Eine Einführung in Solid

Nov 17, 2023

Der erste jemals konstruierte Laser war ein Festkörper-Rubinlaser, der 1960 von Theodore Maiman gebaut wurde. Festkörperlaser sind jedoch keine historische Kuriosität. Vielmehr ist die Technologie im Laufe der Jahre gewachsen und vielfältiger geworden und bedient ein enormes Spektrum an Anwendungen in den Bereichen Wissenschaft, Industrie, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Medizin und Biowissenschaften.

Laser werden grob nach dem Aggregatzustand ihres Lasermaterials (Verstärkungsmedium) klassifiziert: Gas-, Flüssigkeits-, Festkörper- und sogar Plasmalaser. Es ist jedoch üblich, den Begriff Festkörperlaser nur für Laser zu verwenden, die ein Kristall- oder Glas-Verstärkungsmedium verwenden. Dieses Wirtsmaterial ist normalerweise mit Ionen dotiert, um die Besetzung und damit die Laserwirkung zu unterstützen.

Beim Pumpen wird dem Laserkristall Rohenergie zugeführt, die dieser dann in Laserlicht umwandelt. Der Kristall ist nicht leitend, sodass Pumpenergie den Festkörper-Verstärkungsmedien praktisch immer in Form von Licht und nicht in Form von Elektrizität zugeführt wird. Frühe Festkörperlaser wurden mit Blitzlampen gepumpt. Diese Situation änderte sich dramatisch mit der Einführung des Diodenlaserpumpens in den 1980er Jahren.

Diodenlaser stellen eine intensive Lichtquelle dar und die Wellenlänge kann an die Absorption des Verstärkungsmediums angepasst werden. Dies führt zu einem sehr effizienten Laser, bei dem ein relativ großer Teil der ursprünglich dem Laser zugeführten Energie (insbesondere der zum Betrieb der Dioden verwendete Strom) letztendlich in Laserlicht umgewandelt wird. Darüber hinaus bietet das Diodenpumpen enorme Zuverlässigkeit und Lebensdauervorteile, einen geringen Platzbedarf (Größe) und Betriebskonsistenz.

Bei bestimmten Festkörperlaserkristallen wird jedoch immer noch Lampenpumpen verwendet. Denn lampengepumpte Festkörperlaser können sehr hohe Pulsenergien erzeugen. Außerdem sind der typische Kaufpreis und die Kosten pro Watt Lampenpumpleistung viel niedriger als bei Dioden.

Festkörperlaserresonatoren werden meist auf herkömmliche Weise konfiguriert. Das Verstärkungsmaterial wird nämlich zwischen zwei Spiegeln platziert, um einen optischen Hohlraum zu bilden. Manchmal werden die Enden des Laserkristalls beschichtet, um zu Spiegeln zu werden. Der Laserkristall selbst kann in Stab-, Platten- oder dünner Scheibenform vorliegen.

Aufgrund der großen Anzahl unterschiedlicher Kristalle sind derzeit viele unterschiedliche Arten von Festkörperlasern im Einsatz. Es ist hier nicht möglich, sie alle zu beschreiben, und selbst eine Kategorisierung ist schwierig, da die vorhandenen Festkörperlaser einen äußerst breiten Bereich an Leistungscharakteristika abdecken. Für die Zwecke dieser Diskussion ist es jedoch sinnvoll, sie in drei große Kategorien zu unterteilen: Dauerstrichlaser (CW) und Nanosekunden-Pulsbreite, ultrakurze Pulse und ultraschnelle Laser.

Die gebräuchlichsten Festkörperlaser dieser Kategorie basieren auf Neodymkristallen, die normalerweise entweder mit Yttriumaluminiumgranat (Nd:YAG), Yttriumorthovanadat (Nd:YVO4) oder Yttriumlithiumfluorid (Nd:YLF) dotiert sind. Die stärkste Laser-Grundausbeute für alle diese Kristalle liegt im Infrarotbereich bei etwa 1 μm.

Diese Kristalle werden alle verwendet, da jeder etwas unterschiedliche Betriebseigenschaften erzeugt. Beispielsweise eignet sich Nd:YVO4 am besten für gepulste Laser mit hoher Spitzenleistung und hoher Wiederholungsrate. Im Gegensatz dazu liefert Nd:YAG typischerweise eine höhere Gesamtimpulsenergie bei niedrigeren Wiederholungsraten. Nd:YLF liefert noch höhere Pulsenergien, meist bei noch geringeren Wiederholungsraten.

