Diodengepumpte Ultrakurzpuls-Strahlquellen für die Erzeugung von Pikosekunden-Lichtimpulsen hoher Energie und Wiederholrate basierend auf Nd:YVO4 und Nd:GdVO4

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Diodengepumpte Ultrakurzpuls-Strahlquellen für die Erzeugung von Pikosekunden-Lichtimpulsen hoher Energie und Wiederholrate basierend auf Nd:YVO4 und Nd:GdVO4

Die Mikrobearbeitung verschiedenster Materialien mit dem Laser ist in den letzten Jahren zu einem Schwerpunkt der Anwendung ultrakurzer Lichtimpulse in der industriellen Fertigung geworden. Dabei wird vor allem die kurze Zeitdauer der Impulse ausgenutzt, mit der ein schädigender Wärmeeintrag in das bearbeitete Material weitgehend vermieden werden kann. Zusammen mit der guten Fokussierbarkeit der Strahlung erlaubt dies die Erzeugung kleinster Strukturen in hoher Qualität, wobei häufig keine Nachbehandlung des Werkstücks mehr erforderlich ist. Heute wird die industrielle Fertigung mit ultrakurzen Impulsen weitgehend von Ti:Saphir Verstärkersystemen dominiert, die jedoch eine Reihe von Nachteilen aufweisen: Die Systeme sind teuer, da zur Anregung von Ti:Saphir keine Hochleistungs-Diodenlaser zur Verfügung stehen, aufwändig, da die Femtosekunden-Impulse vor der Verstärkung zeitlich gestreckt und danach wieder komprimiert werden müssen, und langsam, da die Impulsfolgefrequenz kommerzieller Systeme meist auf etwa 5 kHz begrenzt ist. Zudem wurde in jüngsten Untersuchungen gezeigt, dass vor allem für die Mikrobearbeitung von Metallen Impulsdauern im Pikosekundenbereich häufig gut geeignet sind.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Strahlquelle mit Impulsdauern im Bereich einiger Pikosekunden, so dass auf eine zeitliche Streckung der Impulse vor der Verstärkung verzichtet werden konnte. Erforderlich waren Impulsenergien im Bereich von 100 µJ bis zu 1 mJ, die ausreichend für die Mikromaterialbearbeitung bzw. -strukturierung sind. Durch hohe Wiederholraten im Bereich einiger zehn Kilohertz sollte eine effiziente und schnelle Bearbeitung des Werkstücks sichergestellt werden. Als Lasermedium kamen Neodym-dotierte Materialien wie Nd:YVO4 und Nd:GdVO4 zum Einsatz, die zum einen effizient mit kommerziell erhältlichen Hochleistungs-Diodenlasern angeregt werden konnten und zum anderen durch ihre Verstärkungsbandbreite die Erzeugung und Verstärkung von Impulsen mit Dauern von einigen Pikosekunden ermöglichten.

Die hohe Energie der ultrakurzen Impulse wurde durch regenerative Verstärkung erzielt. Dabei durchläuft ein einzelner Impuls eines modengekoppelten Seed-Oszillators geringer Leistung mehrfach ein verstärkendes Medium und kann durch den Abbau der gesamten Inversion eine Verstärkung um mehrere Größenordnungen erfahren. Zur Erzeugung der ultrakurzen Seed-Impulse wurden diodengepumpte Nd:YVO4 und Nd:GdVO4 Laser realisiert und mit Hilfe sättigbarer Halbleiterabsorberspiegel passiv modengekoppelt. Der Einfluss von Parametern wie Modulationstiefe, Auskoppelgrad und resonatorinterner Leistung auf die Modenkopplung konnte dabei detailliert untersucht werden. Mit beiden Lasermaterialien wurden auf diese Weise langzeitstabile Quellen ultrakurzer Impulse mit hervorragender räumlicher Strahlqualität (M2 < 1.05) realisiert. Bei einer Repetitionsrate von etwa 80 MHz erzeugten die Systeme Impulse mit einer zeitlichen Dauer zwischen 5 und 7 ps und mit einer mittleren Ausgangsleistung im Bereich von 3 bis 5 W. Die Erhöhung der Pumpleistung von etwa 10 auf 40 W ermöglichte die Demonstration passiv modengekoppelter Systeme mit mittleren Ausgangsleistungen von bis zu 16 W bei Wiederholraten im Bereich von 90 MHz. Die erzeugte Strahlung blieb dabei nahezu beugungsbegrenzt (M2 < 1.1), und es wurden Impulsdauern im Bereich zwischen 10 und 14 ps erzielt.

