Bei der DPSS-Laserquelle wurde anfangs auf ein normales Resonator-Design mit optischem Resonator, passivem Q-Switch auf Cr:YAG-Basis, Nd:YVO4-Gain-Modul und einer Erzeugung der zweiten Harmonischen innerhalb des Resonators gesetzt. Bei der praktischen Konzeption stellte sich allerdings heraus, dass die Justage eines derartigen Resonators für ein Open-Source-Konzept zu kompliziert und aufwändig ist.
Es wurde daher schon früh im Projekt beschlossen, den Laser auf einer MOPA-Architektur (Master Oscillator Power Amplifier) aufzubauen, um möglichst kurze Pulse bei maximaler Puls-Spitzenleistung und geringer Komplexität sowie Robustheit zu gewährleisten.
Für dieses Konzept wurde ein Microchip-Laser entwickelt, der über das bereits gebaute Nd:YVO4-Gain-Modul verstärkt werden soll. Im Folgenden wird der Aufbau dieses MOPA-Systems beschrieben:
Der divergente Strahl aus dem Microchip-Laser wird über den Spiegel M1 um 90° umgelenkt und 10 cm nach dem Mikrochip-Kristall durch die Linse L1 (f=+300mm) fokussiert. Nach der Linse L1 ist eine λ/2-Verzögerungsplatte QWP1 eingebaut, um die Polarisation des Microchip-Lasers optimal auf den Gain-Kristall abzustimmen. Nach dem zweiten Umlenkspiegel M2, wird der Seed-Strahl in der bekannten Bounce-Geometrie durch den trapezförmigen Nd:YVO4-Kristall gelenkt und an der zur Pumpdiode gerichteten Kristall-Innenseite über Totalreflektion abgelenkt. Der Laserdioden-Barren wird mit einer Fast-Axis-Kollimator-Linse VLC1 in der vertikalen Ebene kollimiert. Eine zweite Zylinderlinse VLC2 (f=+50mm) fokussiert den Pumpstrahl in der horizontalen Ebene, um auf der Kristalloberfläche eine Strahlgröße von ca. 0,8mm x 7mm zu erhalten. Um die Polarisation der Pumpdiode um 90° zu drehen, ist in den Strahlengang der Pumpdiode noch eine λ/2-Verzögerungsplatte QWP2 integriert. Dies ermöglicht eine optimale Absorption im Gain-Kristall.
Durch die Linse L1 und die thermische Linse des Nd:YVO4 Kristalls, existiert 30mm nach dem Gain-Kristall ein Fokus, in welchem der KTP-Kristall platziert wurde. Nach der Frequenzverdopplung im KTP-Kristall (Second Harmonic Generation, SHG) wird die nicht konvertierte 1064nm-Pumpstrahlung durch den Strahlteiler BS in eine Strahlfalle geleitet. Der verstärkte Laserstrahl wird nun mit einer Linse L2 (f=+25mm) auf die zu bearbeitende Oberfläche fokussiert.
Schematischer Aufbau der Laserquelle (links) und Test-Setup (rechts)
Der Microchip Laser besteht aus einer fasergekoppelten Pumpdiode mit 8W bei 808nm, einem diffusion-bonded Kristall und der Wärmesenke.
Die Pumpdiode koppelt in eine 200µm-Faser (NA=0,22) ein, welche für ein homogenes Pump-Strahlprofil durch einen Wiggler gelegt wurde. Nach dem FC/APC Faser-Auskoppler wird der Pumpstrahl nach 19mm mit einer Linse (f=+25mm) kollimiert und mit einer zweiten Linse (f=+25mm) nach 40mm in den Microchip-Kristall fokussiert. Zwischen der Eintrittsfläche des Kristalls und der Linse besteht ein Abstand von 30mm, so dass ein Fokus der Pumpstrahlung in der Mitte des Microchip-Kristalls erreicht wird. Zur besseren Wärmekopplung wurde der Kristall in Indium-Folie (200µm stark) eingeschlagen. Pumpdiode und Kristall sind auf einem Kupferblock montiert, der über ein Peltierelement und anschließendem Wasser-Wärmetauscher auf konstanter Temperatur gehalten wird. Die Temperatur wird so eingestellt, dass eine maximale Emission des Microchip-Kristalls bei 1064 nm erfolgt, wodurch die Pumpdiode bei 808,5 nm emittiert.
Aufbau des Microchip-Lasers (rechts mit geöffnetem Kühlkörper)
Der Microchip-Kristall verfügt über einen passiven Q-Switch auf Cr:YAG-Basis, einen Nd:YAG-Kristall und gegebenenfalls einem undotierten YAG-Kristall welche miteinander verschmolzen werden. Zudem werden auf die Endflächen die Resonatorspiegel und Antireflexbeschichtungen für die Pump-Strahlung aufgedampft. Im Verlauf der Versuche wurden mehrere Kombinationen für die einzelnen Bereiche des diffusion-bonded Kristalls getestet.
