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Aufbau des Lasers

Als Laserquelle für das LASER4DIY-Projekt soll ein diodengepumpter Festkörperlaser mit einem neodym-dotierten Yttrium-Vanadat Kristall (Nd:YVO4) verwendet. Dieser weitverbreitete Laser eignet sich besonders, da der Nd:YVO4 Kristall kostengünstig, einfach zu beschaffen und zudem, durch Verwendung der sogenannten Bounce-Geometrie, sehr leistungsstark ist. In Abbildung 1 ist der Aufbau des verwendeten Lasersystems dargestellt, welcher sich stark an der Veröffentlichung von Thomas und Damzen, 2011 orientiert.[1]

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Nd:YVO4-Lasers mit passiven Q-switch und
einem Cr4+:YAG- Sättigungsabsorber-Kristall und einem zusätzlichen KTP-Kristall als
Frequenzverdoppler nach [1] 

Der trapezförmige Nd:YVO4-Kristall besitzt die Maße von 15 x 5 x 2 mm. Um eine parasitäre interne Reflexion im Kristall zu vermeiden, sind die 5 x 2 mm Flächen um 4° nach innen geneigt und besitzen zudem eine Antireflexionsbeschichtung (AR-Beschichtung) für eine Wellenlänge von 1064 nm. Der zylindrische Laserdiodenbarren emittiert eine Wellenlänge von 808 nm mit einer maximalen optischen Leistung P = 60 W bei einem Wirkungsgrad von 50 %. Mithilfe einer vertikalen zylindrischen Linse (VCLD) wird die Pumpstrahlung mit einer Brennweite von 10 mm auf den Kristall gerichtet. Wenn der Nd:YVO4-Kristall eine Strahlung bei λ= 1064 nm emittiert, wird dabei Restenergie in Form von Wärme freigesetzt. Da sich pro 3 K Temperaturveränderung in der Laserdiode die emittierte Wellenlänge um 1 nm von der optimalen Wellenlänge von 808 nm für den Nd:YVO4-Kristall verschiebt, muss die Laserdiode und der Kristall konstant auf einer Temperatur gehalten werden. Diese Wellenlängenverschiebung führt zu Leistungs-verlusten und sollte daher vermieden werden. Hierfür werden Kupferplatten an den Seiten des Kristalls angebracht. Mithilfe eines Peltier-Elements und einem CPU-Kühler werden die Kupferplatten auf einer konstanten Temperatur gehalten, wodurch aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer der Kristall während des Betriebs ebenfalls auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann.

Um hohe Spitzenleistungen des Lasers zu erreichen, wird ein Q-switch eingesetzt. Dieser sättigbare Absorber ist ein Cr4+:YAG-Kristall mit den Maßen 5 x 5 x 3 mm und wird in der Nähe des Spiegels 1 platziert.

Trifft die vom Nd:YVO4-Kristall emittierte Strahlung von λ= 1064 nm auf eine Kupferplatine, so wird die Strahlung kaum vom Kupfer absorbiert, da Kupfer im Infrarotbereich (λ= 780 nm bis 1 mm) die Strahlung zu 95 % reflektiert. Daher muss im Resonator zusätzlich ein Frequenzverdoppler eingebaut werden, welcher die Wellenlänge von λ= 1064 nm auf λ= 532 nm halbiert. Bei dieser Wellenlänge ist der Absorbtionsgrad von Kupfer um das 10fache höher, wodurch die hohe Energiezufuhr des Lasers das Kupfer stark erhitzt bis es schließlich verdampft.
Der hierfür verwendete Frequenzverdoppler ist ein Kaliumtitanylphosphat (KTP)-Kristall, welcher eine Größe von 3 x 3 x 5mm besitzt. Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird der vom Nd:YVO4 emittierte Strahl durch einen Reflexionsspiegel abgelenkt und anschließend durch den KTP-Kristall geleitet. Durch einen Auskopplungsspiegel (engl. OC=Output coupler) mit einer hohen Reflexion (HR) bei 1064 nm und einer Antireflexion (AR) von 532 nm wird der Laserstrahl in der gewünschten Wellenlänge aus dem Resonator geleitet.

Da die Pumpstrahlung nur einen Teilbereich des Nd:YVO4-Kristalls anregt, bildet sich aufgrund des Temperaturgradienten eine thermische Linse aus. Je nachdem wie groß der Temperaturgradient ist, entsteht ein unterschiedlicher Brechungsindex, wodurch die emittierte Strahlung mit einem anderen Winkel aus dem Kristall austritt. Anhand dieses Winkels werden dann die Längen L1 und L2 (siehe Abbildung 1) eingestellt um einen leistungsstarken Laserstrahl zu erzielen.

