S myšlenkou kombinace laserových paprsků pomocí speciální difrakce a použití nových klíčových komponent dosáhli výzkumníci německého Fraunhoferova institutu průlom v laserovém výzkumu. Se svým thuliovým vláknovým laserem dokázali téměř dvojnásobně překonat současný světový výkonový rekord.
Fraunhoferův institut pro aplikovanou optiku a přesné strojírenství (IOF — Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik) v Jeně dosáhl pozoruhodného úspěchu: jeho vědci vyvinuli nový vysoce výkonný laser, který má téměř dvojnásobní výkon v porovnání se světovým rekordem kolem 1,1 kW. Jeho základem je systém tří thuliových vláknových laserů, které vyzařují světlo ve spektrálním rozsahu 2 030—2 050 nm a dosahují výstupního výkonu 1,91 kW. Tento nový světový výkonový rekord otevírá cestu pro všestranné technologické aplikace. Patří sem lékařské postupy, zpracování polymerů a optický přenos dat.
Od svého objevu v 60. letech 20. století se vláknové lasery etablovaly jako mimořádně užitečný nástroj v různých oblastech, včetně zpracování materiálů a komunikace na dlouhé vzdálenosti prostřednictvím spojů volného prostoru. Volba optimálního spektrálního rozsahu je klíčová zejména pro přenos dat na extrémní vzdálenosti, například mezi Zemí a satelity. Rozsah nad 2 030 nm má obzvláště nízké atmosférické ztráty. Riziko odrazů je zde rovněž nižší, což jej činí zvláště atraktivním.
„Naším cílem je optimalizovat technologickou základnu, abychom mohli dosáhnout další výkonnostní úrovně se spolehlivými jednotlivými zdroji,“ uvedl Till Walbaum, vedoucí skupiny pro laserové technologie ve Fraunhoferově IOF. Ústředním prvkem je zde princip spektrálního slučování paprsků (SBC — spectral beam combining), při kterém jsou laserové paprsky různých vlnových délek směrovány na speciální optické odrazové mřížky pod přizpůsobenými úhly. Difrakce zajišťuje spojení mnoha paprsků do paprsku jediného. To přináší zvýšení výkonu a zároveň stabilizaci kvality paprsku, což se následně pozitivní promítá také do zaostření laserového paprsku.
Hlavním důvodem, proč konvenční systémy dosahují svých fyzických limitů při vysokých úrovních výkonu, je přehřívání. Obvykle je způsobeno nízkou účinností kombinace a laseru. Pomocí nových, účinnějších individuálních zdrojů a vylepšených chladicích systémů se Fraunhoferovu institutu podařilo tento problém úspěšně vyřešit. Speciální technika nazývaná „studené spojování“ umožňuje spojení vláken s nízkou ztrátou a účinnou regulaci teploty.
Účinnost přesahuje 95 % a také nabízí vynikající tepelný výkon. Důležitou roli v tomto ohledu hraje unikátní speciální mřížka, jež je jednou z relevantních klíčových součástí nového vysoce výkonného laseru a absolutním srdcem systému. Doposud byly optické kombinační prvky, jako jsou mřížky a dichroická zrcadla pro vlnové délky 2 μm, k dispozici pouze pro výkon laseru několik set wattů. V institutu vyvinuli speciální difrakční mřížku, která funguje výborně i v rozsahu mnoha kW za náročných podmínek.
„Vytvořili jsme technologické předpoklady pro realizaci laserových systémů s ještě vyšším výkonem a spolehlivostí. Další velkou výzvou je dosáhnout hranice 20 kW,“ říká Till Walbaum s výhledem do budoucnosti.
Karel Sedláček, upravil a doplnil Michael Málek