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Setup of the laser

The laser source of the LASER4DIY project is a diode pumped solid state laser with a Neodymium-doped yttrium orthovanadate (Nd:YVO4) crystal. This widely-used laser is especially suitable for this usecase, since the Nd:YVO4 cristal is cheap, easy to obtain and also, based on the use of the so called bounce geometry, very efficient. In figure 1 you can see the setup of the laser system, which is very similar to the puplication by Thomas and Damzen, 2011 [1]

 


figure 1: Schematic representation of the Nd:YVO4 laser with a passive Q-switch
and a Cr4+:YAG saturable absorber crystal and a additional KTP crystal for frequency doubling [1]

 

The measurements of the trapezoid Nd:YVO4 crystal are 15 x 5 x 2mm. To avoid a parasitic internal reflection in the crystal, the end planes are tilted inwardes by 4 degrees and also are anti reflection coated for the wavelength of 1064nm. The cylindric laser diode array emits a wavelength of 808nm with maximum optical power of P = 60W with a efficiency rate of 50%. With a vertical cylindric lens (VCLD) the pump light is focused with a focus length of 10mm into the crystal. The Nd:YVO4 crystal emits light at λ= 1064nm and converts some of the energy into heat. Because of this and the fact, that the laser diode shifts its wavelength about 1nm per 3K temperature change away from the for the Nd:YVO4 optimal pump wavelength of 808nm, the laserdiode and the crystal need cooling to keep them at a steady temperature. This is done by copper plates which are mounted on both side of the crystal, which themselves are cooled by a peltier element and CPU coolers.

To get to high peak powers of the laser a Q-switch is put into the laser cavity. This saturable absorber is a Cr4+:YAG crystal with the dimensions 5 x 5 x 3 mm and placed near mirror 1.

Would the radiation with λ = 1064 nm emmited by the Nd:YVO4 crystal directy hit the copper surface, not much would haben since the copper is a very good reflector (up to 95%9 in the infrared (λ= 780 nm bis 1 mm). This is the reason because a frequency doubler must build into the resonator which halves the wavelength from λ = 1064 nm to λ = 532 nm. At this wavelength the absorbtion rate of copper is 10 times bigger, so the laser can heat up the copper and evaporate it. The frequency doubler used here is a Potassium titanyl phosphate (KTP) crystal, which has the dimensions 3 x 3 x 5 mm. As you can see in figure 1 the beam emitted by the laser crystal is reflected by a special mirror into the KTP crystal. This mirror is a output coupler which has high reflectivity at 1064nm (infrared) and a anti reflection coating at 532 nm (green), so its possible for the green laser light to leave the resonator here.

Because the pump light is only exciting a part of the Nd:YVO crystal and therefore a temparture gradient is formed, a thermal lense occurs. Dependend on how big the temperature gradient is, a different refractory index occurs, which let the emitted radation leave the crystal under a different angle. To tune the laser beam to maximum power than the lengths L1 and L2 (see figure 1) has to be adjusted to this angle.

Simulation der Laserquelle

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Die Simulation wurde mit dem Programm LASCAD durchgeführt. Mithilfe dieses Programm ist eine Finite Elemente Analyse (FEA) über die thermischen Effekte des Nd:YVO4-Kristalls möglich, wodurch die genaue Geometrie des Resonators ermittelt werden kann. Dabei sind vor allem die Abstände des Spiegels 1 und des Auskopplungsspiegels vom Kristall (siehe Abbildung 1) für die spätere Konstruktion von Bedeutung. Zudem kann mithilfe des Simulations­programmes die mittlere Leistung im CW (continuous wave)-Betrieb, als auch die Spitzen­leistung mithilfe des Q-switch der ausgewählten Laserquelle berechnet werden. Die Simulation wurde ohne eine Frequenzverdoppelung durchgeführt, da diese für die Geometrie des Lasers von untergeordneter Bedeutung ist.