Anschließend wurde ein regeneratives Nd:YVO4 Verstärkersystem entwickelt und detailliert charakterisiert, welches bei einer maximalen Wiederholrate von 20 kHz eine mittlere Ausgangsleistung von bis zu 10.8 W erzeugte. Die Energie der Impulse des Seed-Lasers von etwa 40 nJ wurde dabei im regenerativen Verstärker um mehr als vier Größenordnungen auf 0.54 mJ vergrößert. Die Wiederholrate des Systems war lediglich durch die zur Verfügung stehenden elektrooptischen Schalter begrenzt. Die erzeugte Strahlung war mit einer Beugungsmaßzahl M2 < 1.2 nahezu beugungsbegrenzt. Durch Gain-Narrowing vergrößerte sich die zeitliche Dauer der Seed-Impulse im Verstärker von 6.6 ps auf etwa 10.8 ps. In einem zusätzlichen linearen Nachverstärker konnte die Ausgangsleistung auf 20.3 W verdoppelt werden. Die infrarote Ausgangsstrahlung des regenerativen Verstärkers wurde durch nichtlineare Frequenzverdopplung in Lithiumtriborat (LBO) und -Bariumborat (BBO) sowohl in den grünen als auch nachfolgend in den ultravioletten Spektralbereich konvertiert. Dabei konnten mit einer Konversionseffizienz von 50% Impulse mit einer maximalen Energie von 270 µJ und einer mittleren Leistung von 5.4 W bei einer Wellenlänge von 532 nm erzeugt werden. Im ultravioletten Spektralbereich bei 266 nm betrug die generierte mittlere Leistung maximal 1.5 W, was bei einer Wiederholrate von 20 kHz einer Impulsenergie von 75 µJ entspricht. In diesem nichtlinearen Prozess wurde eine maximale Konversionseffizienz von 27% erreicht.

Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wurde weiterhin ein regeneratives Verstärkersystem basierend auf dem Lasermaterial Nd:GdVO4 mit einer deutlich erhöhten Wiederholrate von bis zu 200 kHz konzipiert und aufgebaut. Die mittlere Ausgangsleistung der erzeugten Strahlung betrug bis zu 13 W, entsprechend einer Impulsenergie von 65 µJ bei der maximalen Repetitionsrate von 200 kHz. Die Abhängigkeit der erzeugten Ausgangsleistung von der Anzahl der Durchgänge des Seed-Impulses durch das verstärkende Medium und von der Wiederholrate des Systems wurde detailliert untersucht, ebenso wie die spektrale Verbreiterung der Impulse durch Selbstphasenmodulation und die zeitliche Verbreiterung durch Gain-Narrowing. Bei der Verstärkung verbreiterten sich die Impulse dabei von 5.3 ps auf etwa 6.8 ps. Die erzeugte Strahlung war von hoher räumlicher Qualität mit einem Wert der Beugungsmaßzahl M2 = 1.15.

Die durchgeführten Arbeiten belegen, dass mit den beschriebenen Methoden auf Basis Neodym-dotierter Lasermaterialien in einfacher Weise effiziente und leistungsstarke diodengepumpte Strahlquellen für die Mikromaterialbearbeitung mit ultrakurzen Impulsen im Pikosekundenbereich realisiert werden können.