Kontaktierung und Charakterisierung von Kristallen für Scheibenlaser

1 Einleitung (S. 21)

Die Festkörperlaser finden zunehmend Einsatz in der Industrie. Dank ihrer Kompaktheit und Zuverlässigkeit gewinnen sie immer größere Anteile des Weltlasermarkts. Auch in der Materialbearbeitung, die einst von CO2-Laser bedient wurde, gewinnen sie zunehmend an Bedeutung. Hier kommt dem Festkörper die Emissionswellenlänge zugute, die bei den üblichen Festkörperlasern etwa zehnmal unter der eines CO2-Lasers liegt.

Das hat insbesondere zwei Auswirkungen – der Laserstrahl kann durch eine Glasfaser transportiert werden und die durch die Beugungsmaßzahl ausgedrückte Strahlqualität des Lasers darf zehnmal schlechter sein, ohne dass die Fokussierbarkeit des besten CO2-Lasers unterschritten wird. Die prinzipiell mögliche bessere Strahlqualität würde dem Anwender erlauben [1], eine günstigere Kombination aus Arbeitsabstand, Fokusgröße und Größe der eingesetzten Optik auszunutzen.

Entweder kann der Fokus verkleinert werden, wobei die anderen beiden Parameter konstant bleiben, der Arbeitsabstand unter Beibehaltung der Fokus- und Optikgröße erhöht werden, oder es können kleinere und billigere Optiken zur Fokussierung des Laserstrahls eingesetzt werden. Es ist auch denkbar, dass alle drei Parameter geändert werden, so dass die Bearbeitungsanlage schneller oder effektiver wird. Die Fokussierbarkeit ist maximal, wenn ein Gaußstrahl eingesetzt wird. Dieser stellt unter allen möglichen Intensitätsverteilungen das Optimum dar, für das das Produkt aus Fokusdurchmesser und Fernfelddivergenz minimal ist.

Für die Anwendung bedeutet das, dass auch bei einem kleinen Fokusdurchmesser die Fokussieroptik relativ klein bleibt bzw. ein großer Arbeitsabstand gewählt werden kann. Eine weitere Verbesserung der Fokussierbarkeit könnte durch weitere Verkürzung der Wellenlänge erreicht werden. Was bedeutet Strahlqualität für den Laserentwickler? Physikalisch gesehen setzt sie eine obere Grenze für die Indizi m, n der Gauß-Moden TEMmn, die im Laserresonator zugelassen sind.

Im Grenzfall oszilliert nur ein Mode – der Gauß-Mode TEM00. Man spricht in diesem Fall vom Grundmodebetrieb. In der Praxis wird leider üblicherweise eine Verschlechterung der Lasereffizienz bei einer Verbesserung der Strahlqualität verzeichnet.

Abgesehen von dem kleineren Überlapp zwischen Verstärkungsbereich und Resonatormode ist die mit der Verbesserung der Strahlqualität steigende Empfindlichkeit des Lasers auf Phasenstörungen der wichtigste Grund dieser Verschlechterung. Unter der Annahme, dass alle Resonatorelemente ohne Last eine ideal sphärische Form besitzen, werden die Phasenstörungen im Betrieb durch die Änderung der Form für reflektierende Elemente und zusätzlich durch die Änderung des Brechungsindex für transmittierenden Elemente verursacht.

Die Änderungen werden durch Erwärmung hervorgerufen. Da das laseraktive Medium üblicherweise die größte Erwärmung aufweist, entstehen die größten Phasenstörungen im laseraktiven Medium. Die Wärme im laseraktiven Medium entsteht u.a. wegen des Quantendefekts. Das Pumpphoton hat mehr Energie als das Laserphoton. Die Energiedifferenz verbleibt im Lasermaterial in Form von Wärme.

Je mehr Laserphotonen produziert werden, desto mehr Wärme entsteht. Die thermischen Probleme werden mit steigender Ausgangsleistung gravierender. Die Situation wird durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der meisten Lasermaterialien erschwert, die typischerweise 50-fach geringer als die von Kupfer und 100 bis 1000 mal niedriger als die von Diamant ist. Um die zwei Anforderungen, die seitens der Anwendung gestellt werden – höhere Ausgangsleistung und bessere Strahlqualität oder gar einen beugungsbegrenzten Strahl – gerecht zu werden, wurden und werden unterschiedliche Laserkonzepte verfolgt.

1.1 Stand der Technik

Das Stablaserdesign hat zuerst den Weg in die Industrie gefunden. Wie der Name sagt, hat das Lasermaterial die Form eines Stabs. Der Stab wird entweder durch die zylindrische Oberfläche oder durch die Stirnflächen mit Lampen oder Diodenlasern gepumpt. Die erzeugte Wärme wird durch die zylindrische Oberfläche abgeführt.

Der Wärmefluss und der Temperaturgradient sind damit radial. Die radiale Temperaturverteilung erzeugt im Laserstab eine starke thermische Linse, die wegen der nicht vollständig homogenen Pumpstrahlungsverteilung und Kühlung nicht perfekt sphärisch ist. Die asphärischen Anteile verursachen Verluste beim Betrieb mit guter Strahlqualität. Außerdem begrenzen die Brechkraft der thermischen Linse und die mechanischen Spannungen im Stab, die Doppelbrechung und Depolarisationsverluste verursachen, die extrahierbare Laserleistung.