Ziehturm am Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart

Die Strahlung von Hochleistungs-Lasern wird in Lichtleitkabeln an den Ort der Bearbeitung geführt. Leistungen bis zu einigen Kilowatt können in Fasern nahezu verlustfrei nur über 1- 3 m übertragen werden. Anwender wie die Autoindustrie fordern 100 m Transportlänge. Nichtlineare Effekte und Streuung führen zur Zerstörung der Faser und begrenzen die übertragbare Strahlungsleistung. Neue Fasern werden gebraucht.

Festkörperlaser, Scheibenlaser und Faserlaser werden immer leistungsfähiger. Die erzeugte Strahlungsleistung wird mit Lichtleitfasern vom Lasergerät zur Bearbeitungsstation geleitet, die sich oft in einem robusten Industrieumfeld befindet. Die Lichtleitung in Glasfasern geschieht durch Totalreflexion. Innerhalb der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien, dem Kern und dem Mantel mit unterschiedlicher Brechzahl wird das Licht nahezu verlustfrei reflektiert und durch die Faser geleitet. Die Brechzahl ist im Inneren (Kern) einer Faser entlang der Achse groß und nimmt nach außen hin entweder sprunghaft (Stufenindexfaser) oder allmählich (Gradientenindexfaser) ab, indem ein sog. cladding mit niedrigerer Brechzahl aufgebracht wird. Bei der Übertragung des energiereichen Strahlungsfeldes eines Hochleistungslasers tritt eine Wechselwirkung mit dem Material des Kerns durch elastische und unelastische Streuung auf, die zusammen mit nichtlinearen Effekten wie Multiphotonenabsorption die Übertragungseffizienz stark herabsetzen und zur Zerstörung der Faser führen. Die heute erreichte Transportlänge beträgt  für die Übertragung von 1 kW im Grundmode 5 m im nahen Infrarot, die Firma IPJ Photonics Corp. gibt für 5 kW Grundmode eine Länge von 3 m an. Die Laserleistungen werden immer weiter gesteigert. Zur Messe LASER´ 2005 wurde von der IPG ein 18 kW Faserlaser vorgestellt. Durch den modularen Aufbau und die damit verbundene Skalierbarkeit der Leistung war es zur LASER´2007 bereits möglich, einen 36 kW Faserlaser zu bauen. Um diese Leistungen auszunutzen und industriell anzuwenden, fordert z.B. die Autoindustrie Transportlängen von 100 m für gepulste Laserquellen zum Schweißen im time-sharing Verfahren. Neuartige Fasern, die diese Anforderungen erfüllen, müssen dringend entwickelt werden.

Ausgangsmaterial für die Glasfaserherstellung ist spezielles Quarzglas, das durch verschiedene Abscheideverfahren in eine Preform gebracht wird. Zum Ausziehen der Faser wird die Preform in einem Ofen bis zum Schmelzpunkt bei 2150 o C erwärmt.  Während des anschließenden Ziehvorgangs von dem knapp zehn Meter hohen Turm bleiben die geometrischen Verhältnisse der Preform erhalten, so dass der Querschnitt der Faser ein verkleinertes Abbild der Preform enthält. Beim Ziehvorgang wird die Faser zum Schutz mit weiteren Schichten ummantelt. Durch eine differenzierte Gestaltung des Kerns und der umgebenden Schichten kann Einfluss auf die verlustfreie Lichtführung in der Faser genommen werden.

Am Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart (IFSW) wurde eine neue Anlage für die Erforschung und Entwicklung neuartiger Transportfasern für die Übertragung von Hochleistungslaserstrahlung höchster Brillanz eingeweiht (Bild). Hier sind mehrere interessante Projekte zur Überwindung der oben genannten Begrenzungen geplant. Zunächst soll das Konzept der "Solid core bragg fibers" erprobt werden. Hierbei wird der Kern der Fasern mit 3 - 5 Schichten von genau abgestimmten Brechungsindizes umgeben. Im Ergebnis bewirkt ein Interferenzeffekt die Stabilisierung der Lichtführung. Dadurch werden Verluste vermieden. Ein weiteres Projekt wird " Hollow Bragg Fibers" sein. Hierbei werden um den Kern der Faser durchlöcherte konzentrische Ringstrukturen mit alternierenden Brechungsindizes aufgebracht. Diese Fasern sollen nach bereits vorliegenden Berechnungen polarisationserhaltend sein und um einen Faktor 1000 geringere Verluste haben. Die neue Anlage wird dazu beitragen, das Anwendungspotenzial vieler Laserstrahlquellen mit hoher Leistung und bester Strahlqualität entscheidend zu erweitern.

Wichtig in diesem Zusammenhang ist auch die systematische Untersuchung der speziellen Fasern für Hochleistungsübertragung. Als Beispiel wird die Firma Fibertech im Rahmen eines gemeinsamen Projekts mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Fasern hinsichtlich der Anwendung für Übertragung hoher Leistungen im Rahmen einer Studie untersuchen. Hierzu wird eine Reihe von Analysen im Hinblick auf die technologischen Parameter der Fasern durchgeführt. Damit wird zum ersten Mal eine systematische Qualifizierung der speziellen Fasern vorgenommen. Dieses Verbundvorhaben wird im Rahmen der Europäischen Förderung für Regionale Entwicklung (EFRE) von der europäischen Gemeinschaft und von dem Senat Berlin finanziell unterstützt.