Um die Simulation der Laserquelle mit dem verwendeten Programm durchführen zu können, musste der Versuchsaufbau vereinfacht modelliert werden. Es wurde zum einen die Simulation mit einem rechteckigen Kristall anstelle eines Trapezes durchgeführt und zum anderen nahm das Programm eine Anti-Reflexion im Kristall von 100 % an, welche in der Realität bei etwa 99,9 % liegt. Außerdem war es nicht möglich, die Bounce-Geometrie im Kristall zu simulieren. Hierfür wurde, wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, der Laserstrahl möglichst nah auf die Unterkante des Kristalls gesetzt, da in diesem Bereich der Temperaturgradient im Kristall am besten mit der realen Bounce-Geometrie vergleichbar ist. Bei der Bounce-Geometrie ist die thermische Linse großflächig und verläuft einmal durch den gesamten Strahlengang. Dabei ist die thermische Spannung an jedem Punkt im Strahlengang gleich, wodurch die thermische Linse gut kompensiert wird und somit eine hohe Strahlenleistung erzielt werden kann. Bei einem rein seitlich gepumpten Laser ist die thermische Linse sehr stark ausgeprägt und die thermische Spannung im Kristall variiert je nach Position, was zu einem hohen Leistungsverlust des generierten Laserstrahls führt. Der Wirkungsgrad liegt dabei bei nur 10 %, wohingegen die Bounce-Geometrie einen Wirkungsgrad von 50 % erzielt. Somit musste für die Simulation eine bessere Anpassung erfolgen, um näherungsweise die Bounce-Geometrie simulieren zu können. Da bei der Bounce-Geometrie der Laser mit einem schrägen Winkel im Kristall auftrifft und dort mit dem gleichen Winkel wieder reflektiert wird, kann die Geometrie des Lasers an dieser Stelle, wie in Abbildung 3 gezeigt, betrachtet werden. Wird diese Geometrie nun an der Kristallfläche gespiegelt entsteht ein geradlinig verlaufender Laser, mit gleichverteilter thermischer Spannung im Kristall. Diese Betrachtung kann in der Simulation realisiert werden, in dem der Kristall seitlich am untersten Rand gepumpt wird (siehe Abbildung 2). In diesem Pumpbereich entsteht eine geringere thermische Linse, wodurch hier die thermischen Spannungen im Laser der Bounce-Geometrie ähneln. Die Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen die jeweilige Temperaturverteilung im Kristall eines seitlich gepumpten Kristalls und eines, der Bounce-Geometrie nachempfundenen, gepumpten Kristalls.


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

Ergebnisse der Simulation

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Die nachfolgenden Ergebnisse der Simulation wurden mit den Abständen L1 = L2 = 25 mm zwischen den Reflexionsspiegeln und des Kristalls berechnet. Da nur eine Näherung der Bounce-Geometrie simuliert werden konnte, muss bei den berechneten Ausgangleistungen mit einer Abweichung von bis zu 50% gerechnet werden.

In Abbildung 6 ist die mittlere Ausgangsleistung des Laserstrahls in Abhängigkeit zur absorbierten Pumpleistung im CW-Betrieb dargestellt. Der Reflexionsgrad des Auskopplungs­spiegels beträgt dabei R=0,9. Die Leistung des Laserstrahls nimmt etwa linear zur absorbierten Pumpleistung bis 35 W zu und geht anschließend in einen exponentiellen Verlauf über, bis bei einer Pumpleistung von 51 W die maximale Ausgangleistung von 24 W erreicht wurde. Somit wird ein Wirkungsgrad von ca. 50 % erzielt. Thomas und Damzen, 2011 erreichte mit R=0,7 eine Ausgangsleistung von 13,8 W und erreicht somit einen Wirkungsgrad von lediglich 30 %.


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

 

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

 

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.

 


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

 

Die Ergebnisse aus der durchgeführten Simulation zeigen im allgemeinen deutlich höhere Ausgangsleistungen als nach Thomas und Damzen, 2011 unter realen Bedingungen erwartet werden kann. Dennoch dienen diese Ergebnisse als guten Anhaltspunkt für den Aufbau des Resonators, um eine erste Ausrichtung der Spiegel vornehmen zu können. Außerdem konnte durch die Simulation gezeigt werden, dass der verwendete Aufbau des Lasers mit einem Nd:YVO4-Kristalls genug Leistung aufbringt, um Kupferplatinen zu gravieren.

Konstruktion

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

[Work in progress]

 

 

 


Literature:

[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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