Multipass-Scheibenlaserverstärker für ultrakurze Laserimpulse mit flexiblen Parametern zur Materialbearbeitung

Abstract

Laserstrahlen sind in den letzten Jahren ein beliebtes Werkzeug zur berührungs- und verschleißfreien Materialbearbeitung geworden. Besonders auf Bearbeitungsskalen im Mikometerbreich werden Laserimpulse mit Dauern im Piko- und Femtosekundenbereich benötigt, um das Material abzutragen, bevor thermische Effekte die angestrebte Struktur zerstören. Viele kommerziell verfügbare Strahlquellen bieten Impulsenergien im 100 mJ-Bereich im 100 W Leistungsbereich. Allerdings benötigen einige Anwendungen wie beispielsweise das Trennen von Glas oder die Parallelisierung von Prozessen Impulsenergien im mJ-Bereich bei kW-Ausgangsleistungen. Aufgrund zu hoher nichtlinearer Effekte und zu niedriger Zerstörschwellen bei zu hohen Intensitäten scheiden Faser- und Slablaser als Konzept für eine geeignete Laserstrahlquelle aus. Lediglich mit Scheibenlasern wurden solche Parameter bisher gezeigt: Durch den großen Strahlradius bleiben die Intensitäten klein. Regenerative Verstärker sind auf einen optischen Schalter angewiesen, um den Strahl aus der Verstärkerkavität zu separieren. Durch dessen niedrige Zerstörschwelle sind Skalierungsmethoden wie die zeitliche Verlängerung der Laserimpulse durch zeitliche Frequenzmodulation unverzichtbar. Multipassverstärker falten den Strahl geometrisch über die aktive Laserscheibe und können die erzielten Leistungs- und Impulsenergieparameter ohne Skalierungsmethoden erreichen. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Multipass-Scheibenlaserverstärker aufgebaut, welcher ein vorjustiertes monolithisches Spiegelarray aus Quarzglas mit überragender thermischer sowie mechanischer Stabilität nutzt, um den Strahl ohne Hilfsspiegel geometrisch auf die Laserscheibe zu falten. Dabei werden unter Ausnutzung verschiedener Justagekonzepte mittlere Leistung bis zu 1980 W und Impulsenergien bis zu 11,7 mJ erreicht. Thermsich induzierte Veränderungen der Laserscheibe während des Verstärkerbetriebs werden durch interferometrische Messungen erfasst. Außerdem wird die in der Laserscheibe auftretende thermisch und mechanisch induzierte Polarisationsänderung räumlich aufgelöst vermessen. Basierend auf den daraus gewonnen Erkenntnissen werden verschiedene Konzepte vorgestellt, die Strahlqualität im Verstärkungsprozess zu erhalten. Bei einer Ausgangsleistung von 1,6 kW und einer Impulsenergie von 4 mJ kann eine Beugungsmaßzahl von M2 < 1,56 erreicht werden. Mit der Laserstrahlquelle werden abschließend Glasbearbeitungsversuche durchgeführt. Mittels eines Besselstrahls kann eine 3,8 mm dicke Glasprobe bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 1200 mm/s mit einer Überfahrt getrennt werden. Weiterhin kann eine 30 mm dicke Glasprobe mit einer Überfahrt über die gesamte Dicke dauerhaft modifiziert werden.