Es gibt auch mehrere Laserkristalle, die anstelle von Nd Holmium-, Thulium-, Ytterbium- oder Erbium-Dotierstoffe verwenden. Die Kristalle Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG lasern alle bei etwa 2 μm. Diese Wellenlänge wird von lebendem Gewebe, das Wasser enthält, stark absorbiert, wodurch diese Lasertypen für eine Vielzahl medizinischer Anwendungen nützlich sind.

Die meisten dieser Kristalle können im Dauerstrich (CW) betrieben werden. Die meisten Materialbearbeitungs- und anderen industriellen Festkörperlaser werden jedoch gepulst betrieben. Durch Pulsieren wird die Spitzenleistung erhöht, was bei vielen Materialien, insbesondere bei Metallen, entscheidend ist, um über die Ablationsschwelle (Mindestleistung, die zum Schmelzen oder Verdampfen erforderlich ist) zu gelangen oder um eine Oberflächenfarbänderung für die Markierung zu erzeugen.

Die am weitesten verbreitete Pulsmethode ist die Güteschaltung, die typischerweise mithilfe eines akusto-optischen Deflektors implementiert wird, der als schneller Verschluss im Laserresonator fungiert. Zunächst wird der Güteschalter geschlossen, wodurch verhindert wird, dass Licht innerhalb der Laserkavität zirkuliert. Während dieser Zeit sammelt sich die dem Laserkristall zugeführte Pumpenergie in diesem an. Dann wird der Q-Schalter schnell geöffnet. Dadurch kann der Laser arbeiten. Die gespeicherte Energie wird schnell in Laserlicht umgewandelt und in Form eines kurzen Impulses abgestrahlt. Dieser Vorgang wiederholt sich schnell.

Die meisten der üblicherweise verwendeten gütegeschalteten Festkörperlaser erzeugen Impulsbreiten im Bereich von mehreren zehn Nanosekunden. Sie bieten typischerweise durchschnittliche Leistungen von mehreren zehn oder hundert Watt (im Infrarotbereich) und Wiederholungsraten im Zehnerbereich von Hz bis etwa 300 kHz.

Die hohe Spitzenleistung, die beim Pulsen erreicht wird, erleichtert auch den Einsatz nichtlinearer Prozesse. Eines davon ist die Frequenzumwandlung, bei der mithilfe eines Kristalls Harmonische der anfänglichen Lichtfrequenz erzeugt werden. So können gepulste Festkörperlaser, die 1064 nm erzeugen, frequenzvervielfacht werden, um 532 nm (Second Harmonic Generation oder SHG), 355 nm (Third Harmonic Generation oder THG) oder sogar 266 nm (Vierte Harmonische Generation oder FHG) auszugeben. Eine Frequenzumwandlung ist mit CW-Lasern nicht unmöglich, aber nicht so einfach zu implementieren.

Eine andere Möglichkeit, einen Festkörperlaser zu pulsieren, ist die Modenkopplung. Dies führt zu Wiederholungsraten im Bereich von mehreren zehn oder hundert MHz. Bei vielen Anwendungen scheint der Laser also einfach ständig eingeschaltet zu sein. Daher werden diese Quellen oft als Quasi-CW oder QCW bezeichnet. Aber auch hier erhöht das Pulsen die Spitzenleistung, was wiederum eine Frequenzumwandlung ermöglicht und somit eine relativ einfache Möglichkeit bietet, Festkörperlaserquellen mit kürzerer Wellenlänge zu erhalten, die praktisch im Dauerstrich arbeiten. Die Inspektion von Halbleiterwafern ist eine wichtige Anwendung für diese Lasertypen.

Während Festkörperlaser mit Nanosekunden-Pulsbreite in der Materialbearbeitung weit verbreitet sind, können Pulse im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich erhebliche Vorteile für die anspruchsvollsten Präzisionsbearbeitungsaufgaben bieten. Zu diesen Vorteilen gehört die Möglichkeit, sehr kleine Strukturen praktisch ohne Wärmeeinflusszone herzustellen, sowie die Kompatibilität mit einer extrem breiten Palette von Materialien, sogar solchen, die transparent sind, wie z. B. Glas.