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Abbildung 2: Darstellung des a) realen und b) simulierten Verlauf des Laserstrahls

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Strahlenverlaufs der Bounce-Geometrie (links) und
der, für die Simulation angepasste, gespiegelte Strahlenverlauf (rechts) am Kristall und die jeweilige
Verteilung der thermischen Spannung des Kristalls im Strahlengang

Abbildung 4 Temperaturverlauf des seitlich gepumpten Kristalls

Abbildung 5: Temperaturverlauf des simulierten Kristalls

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Abbildung 6: Simulierte mittlere Ausgangsleistung des Laserstrahls in Abhängigkeit
zur absorbierten Pumpleistung, CW-Betrieb mit R=0,9

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Desweiteren wurde eine Simulation mit Q-Switch durchgeführt, bei der die mittlere Ausgangleistung in Abhängigkeit zur absorbierten Pumpleistung berechnet wurde (siehe Abbildung 7). Hierbei kann ebenfalls ein linearer Verlauf wie im CW-Betrieb beobachtet werden. Bei dieser Simulation wurde bei einer maximalen Pumpleistung von 51 W eine Ausgangsleistung von 17 W berechnet. Verglichen mit Thomas und Damzen, 2011, welche eine Ausgangleistung von 11 W bei R=0,7 gemessen haben, ist der berechnete Wert deutlich höher. Dies liegt an der fehlenden simulierten Bounce-Geometrie. Daher sollte, wie auch im CW-Betrieb, mit einer niedrigeren Ausgangleistung des Laserstrahls in der Realität gerechnet werden. 

Abbildung 7: Simulierte mittlere Ausgangsleistung des Laserstrahls in Abhängigkeit
zur absorbierten Pumpleistung, mit Q-Switch mit R=0,9

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Als weitere Berechnung wurde die mittlere Ausgangsleistung des Laserstrahls in Abhängigkeit zum Reflexionsgrad des Ausgangsspiegels betrachtet. Die in Abbildung 8 dargestellte Abhängigkeit zeigt eine Leistungsminderung mit steigendem Reflexionsgrad. Auch hier kann aufgrund der Ergebnisse von Thomas und Damzen, 2011 von einer weniger starken Abnahme der Leistung im experimentellen Versuch gerechnet werden.

Abbildung 8: Graphische Darstellung der Ausgangsleistung des Laserstrahls in Abhängigkeit zum
Reflexionsgrad des Ausgangsspiegels bei einer Pumpleistung von 51 W

Abbildung 9 zeigt eine Peakleistung von 16 kW bei einer Pulslänge von 6,39 ns. Berechnet man den ungefähren Faktor für die Bounce-Geometrie dazu, so wurden auch bei dieser Simulation eine deutlich höhere Spitzenleistung von Ps ≈ 24 kW erreicht als Thomas und Damzen, 2011. Diese haben eine Spitzenleistung von 1,9kW experimentell ermittelt.

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Abbildung 9: Simulierte Spitzenleistung des Impulslaserstrahls in Abhängigkeit zur Impulsdauer
bei einem Reflexionsgrad des Auskopplungsspiegels von 0,9 und einer Pumpleistung von 51 W

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Fazit

Die Ergebnisse aus der durchgeführten Simulation

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zeigten im

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Allgemeinen deutlich höhere Ausgangsleistungen als

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gemäß [1] unter realen Bedingungen erwartet werden könnte. Wir haben in einem Versuch gezeigt, dass dieser Aufbau prinzipiell funktioniert und auch geeignet ist, Laserpulse mit für die Ablation von Kupfer genügend hohen Peakleistungen zu erzeugen, auch wenn die Werte aus der Simulation – wie erwartet – nicht erreicht werden konnten.

Allerdings wurden auch praktische Schwächen des Aufbaus festgestellt:

• Ausschlaggebend für die Ausgangsleistung des Lasers ist eine hohe Leistung der Pumpdiode. Geplant waren der Einsatz von 60W-Dioden. Die Beschaffung dieser Dioden stellte sich jedoch als schwierig heraus. So konnten getestete Exemplare die Spezifikationen nicht erfüllen. Um den Projektfortschritt nicht unnötig zu verzögern, wurde für weitere Tests auf eine Laserdiode eines Premium-Anbieters zurückgegriffen. Die Diode kann die Anforderungen erfüllen, sprengt aber mit ihrem Preis die angestrebten Materialkosten.
• Der Einsatz von schwächeren Pumpdioden verursacht eine niedrigere Ausgangsleistung und gefährdete das Erreichen des Projektziels, nämlich die Möglichkeit der Ablation von Kupfer.
• Für die Justierung des Laseraufbaus ist ein Hilfslaser nötig, wir haben einen Nd:Yag-Laser genutzt. Die Kosten für diesen Laser treiben aber die Kosten für einen Nachbau nach oben und die Justage des Aufbaus ist kompliziert. Die Attraktivität des Projekts sinkt dadurch.

Wir haben aus diesen Gründen nach einem alternativen Setup gesucht, das einerseits die mögliche Peakleistung erhöht und andererseits die Justage des Systems erleichtert. Der resultierende Aufbau wird hier beschrieben.

Konstruktion

Im laufenden Arbeitspaket wird nun die Konstruktion der Laserquelle geplant, insbesondere die Wärmesenken zum Abführen der überschüssigen Wärme.

[Work in progress]

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Literatur:

[1]    G. M. Thomas and M. J. Damzen, “Passively Q-switched Nd: YVO 4 laser with greater than 11W average power,” Opt. Express, vol. 19, no. 5, pp. 4577–4582, 2011.
[2]    “Betrieb von Lasereinrichtungen,” Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik, Berufsgenossenschaftliche Informationen für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbe 832, 2003.

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