Modengekoppelte Scheibenoszillatoren für Materialbearbeitung

Abstract

Mikromaterialbearbeitung ohne merkliche Wärmeeinflüsse, bei denen das Material bereits ablatiert wird, bevor sich die Wärme im Material verteilt, erfordert kurze Laserimpulse im Piko- und Femtosekundenbereich mit über 10 µJ Energie. Für Impulse dieser Energie waren bisher aufwändige und damit meist kostspielige Systeme aus Oszillator und Verstärker notwendig. Mit modengekoppelten Scheibenlasern lassen sich diese Parameter nun direkt erreichen.Die Scheibenlasertechnologie, basierend auf einem flächig gekühlten, sehr dünnen Verstärkungsmedium, weist sehr geringe pumpleistungsabhängige Verformungen desselben auf und ist gut über die Fläche leistungsskalierbar. Zudem sind ungewollte nichtlineare Effekte, speziell im Impulsbetrieb, bei Scheibenlasern verschwindend, was in Kombination mit einem sättigbaren Halbleiterabsorberspiegel (engl. Semiconductor Saturable Absorber Mirror, SESAM) diese hohen Impulsenergien direkt aus modengekoppelten Oszillatoren erlaubt.Mit zwei Konzepten, beide basierend auf Yb:YAG-Scheibenmaterialien, wurden vor Beginn der vorliegenden Arbeit erstmals die für viele Materialbearbeitungsanwendungen nötigen Impulsenergien von über 10 µJ erreicht. Ein Konzept verringerte die limitierenden Nichtlinearitäten der Luft, indem der Resonator mit Helium geflutet wurde, während das andere Konzept die resonatorinterne Leistung verringerte. Dazu wurde die Verstärkung mit mehreren Scheibenübergängen in einer aktiven Mehrfachabbildung (englisch Active Mulipass Cell, AMC) pro Resonatorumlauf gesteigert und die Auskoppelrate auf über 60% erhöht.Mit einer AMC waren die bisher höchsten Impulsenergien von bis zu 25,9 µJ möglich. Die höchsten erreichbaren modengekoppelten Ausgangsleistungen, mit Yb:Lu2O3 als Scheibenmaterial, waren bisher 141 W.Im Rahmen dieser Arbeit wird ein modengekoppelter Oszillator, mit Ausgangsleistungen von 145,2 W und Impulsenergien von 41,4 µJ bei einer Impulslänge von 1120 fs gezeigt. Dieser basiert auf dem AMC-Konzept und operiert in Luft.Das AMC-Konzept scheint ideal zum gleichzeitigen Erreichen hoher Ausgangsleistungen und Impulsenergien geeignet. Dieser Oszillator weist eine Repetitionsrate von 3,51 MHz und eine Resonatorlänge von 42,7 m auf. Zum Starten und Stabilisieren der Modenkopplung diente ein SESAM.Zudem werden erste Skalierungsversuche des AMC-Konzepts auf niedrigere Repetitionsraten von 2,57 MHz und Impulsenergien von 31,7 µJ präsentiert.Mit diesen Oszillatoren ergeben sich interessante Anwendungen im der Bereich nichtlineare Frequenzkonversion und vor allem im Bereich der Materialbearbeitung.Mit Pikosekundenimpulsen ist es möglich, Materialien wie Metalle und Halbleiter mit minimaler Schmelzphase abzutragen. In diesem Zusammenhang werden Ablationsergebnisse mit kaum sichtbarem Wärmeeintrag bei verschiedenen Verfahrgeschwindigkeiten, Repetitionsraten und auf verschiedenen Materialien vorgestellt.Effiziente Frequenzkonversion der hochenergetischen Oszillatorimpulse ist wegen der bandbreitelimitierten ultrakurzen Impulse mit sehr hohen Spitzenleistungen möglich. Es werden Frequenzverdopplung zu 515 nm Wellenlänge mit 70% Effizienz und Frequenzverdreifachung zu 343 nm Wellenlänge mit 34% Effizienz gezeigt.Des Weiteren wird eine lineare Verstärkungseinheit, basieren auf einer AMC, präsentiert. Diese erlaubt 50 W Eingangsleistung auf 193 W zu verstärken.Es werden alle grundlegenden physikalischen Zusammenhänge zum verwendeten Modenkopplungsmechanismus erklärt und verschiedene Limitierungen zu hohen und niedrigen Leistungen hin besprochen. Es wird auf die physikalischen Eigenschaften von Laserscheiben eingegangen. Diese werden einem Konzeptvergleich im Hinblick auf die Erzeugung ultrakurzer Impulse mit hoher Energie unterzogen. Zudem werden die Vorzüge und Limitierungen des AMC-Konzepts eingehend besprochen. Die Eigenschaften von SESAMs, ihre Charakterisierung und konzeptionelle Verbesserungen werden gezeigt.Eine umfassende Diskussion der Limitierungen weiterer Leistungs- und Impulsenergieskalierungen zeigt, dass noch Skalierungen der Ausgangsleistungen und Impulsenergien möglich sind, was viele interessante Einsatzmöglichkeiten erwarten lässt.