Mit der Modusverriegelung können Impulsbreiten von etwa 10 ps oder weniger erzeugt werden. Allerdings haben die meisten modengekoppelten Laser Pulsenergien, die für Anwendungen in der Materialbearbeitung zu niedrig sind. Diese Impulsenergie kann jedoch durch Verstärkung erhöht werden.

Dieser Prozess beginnt normalerweise mit einem „Impulswähler“, um einzelne Impulse aus dem modengekoppelten Laserausgang mit hoher Wiederholungsrate auszuwählen (z. B. jeden zehnten Impuls). Diese Impulse werden an einen Freiraumverstärker gesendet, am häufigsten in einer regenerativen oder Multipass-Konfiguration. Um noch höhere Leistungen zu erreichen, kann mehr als eine Verstärkerstufe eingesetzt werden.

Obwohl dieser Ansatz komplex klingen mag, sind kommerzielle industrielle Ultrakurzpulslaser (UKP) dank Diodenpumpen, sorgfältigem optomechanischen Design und strengen Montageprotokollen äußerst zuverlässig. Kommerzielle Pikosekunden-UKP-Laser liefern typischerweise Pulsbreiten unter 15 ps und Leistungen von bis zu 100 W im Infrarotbereich. Sowohl Grün- als auch UV-Ausgang sind ebenfalls verfügbar. Es gibt auch UKP-Laser mit Pulsbreiten von Hunderten von Femtosekunden und einer Leistung von mehreren zehn Watt, auch im IR-, sichtbaren und UV-Bereich. Kommerzielle UKP-Laser werden in vielen Präzisionsschneid- und Bohranwendungen in der Mikroelektronik, zum Schneiden von OLED-Modulen und Displays, in der Herstellung medizinischer Geräte und sogar in der Uhrenherstellung eingesetzt.

Modengekoppelte Festkörperlaser für wissenschaftliche Anwendungen werden typischerweise als ultraschnelle Laser bezeichnet. Mit Pulsbreiten im Bereich von 10 fs bis 200 fs sind diese Laser zu Arbeitsgeräten für eine Vielzahl von Untersuchungen in der Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaft geworden. Ultrakurzpulslaser unterscheiden sich von industriellen UKP-Lasern dadurch, dass sie typischerweise kürzere Pulsbreiten und viel mehr Kontrolle über die Ausgangsparameter, einschließlich Wellenlänge, Pulsbreite und mehr, bieten.

Der Schlüssel zum Erreichen dieser extrem kurzen Impulsbreiten liegt in der Verwendung eines Verstärkungskristalls, der über einen sehr breiten Wellenlängenbereich liefert. Je breiter das Ausgangsspektrum ist, desto kürzer können die Impulse sein. Das derzeit am häufigsten verwendete Material ist Ti:Saphir. Dieses Material muss mit grünem Licht gepumpt werden, daher ist die Pumpquelle typischerweise ein frequenzverdoppelter, diodengepumpter CW-Festkörperlaser. In letzter Zeit erweist sich Ytterbium als beliebte Alternative zu Ti:Saphir.

Während die fortschrittlichsten und leistungsstärksten wissenschaftlichen Ultrakurzpulslaserquellen recht komplex sind, sind diese Produkte ausgereift und nutzen alle Vorteile der Mikroprozessortechnologie. Dadurch sind sie äußerst zuverlässig und die meisten Ausgabeanpassungen erfolgen softwaregesteuert. Diese schlüsselfertige Operation hat es Wissenschaftlern in vielen Disziplinen ermöglicht, sie wie jedes andere Instrument zu verwenden, ohne dass sie spezielle Fachkenntnisse entwickeln müssen.

Die Festkörpertechnologie ist buchstäblich seit dem ersten Tag in der Laserindustrie präsent. Kontinuierliche Innovationen, die eine höhere Leistung sowie eine höhere Zuverlässigkeit und niedrigere Betriebskosten bieten, sorgen dafür, dass Festkörperlaser weiterhin relevant und erfolgreich eingesetzt werden.

Dieser Artikel wurde von Jörg Heller, Produktlinienmanager, Coherent, Inc. (Santa Clara, CA) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Märzausgabe 2022 des Photonics & Imaging Technology Magazine.

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