Neue Lichtquellen für die Lebenswissenschaften (NewLife)

Abstract

Das Projekt "NewLife" beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Faserlaserquellen für Anwendungen in den Lebenswissenschaften, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich (VIS). Ziel ist es, bisherige ineffiziente und teure Lasersysteme – etwa Titan:Saphir-Laser – durch kompakte, kostengünstige und wartungsfreie Faserlaser zu ersetzen. Ein Schwerpunkt lag auf der Nutzung von Praseodym-dotierten Fluoridglasfasern (ZBLAN) zur Erzeugung sichtbaren Lichts. Um eine vollständige Faserintegration zu erreichen, wurden verlustarme Spleißverbindungen zwischen verschiedenen Fasertypen sowie Faser-Bragg-Gitter (FBGs) für den sichtbaren Spektralbereich als Resonatorspiegel entwickelt. Die Herstellung von FBGs in ZBLAN-Fasern erwies sich jedoch als schwierig. Daher wurden FBGs beliebiger Reflektivität bis > 30dB erfolgreich in Quarzglasfasern umgesetzt und eine zuverlässige Spleißtechnik mit hoher mechanischer und optischer Qualität bei einer Transmission von > 95% zwischen ZBLAN und Quarzglas entwickelt - trotz großer chemischer und physikalischer Unterschiede der Glassysteme. Die realisierte Spleißverbindung erwies sich darüber hinaus als leistungsstabil im untersuchten Bereich bis mindestens 1.3 W Laserleistung. Als Alternative hoch-reflektiver FBGs und Möglichkeit der modularen Auslegung des Resonators wurde eine zusätzliche Technologie erforscht, bei welcher beschichtete Faserstecker "steckbar" als hochreflektierender breitbandiger Spiegel dienen. Im Ergebnis konnten zwei Varianten eines monolithischen Faserlaser-Demonstrators mit bis zu 650 mW Ausgangsleistung und teils guter Langzeitstabilität realisiert werden. Die Praseodym-dotierte ZBLAN-Faser zeigte im Freistrahlexperiment bis zu 3 W Ausgangsleistung bei hoher Effizienz von 33% und auch eine moderate Wellenlängendurchstimmbarkeit. Die Projektergebnisse wurden auf verschiedenen internationalen Konferenzen publiziert und diskutiert. Die begrenzte Verfügbarkeit geeigneter Komponenten für den sichtbaren Spektralbereich (z. B. Pump-Signal-Kombiner) stellt aktuell noch eine Hürde dar, bietet aber gleichzeitig großes Potenzial für weiterführende industrielle Entwicklungen. The "NewLife" project focuses on the development of new fiber laser sources for applications in the life sciences, particularly in the visible spectral range (VIS). The aim is to replace currently inefficient and expensive laser systems-such as titanium:sapphire lasers-with compact, cost-effective, and maintenance-free fiber lasers. A key focus was the use of praseodymium-doped fluoride glass fibers (ZBLAN) for generating visible light. To achieve full fiber integration, low-loss splicing between different fiber types was developed, as well as fiber Bragg gratings (FBGs) for the visible spectral range to serve as resonator mirrors. However, manufacturing FBGs in ZBLAN fibers proved to be challenging. As a solution, FBGs with arbitrary reflectivity up to >30 dB were successfully implemented in silica fibers. In addition, a reliable splicing technique between ZBLAN and silica was developed, achieving high mechanical and optical quality with a transmission of >95%-despite significant chemical and physical differences between the glass systems. The realized splice connection also demonstrated power stability in the tested range up to at least 1.3 W of laser output. As an alternative to highly reflective FBGs and to enable modular resonator designs, an additional technology was explored: coated fiber connectors that can be "plugged in" to serve as highly reflective broadband mirrors. As a result, two versions of a monolithic fiber laser demonstrator were realized, achieving up to 650 mW output power with partially good long-term stability. The praseodymium-doped ZBLAN fiber demonstrated up to 3 W output power in free-space experiments, with high efficiency of 33% and moderate wavelength tunability. The project results were published and discussed at various international conferences. The limited availability of suitable components for the visible spectral range (e.g., pump-signal combiners) still presents a challenge, but also offers significant potential for further industrial development