SCHOTT solutions Nr. 2/2014 > Laserglas

Laserglas
Der Einsatz von Laserglas wird zunehmend interessanter, sowohl als Verstärkungsmedium für den Resonator wie auch als Verstärker für Ultra-Hochleistungsanwendungen. SCHOTT bietet eine breite Palette von Lasergläsern für vielfältige Anwendungen an. Foto: SCHOTT/J. Stevens

Ein Material mit großer Zukunft


SCHOTT gehört zu den weltweit führenden Anbietern von Laserglas für Industrie, Universitäten und staatliche Einrichtungen. Die enge Zusammenarbeit mit Kunden sowie eine intensive Forschung und Entwicklung eröffnen auch in Zukunft vielversprechende Perspektiven für das Lasermedium Glas.


Dr. Gregory Flinn

Schon kurz nach der Erfindung des Lasers Anfang der 1960er- Jahre wies der amerikanische Wissenschaftler und Pionier der Laserglas-Forschung Elias Snitzer (American Optical Company, siehe Details) nach, dass Kombinationen von Glas und Metallen der Seltenen Erden – wie beispielsweise Neodym, Erbium und Ytterbium – ein hervorragendes Material zur Erzeugung von Laserlicht darstellen. Gründe dafür sind, dass dotierte (lateinisch „dotare”= „ausstatten”) Gläser breite Absorptions- und Emissionsprofile aufweisen, die mit breitbandigen Entladungslampen sehr effizient gepumpt werden können. Zum anderen unterstützen die hohe Löslichkeit der Dotierstoffe im Glas sowie der hohe Wirkungsquerschnitt bei der Emission die Anforderungen an ein Lasermaterial für den gepulsten Laserbetrieb. Glas bietet zudem viele Freiheitsgrade, um die chemische Zusammensetzung und dadurch die spektralen und physikalischen Eigenschaften der jeweiligen Anwendung anzupassen. „Das hat dazu geführt, dass der Einsatz von Laserglas zunehmend interessanter wurde, sowohl als Verstärkungsmedium für den Resonator wie auch als Verstärker für Ultra-Hochleistungsanwendungen”, erklärt Dr. Simi George, Laserglas-Expertin bei SCHOTT Research & Development in Nordamerika.
Laserglasherstellung
Foto: SCHOTT/J. Stevens

Langjährige Kompetenz


Nach über 40 Jahren Grundlagenforschung ist die SCHOTT Kompetenz im Bereich Laserglas bis heute wegweisend. Neodymdotierte Gläser als aktives Lasermedium zur Verstärkung von Laserenergie sind der wichtigste Baustein der Laserglas-Produktpalette der Geschäftseinheit SCHOTT Advanced Optics. Aktuell stehen drei Grundtypen von Lasergläsern auf Phosphatbasis zur Verfügung, die in Hochleistungs-, Hochenergie- und Ultrakurzpulslasern zum Einsatz kommen. Sogenannte „Eye-safe“-Lasergläser für Wellenlängen um 1,5 µm eignen sich für medizinische und kosmetische Anwendungen sowie für Entfernungsmessungen. Neben diesen etablierten Laserglas-Typen bietet SCHOTT auch eine Variante auf Silikatbasis, die für gepulste Festkörperlaser mit hohen Wiederholraten einsetzbar ist, sowie phosphat- und silikatbasierte Glastypen zur Herstellung aktiver Strukturen in integrierten optischen Anwendungen an.
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Otto-Schott-Forschungspreis für Pioniere der Laserglasforschung

