FBH/P. Immerz) / Master oscillator power amplifier (MOPA) s vloženým optickým izolátorem namontovaný na chladiči CCP3. ©FBH/P. Immerz

Vysoce výkonný diodový laserový modul - dva takové stackové moduly jsou integrovány do laserové hlavy Samba. Tato laserová hlava poskytuje stálý výstupní výkon 1 kW a je používána v aditivní výrobě. (Obrázek: FBH/P. Immerz) / Vysoce výkonný diodový laserový submodul - Dva takové stackové moduly jsou integrovány do laserové hlavy Samba, což poskytuje výstupní výkon 1 kW v nepřetržitém režimu, používaný pro aditivní výrobu. ©FBH/P. Immerz

Berlínský institut vyvíjí na míru šité diodové lasery pro použití v průmyslu, medicíně a kvantových technologiích – od čipu po prototyp. Na Photonics West 2025 v San Franciscu (USA) představí Ferdinand-Braun-Institut, Leibnizův institut pro vysokofrekvenční techniku (FBH) nově vyvinuté a dále rozvinuté diodové lasery – na odborném veletrhu v německém pavilonu a na doprovodných konferencích.

Na Photonics West 2025 v San Franciscu (USA) představí Ferdinand-Braun-Institut, Leibnizův institut pro vysokofrekvenční techniku (FBH) nově vyvinuté a dále rozvinuté diodové lasery. FBH se prezentuje jak na veletrhu (28. až 30. ledna 2025), tak na doprovodných konferencích (25. až 30. ledna 2025) s 18 vědeckými přednáškami. Na stánku 4205-18 v německém pavilonu ukazuje institut kompletní spektrum svých služeb – od návrhu přes vývoj čipů až po moduly a prototypy. Kromě dále rozvinutých polovodičových světelných zdrojů představuje FBH inovativní kvantové světelné moduly a výkonný přímý diodový laserový systém „Samba“.

V jednom pozvaném příspěvku informuje tým FBH o Ramanově spektroskopických studiích s jeho dvou-vlnovými diodovými lasery o vlnové délce 785 nanometrů (nm). Zkoumány byly zbarvené i nezbarvené textilie a černé plasty pomocí metody Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS). Tato metoda ukazuje svůj potenciál pro recyklační průmysl. Zkoumané materiály bylo možné pomocí SERDS jednoznačně identifikovat – krok směrem k efektivnímu třídění a recyklaci.

Mezi exponáty patří:

Výkonné monoliticky mřížkově stabilizované diodové lasery pro průmyslovou výrobu a laserovou fúzi

Vylepšení na úrovni čipu a při konstrukci a spojování umožnila FBH dosáhnout výrazného pokroku u svých diodových laserů. Výstupní výkon a účinnost průmyslově použitelných monoliticky mřížkově stabilizovaných diodových laserů bylo zvýšeno a poprvé byly dostupné nové vlnové délky. Institut ve spolupráci s průmyslovým partnerem Trumpf dosáhl rekordních hodnot u diodových laserů o vlnové délce kolem 880 nm. Tyto lasery dosahují maximální kontinuální výstupní výkon 26 wattů s spektrální šířkou 1 nm z mřížkově stabilizovaných (DBR) jednotlivých emisí o vlnové délce 885 nm a šířce proužku 200 mikrometrů. Tyto lasery mají být brzy použity jako laserové bloky nové generace v průmyslových laserových řezacích systémech pro pumpování pevnolátkových laserů Nd:YAG. Tyto diodové lasery také tvoří základ pro budoucí pulzní aplikace, které vyžadují extrémní vysoké výkony. Patří sem například pumpovací lasery pro energetickou výrobu laserovou fúzí, kde hrají důležitou roli mřížkově stabilizované lasery v rozsahu 870 – 885 nm.

Srdcem představeného laserového systému „Samba“ jsou diodové laserové moduly, které emitují vysoké výstupní výkony při vlnové délce 780 nm. Dva z těchto modulů, složené z na sebe naskládaných jednotlivých emisí o šířce 1,2 milimetru (mm) – takzvané stacky – jsou integrovány do kompaktního laserového hlavy „Samba“. Díky tomu lze výkon škálovat na jeden kilowatt kontinuálního výstupu, který dopadá na pracovní kus ve velmi přesném laserovém paprsku o průměru pouhých 1 mm. Tento přímý diodový laserový systém integrují průmysloví partneři na robotickou ruku a používají jej k efektivní aditivní výrobě hliníku v průmyslové laserové drátové technice. Díky vyšší absorpci při 780 nm jsou vyvinuté FBH diodové lasery při zpracování až čtyřikrát účinnější než běžně používané lasery okolo 1030 nm. Tento proces je v první fázi demonstrován na laserovém drátovém povlakovém procesu, při kterém jsou vyráběny boční stěny vysokorychlostních vlaků s výrazně sníženou hmotností. Díky kompaktní velikosti je možné vyrábět i složité součásti. Tento inovativní systém nevyžaduje optická vlákna a je proto méně náchylný k chybám. Vlnová délka může být také přizpůsobena požadované absorpci materiálu.

Kvantové světelné moduly – analytika, senzory a zobrazování s omezenými fotony

FBH vyvíjí kvantové světelné moduly založené na párech omezených fotonů, které mají široké využití. Na veletrhu představí institut jeden ze svých miniaturizovaných senzorových modulů. Tento modul je klíčovým prvkem mobilního systému, který má v budoucnu umožnit analýzu mikroplastů přímo v místě v řekách a jezerech. Měření probíhají výhradně v blízkém infračerveném rozsahu (NIR). Nejsou potřeba detektory ani zdroje záření v prostředním infračerveném rozsahu (MIR). To snižuje náklady, protože detektory a kamery v NIR jsou levnější než v MIR. Systém umožňuje detekci speciálních plastů i v nejmenších koncentracích a velikostech.

Pro své kvantové světelné moduly integruje FBH inovativní laserové diody s dalšími prvky na nejmenším prostoru. Silný laserový paprsek dopadá na nelineární optický krystal, který způsobí rozpad fotonů laserového paprsku na omezené páry fotonů, přičemž oba fotony mají různé vlnové délky. Foton s vlnovou délkou MIR je směrován ke zkoumané vzorku a zpět do senzoremdu, zatímco foton s NIR je ponechán v modulu. Po výměně informací jsou analyzovány pouze NIR fotony. Tento postup je vhodný pro použití v medicíně, měřicí technice, mikroskopii a environmentální analýze.

Hlavní oscilátor a výkonové zesilovače s vynikajícími optickými vlastnostmi

Výzkumníci z FBH vyvinuli miniaturizovaný hlavní oscilátorový výkonový zesilovač (MOPA), který poskytuje vysoký optický výkon přes osm wattů v kontinuálním provozu s nízkou spektrální šířkou (< 100 MHz) a vysokou kvalitou paprsku (M² < 2). Lze jej využít v různých oblastech, od medicíny a měřicí techniky po kvantovou fyziku. Díky malým rozměrům 25 x 25 mm² umožňuje kompaktní a přenosná zařízení. Aby byl MOPA chráněn před optickými zpětnými vazbami, je vybaven miniaturizovaným optickým izolátorem. MO je spektrálně stabilizován pomocí interního rozděleného Braggova odražeče (DBR), pro PA byl zvolen trapezoidní zesilovač. Kompaktní držák CCP3 lze snadno začlenit do měřicích sestav a systémů. Volitelně lze MOPA integrovat do uzavřeného krytu typu butterfly. Vlnové délky jsou flexibilně nastavitelné v rozsahu 620 – 1180 nm.