Vereinzelt wurden durch die hohen Peak-Leistungen in den Microchip-Resonatoren die HR-Beschichtungen verletzt. Leider konnten Simulationen mit Lascad hier keine brauchbaren Ergebnisse liefern, weshalb iterativ Kristall-Parameter angepasst wurden.
Die besten und robustesten Eigenschaften wurden mit dem folgenden Kristall realisiert:
Der Kristall hat die Abmaße 3mm x 3mm x 9mm. Die Auskoppel-Fläche hat eine Reflektivität von 60% bei 1064nm und die Einkoppelfläche eine Reflektivität von >99.5% bei 1064nm und <0,5% bei 808nm. Die Reflektivität der Einkoppelfläche war bei 1064nm teilweise zu gering, was zu einer Einkopplung von 1064nm Pulsen geführt hat, welche die Pumpdiode zerstört haben. Aus diesem Grund wurde noch ein Shortpass-Filter eingebaut, welcher verhindert, dass Laserpulse die Pumpdiode erreichen, jedoch die 808nm nahezu verlustfrei transmittiert.
Der Microchip-Laser emittiert bei einer maximalen Pumpleistung von 8,5W bei 808nm Pulsen mit einer Dauer von FWHM=4ns und einer Pulsfrequenz von 4 KHz. Die mittlere Gesamtleistung betrug hier 1,19W bei einem Polarisationsverhältnis von 73:27 bei 1064nm. Dies entspricht einer Pulsenergie von 217µJ und bei einer Fokussierung auf 200µm einer Peak-Leistung von 346MW/cm2 .
Da für die Verstärkung in Nd:YVO4 nur eine Polarisationsrichtung benutzt werden kann, wurde bei der Single-Pass-Verstärkung nur eine mittlere Leistung von 0,87W bei 1064 nm benutzt. Diese wurde nach dem einfachen Durchgang auf 1,58W verstärkt, was bei gleichbleibender Pulsdauer und Frequenz einer Pulsenergie von 395µJ entspricht. Wieder auf 200µm fokussiert stehen hier Peak-Leistungen von 629MW/cm2 zur Verfügung. Durch die Frequenzverdopplung in dem KTP-Kristall haben wir bei einer Konversionseffizienz von 45% (der KTP Kristall war zu lang) 711mW mittlere Leistung bei 532nm generieren können. Dies entspricht bei gleichbleibender Pulsdauer und Frequenz einer Pulsenergie von 178µJ. Bei einer Fokusgröße von 200µm ergibt sich hier eine Peak-Leistung von 283 MW/cm2 auf der PCB-Oberfläche.
Erste Versuche mit diesem Aufbau zeigten, dass eine Standard-Kupferbeschichtung auf einem PCB (35µm Dicke) mit einer Verfahrgeschwindigkeit von ca. 4 mm/s komplett abgetragen werden kann.
Für praktikable Verfahrgeschwindigkeiten werden allerdings höhere mittlere Leistungen benötigt. Dies kann in dem aktuellen Aufbau durch einen Mehrfach-Durchgang durch den Gain-Kristall realisiert werden. Hierfür muss das Strahlprofil nach dem ersten Verstärker-Durchgang verbessert und wieder fokussiert werden.
Um den Microchip-Laser effizienter zu gestalten, wurde ein verbesserter Aufbau konzipiert. Statt einer fasergekoppelten Pumpdiode wird nun eine Freistrahl-Diode eingesetzt, da hier die Polarisation der 808nm-Pumpstrahlung für einen effizienten Output aus dem MOPA sorgt. Desweiteren werden dabei Linsen und optomechanische Komponenten gespart, der Aufbau kann deutlich kompakter gestaltet werden. Zusätzlich wurde dem Aufbau des Microchip-Lasers eine GRIN-Linse (GRadient-INdex) hinzugefügt, welche die Pumpstrahlung der Laserdiode auf einen engen Bereich im Microchip-Kristall fokussiert und so die Effizienz erhöht.
Überarbeiteter, schematischer Aufbau des Microchip-Lasers
Mit den Erfahrungen aus der vorherigen Kühlanordnung und um einen kompakten Aufbau zu erreichen, wurde ein Kühlkörper entworfen, welcher sowohl die Laserdiode als auch die GRIN-Linse und den Microchip-Kristall hält und kühlt:
Aufbau mit maßgeschneidertem Kühlkörper
Der Microchip-Laser in Betrieb (Kühlkörper auf einer Seite geöffnet)
Wir erhoffen wir uns damit auch ohne nachgeschaltete MOPA-Einheit Peakleistungen, die für die Ablation von Kupfer ausreichend sind. Erste Tests haben ergeben, dass mit diesem Aufbau eine mittlere Ausgangsleistung von ca 1W möglich ist, bei 13ns Pulsen mit 12,5kHz Pulsfrequenz. Das entspricht etwa 6kW Peakleitung.
Die Nutzung dieses Microchip-Lasers (ohne MOPA-Einheit) würde einen deutlich vereinfachten, kompakteren Aufbau eines Gravurgeräts ermöglichen. Die Verstärkung mittels MOPA wäre aber nach wie vor möglich und würde die Leistung und dann letztendlich die Gravurgeschwindigkeit erhöhen.