Lawrence Livermore National Laboratory, Planung von Petawatt-Lasern
Als Partner für die Entwicklung von Laserglas-Komponenten ist SCHOTT Advanced Optics eingebunden in Großprojekte etwa für das amerikanische Lawrence Livermore National Laboratory (links) oder für die Planung von Petawatt-Lasern auf europäischer Ebene (rechts). Foto links: SCHOTT/National Energetics, Foto rechts: SCHOTT/ LNLL | National Energetics
Zusätzlich zur Produktion in Mainz fertigt SCHOTT Advanced Optics den Großteil seiner Lasergläser in Duryea, Pennsylvania, USA. Vor Ort befindet sich zugleich auch das Forschungs- & Entwicklungszentrum für die Produkte. In Duryea forschen namhafte Glas-Experten wie Dr. Joseph S. Hayden, der mit seinem Wissen wesentlich zur erfolgreichen Marktposition von SCHOTT beigetragen hat. Dr. Hayden ist ein international anerkannter Laserglas-Experte und kam 1985 zu SCHOTT. Seine wissenschaftlichen Arbeiten zur Veränderungen der Glaszusammensetzung sowie der Identifikation spezieller Nachbearbeitungsverfahren waren entscheidend für die Ausweitung der Einsatzmöglichkeiten für Lasergläser. Er arbeitet heute als Research Fellow in Duryea und wurde im Juli 2014 von der American Ceramic Society (ACerS) für seine richtungsweisenden Forschungsresultate im Bereich Glas und Glaskeramik mit dem Stookey Award ausgezeichnet. In seinem Vortrag anlässlich der Preisverleihung, der sogenannten Stookey Lecture of Discovery, würdigte Hayden „die vielen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker, die beteiligt waren und als Einzelne oder im Team Fortschritte auf diesem Gebiet ermöglicht haben.” Besonders erwähnenswert sei auch die kontinuierliche technische und finanzielle Unterstützung durch John H. Campbell (siehe Details) und weitere Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Laserglas-Expertin Dr. Simi George: „Wir verdanken es Laser-Großprojekten weltweit, dass sie der Entwicklung von Laser-
glas-Materialien den erforderlichen Schwung gaben.” Bei vielen Projekten war SCHOTT als Partner für die Entwicklung der Laserglas-Komponenten verantwortlich, beispielsweise für das LLNL und das französische Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA). „Auch an den Planungen zu Projekten, die die Petawatt (PW)-Grenze überschreiten, ist SCHOTT aktiv beteiligt”, so Dr. George. „Hier besteht die Herausforderung nicht nur darin, größere und bessere Glaskomponenten zu liefern. Das Laserglas muss für die extrem kurzen Pulse auch das Licht in einem breiteren Spektralbereich verstärken. Wir werden vollkommen neue Gläser schmelzen müssen.”
Labor SCHOTT Standort Duryea, USA
Blick ins Messlabor: Zentrum für die Entwicklung von Lasergläsern und deren Fertigungsmöglichkeiten ist der SCHOTT Standort Duryea, USA. Foto: SCHOTT/ J. Stevens
Ein Konsortium unter der Leitung von National Energetics Inc. hat gemeinsam mit Ekspla UAB zudem nun auch den Auftrag für ein 40-Millionen-US-Dollar-Projekt zur Entwicklung eines Ultra-Hochleistungs-Lasersystems für das Extreme-Light-Infrastructure (ELI)-Projekt der Europäischen Union in der Nähe von Prag erhalten. Das Lasersystem wird Pulsenergien von mehr als 1,5 kJ mit 150 Femtosekunden (fs) kurzen Pulsen und einer Wiederholrate von einem Schuss pro Minute erreichen. SCHOTT wird für die Laserverstärker, die einen sehr großen Durchmesser haben, Lasergläser liefern.

Für die Entwicklung neuer Lasergläser waren bisher zeitaufwendige Testschmelzen erforderlich. Mittlerweile existieren verlässliche Methoden, um geeignete Glaszusammensetzungen schnell zu identifizieren. Zum einen ist der Einfluss der Glaszusammensetzung auf die Lasereigenschaften inzwischen systematisch untersucht, so dass sich für jedes neue Laserdesign schnell die optimalen Glaseigenschaften bestimmen lassen. Zum anderen kann die Eignung eines neuen oder vorhandenen Glases für eine bestimmte Anwendung schnell durch eine Leistungskennzahl (eine „Figure-of-Merit”) abgeschätzt werden, in die die optischen und die thermodynamischen Materialeigenschaften eingehen. Und schließlich können statistische Werkzeuge dazu verwendet werden, den geeigneten Bereich der Glaszusammensetzung mit einem Minimum an Versuchen einzuschränken. Dies alles zusammen mit den mittlerweile erreichten Verbesserungen der Produktionstechnologie ermöglicht es heute, auch Lasergläser anzubieten, deren Entwicklungskosten angesichts geringer Mengen bislang zu hoch gewesen wären.
Grosser Lasereffekt

Großer Lasereffekt


Perspektiven für Lasergläser


Neben den Großprojekten sind es derzeit insbesondere die Kosmetik- und Medizintechnikmärkte sowie die Verteidigungsindustrie, die Entwicklungsimpulse liefern. Für diese und weitere Anwendungen sind zunehmend Laser mit neuen Wellenlängen in praktischen und zuverlässigen Formaten gefragt, darunter auch leichte, transportable und einfach zu bedienende Systeme. All dies hat direkte Auswirkungen auf die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit des Verstärkungsmediums. Bei der Entwicklung neuer Lasergläser ist es nicht entscheidend, die geforderten optischen und materialabhängigen Parameter einzeln genau zu reproduzieren. Oft reicht es aus, mit den beschriebenen Methoden ein geeignetes Leistungsprofil zu bestimmen. Mit diesem Ansatz lassen sich bereits aktive optische Materialien realisieren, die solch hohen Wiederholraten ermöglichen, wie sie in vielen der zunehmend in der Industrie eingesetzten gepulsten Sekunden- oder Femtosekunden-Lasersystemen erzielt werden. Ein Problem, das mit einer weiteren Verkürzung der Pulslängen in Lasersystemen auftritt, ist das sogenannte „gain narrowing”. Je kürzer ein Laserpuls werden soll, umso mehr benachbarte Frequenzen müssen im Laser verstärkt werden. Oft benötigt man für die geforderte Bandbreite mehrere unterschiedliche Lasermaterialien. SCHOTT verfolgt in seiner Forschung derzeit Ansätze, mit denen dies in einem einzelnen Verstärkungsmedium gelöst werden kann. Dr. William James, Materialentwickler bei SCHOTT R&D in Nordamerika: „Glas ist wahrscheinlich das einzige Material, das die erforderlichen Freiheitsgrade bietet, dies zu erreichen – indem die Glaszusammensetzung und dadurch die physikalischen Eigenschaften und der Herstellungsprozess so variiert werden können, um das gewünschte Ziel zu erreichen.” <