Diodengepumpte Laserverstärker mit flachen Lasermedien

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007) [Doktorarbeit]

Seite(n): III, 133 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Pulslaser bestimmter Pulslängen- und Wiederholratenregime sind in ihrer Ausgangsleistung begrenzt. Höhere Ausgangsleistungen lassen sich durch den Einsatz von Verstärkern realisieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung diodengepumpter Laserverstärker mit flachen Lasermedien, die über ein sehr breites Anwendungsspektrum verfügen. Dabei wird die Pumpoptik, das aktive Medium, der Resonator und die Strahlformung eingehend betrachtet und jeweils Methoden zu deren Auslegung und teilweise auch deren Fertigung entwickelt. Experimentelle Ergebnisse werden dargestellt, bei dem ein gepulster Laserverstärker im Regime von 10 ps und 50 W Ausgangsleistung als quasi-cw Verstärker mit grundmodenaher Strahlqualität betrieben wird. Die Besonderheit der Geometrie des aktiven Mediums erfordert eine Pumpanordnung, welche die Strahlung mehrer Diodenlaserbarren in einer homogenen schmalen Linie auf eine Endfläche des Kristalls leitet. Diese Aufgabe erfordert die Verwendung und Auslegung von Wellenleitern, die zur Homogenisierung der Pumpstrahlung dienen. Die Forderung des Marktes, dass zukünftig auch Hochleistungssysteme mit passiv gekühlter Pumpeinheit betrieben werden können, ist Ausgangspunkt für ein neuartiges einfaches und effizientes Strahlformungskonzept, welches den Besonderheiten passiv gekühlter Diodenlaser Rechnung trägt. Die hier entwickelten Strahlformungskonzepte finden Anwendung in Gebieten, die über die beschriebene Pumpanwendung weit hinaus gehen. Sie werden auch in der direkten Materialbearbeitung wie der Oberflächentechnik und beim Kunststoffschweißen eingesetzt. Das thermische Management des flachen aktiven Mediums erfordert eine gleichförmige und effiziente Kühlung, mit dem Ziel geringer thermooptischer Störungen. Für eine Kühlung werden Wärmesenken nach drei unterschiedlichen Fertigungsverfahren entwickelt, die je nach Stückzahl bevorzugt eingesetzt werden. Innerhalb des aktiven Mediums, das sowohl aus Nd:YAG, als auch für Nd:YVO4 bestehen kann, liefern FEM-Analysen Aufschluss über Temperaturen, Spannungen und Dehnungen im Laserbetrieb. Aufgabe der entwickelten Aufbau- und Verbindungstechnik ist es, die stabilen Bedingungen in der Wärmesenke als feste Randbedingung auf den Kristall zu übertragen. Dabei müssen unterschiedliche Dehnungen kompensiert und konstante Kontakttemperaturen aufgeprägt werden. Die Eignung der gängigsten Fügeverfahren wird untersucht und ein neues Verfahren zum simultanen Weichlöten zweier Kontaktflächen vorgestellt. Neben der Entwicklung der Komponenten wird die Eigenschaft des Verstärkersystems untersucht. Dazu werden die Besonderheiten der Auslegung von Hybridresonatoren und der Strahlanpassung der Eingangsstrahlung dargestellt und erörtert. Besonderer Wert wird hierbei auf die Entwicklung einfacher Auslegungsrechnungen gelegt, die durch numerische Rechnung und Experimente abgesichert sind. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass der Verstärker über zwei bedeutende Alleinstellungsmerkmale verfügt. Zum einen ist er in der Lage große Verstärkungsfaktoren von bis zu 300 zu erreichen. Zum anderen kann er für hohe Effizienz und Ausgangsleistung ausgelegt werden. Damit bietet er sich besonders für die Verstärkung von Faserlasern kleiner Ausgangsleistung an. Bereits ab 2 W Eingangsleistung kann die Sättigungsintensität in jedem Umlauf und Ausgangsleistungen von 50 W in einer Stufe erreicht werden. Die Strahlqualität der verschiedenen Systeme ist stets nahe am Grundmode und wird nicht schlechter als M2<1,3 gemessen. Dabei wird eine optisch-optische Effizient von 38% bezüglich der absorbierten und 30% bezüglich der gesamten Pumplichtleistung erreicht. Die Ausgangsstrahlung ist für eine Konversionseffizienz bei der Frequenzverdopplung >80% besonders geeignet. Die Skalierungsgrenzen wurden in den experimentellen Untersuchungen bisher nicht erreicht. In dieser Arbeit wurden 50 W aus 12 mm Kristallbreite gewonnen. Bei Nd:YVO4-Kristallen liegt die Grenze der lieferbaren Kristallbreiten derzeit bei ca. 30 mm. Unter der Annahme eines zweiseitig gepumpten 30 mm Kristalls sind 250 W Ausgangsleistung aus einer Stufe denkbar. Systeme mit bisher verfügbaren Leistungen werden in der Displaytechnologie und der Mikromaterialbearbeitung verwendet. Höhere Leistungen können für die schnelle Materialbearbeitung insbesondere das Abtragen und Strukturieren von Metallen sinnvoll eingesetzt werden.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Giesekus, Joachim

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18497
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-123362