Laser setup
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 of the laser source
Simulation was done using the program LASCAD. A finite element analysis (FEA) for the thermal effects of the Nd:YVO4 crystal is possible with it, allowing to determine the exact geometry of the resonator. Especially the distances of mirror 1 and the uncoupling mirror to the crystal (see diagram 1) are important for the construction later on. Additionally the simulation program can calculate the average power in CW mode (continuous wave mode), as well as the peak power of the laser source when using the Q switch. The simulation was done without frequency doubler, as it is less important for the laser geometry.
In order to do the simulation with the used program, we had to simplify the laser setup. Firstly, the simulation was done with a rectangular crystal instead of a trapedzoid one. Secondly, the program assumed a 100% anti reflection in the crystal, being about 99,9% in reality. Additionally, it was not possible to simulate a bounce geometry in the crystal. Therefore the laser beam was set to the lower end of the crystal, as the temperature gradient in this area is comparable best with the real bounce geometry (see diagram 2). The thermal lens is quite large with the bounce geometry and extends through the whole beam path. As the thermal strain is uniform in every point in the beam path, the thermal lens is compensated well and a high radiated power can be achived. With a side pumped laser the thermal lens is quite strong and the thermal strain varies along the beam path, leading to a high power reduction of the generated laser beam. The efficiency then lies at about 10% only, whereas bounce geometry reaches an efficiency of 50%. Because of this we needed to do a better adaption for the simulation in order simulate the bounce geometry more precise. As the laser reaches the crystal with an inclined angle using the bounce geometry and is reflected with the same angle there, the laser geometry at that spot can be considered as done in diagram 3. Is the geometry mirrored at the crystal surface then, you get a laser running in a straight line with uniform distribution of thermal strain in the crystal. This can be simulated in the used program by pumping the crystal from the side at the lower end (see diagram 2). In this pumping area a smaller thermal lens is created, leading to thermal strains similar to the bounce geometry. Diagram 4 and 5 show the temperature distribution in a side pumped crystal and one based on the bounce geometry, respectively.
Diagram 2: Real (a) and simulated (b) path of the laser beam
Diagram 3: Scematic view of the beam path with bounce geometry (left)
and beam path adapted for simulation (right)
Diagram 4: Temperature distribution for side pumped crystal
Diagram 5: Temperature distribution for simulated crystal
Ergebnisse der Simulation
Translation into English coming soon!
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
Translation into English coming soon!
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.
