Was sind Ultrakurzpulslaser und wie werden sie eingesetzt?

Definition von Ultrakurzpulslasern

Ultrakurzpulslaser sind Laser, die extrem kurze Pulse emittieren, typischerweise im Pikosekunden- (10⁻¹² Sekunden) oder Femtosekundenbereich (10⁻¹⁵ Sekunden). Aufgrund ihrer ultrakurzen Pulsdauer interagieren diese Laser mit Materialien hauptsächlich über nichtthermische, nichtlineare Effekte, wodurch Wärmediffusion und thermische Schäden deutlich reduziert werden. Diese einzigartige Eigenschaft macht Ultrakurzpulslaser ideal für die Präzisions-Mikrobearbeitung, medizinische Verfahren und die wissenschaftliche Forschung.

Anwendungen von Ultrakurzpulslasern

Aufgrund ihrer hohen Spitzenleistung und minimalen thermischen Belastung werden Ultrakurzpulslaser in zahlreichen Branchen eingesetzt, darunter:

1. Industrielle Mikrobearbeitung: Ultraschnelle Laser ermöglichen präzises Schneiden, Bohren, Markieren und Oberflächenbearbeitung auf Mikro- und Nanoebene mit minimalen Wärmeeinflusszonen.

2. Medizinische und biomedizinische Bildgebung: In der Augenheilkunde werden Femtosekundenlaser für LASIK-Operationen eingesetzt. Sie ermöglichen präzise Hornhautschnitte mit minimalen postoperativen Komplikationen. Darüber hinaus finden sie Anwendung in der Multiphotonenmikroskopie und der biomedizinischen Gewebeanalyse.

3. Wissenschaftliche Forschung: Diese Laser spielen eine entscheidende Rolle in der zeitaufgelösten Spektroskopie, der nichtlinearen Optik, der Quantenkontrolle und der Erforschung neuer Materialien und ermöglichen es Wissenschaftlern, ultraschnelle Dynamiken auf atomarer und molekularer Ebene zu erforschen.

4. Optische Kommunikation: Bestimmte ultraschnelle Laser, wie etwa 1,5-μm-Faserlaser, arbeiten im verlustarmen Glasfaserkommunikationsband und dienen als stabile Lichtquellen für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung.

Leistungs- und Performanceparameter

Ultrakurzpulslaser zeichnen sich durch zwei wesentliche Leistungsparameter aus:

1. Durchschnittliche Leistung: Je nach Anwendungsanforderungen liegt der Bereich zwischen einigen zehn Milliwatt und mehreren Watt oder mehr.

2. Spitzenleistung: Aufgrund der extrem kurzen Pulsdauer kann die Spitzenleistung mehrere Kilowatt bis Hunderte von Kilowatt erreichen. Beispielsweise erreichen einige Femtosekundenlaser eine Durchschnittsleistung von 1 W, während ihre Spitzenleistung um mehrere Größenordnungen höher ist.

Weitere wichtige Leistungsindikatoren sind die Pulswiederholrate, die Pulsenergie und die Pulsbreite, die alle auf der Grundlage spezifischer Industrie- und Forschungsanforderungen optimiert werden müssen.

Führende Hersteller und Branchenentwicklung

Mehrere globale Hersteller dominieren die Ultrakurzpulslaserbranche:

1. Coherent, Spectra-Physics, Newport (MKS) – Etablierte Unternehmen mit ausgereifter Technologie und einem breiten Spektrum an industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen.

2. TRUMPF, IPG Photonics – Marktführer für industrielle Laserbearbeitungslösungen.

3. Chinesische Hersteller (Han's Laser, GaussLasers, YSL Photonics) – Aufstrebende Akteure, die bedeutende Fortschritte in der Laserstrukturierung, Modenkopplungstechnologien und Systemintegration erzielen.

Kühlsysteme und Wärmemanagement

Trotz ihrer geringen Durchschnittsleistung erzeugen Ultrakurzpulslaser aufgrund ihrer hohen Spitzenleistung erhebliche Wärme. Effiziente Kühlsysteme sind unerlässlich, um eine stabile Leistung und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.

Kühler Systeme: Ultraschnelle Laser sind üblicherweise mit industriellen Kühlern mit einer Temperaturregelgenauigkeit von ±0,1 °C oder besser ausgestattet, um eine stabile Laserleistung aufrechtzuerhalten.

TEYU CWUP-Serie Kühler: Diese speziell für die Ultrakurzpulslaserkühlung entwickelten Laserkühler bieten eine PID-gesteuerte Temperaturregelung mit einer Präzision von 0,08 °C bis 0,1 °C. Sie unterstützen außerdem die RS485-Kommunikation für die Fernüberwachung und -steuerung und sind somit ideal für Ultrakurzpulslasersysteme von 3 W bis 60 W.

Zukünftige Trends bei Ultrakurzpulslasern

Die Ultrakurzpulslaserindustrie entwickelt sich in Richtung:

1. Kürzere Pulse, höhere Spitzenleistung: Laufende Fortschritte bei der Modenkopplung und Pulskompression werden Attosekunden-Pulslaser für Anwendungen mit extremer Präzision ermöglichen.

2. Modulare und kompakte Systeme: Zukünftige Ultrakurzpulslaser werden stärker integriert und benutzerfreundlicher sein, was die Komplexität und die Anwendungskosten reduziert.

3. Niedrigere Kosten und Lokalisierung: Da Schlüsselkomponenten wie Laserkristalle, Pumpquellen und Kühlsysteme im Inland produziert werden, sinken die Kosten für ultraschnelle Laser, was eine breitere Akzeptanz ermöglicht.

4. Branchenübergreifende Integration: Ultraschnelle Laser werden zunehmend mit Bereichen wie optischer Kommunikation, Quanteninformation, Präzisionsbearbeitung und biomedizinischer Forschung verschmelzen und so neue technologische Innovationen vorantreiben.

Abschluss

Die Ultrakurzpulslasertechnologie entwickelt sich rasant weiter und bietet unübertroffene Präzision und minimale thermische Effekte in Industrie, Medizin und Wissenschaft. Führende Hersteller verfeinern kontinuierlich Laserparameter und Integrationstechniken, während Fortschritte bei Kühl- und Wärmemanagementsystemen die Laserstabilität verbessern. Mit sinkenden Kosten und der Ausweitung branchenübergreifender Anwendungen werden Ultrakurzpulslaser zahlreiche Hightech-Branchen revolutionieren.