Bohren und Gravieren - fb06.fh-muenchen.de · Galvanometer-Scanners mindestens eine metallische und...

Hochschule München Fakultät 06 Laserzentrum Prof. H. P. Huber

Erstellt von: Röder, Fickenscher, Huber Überarbeitet von Sroka, Beck (2003), Menhard, Huber (Version 3.0, 2010), Huber (Version 3.1, 2012), Grimm(Version 3.3, 2014)

Bohren und Gravieren Bogenlampen gepumpter gütegeschalteter Nd:YAG Laser

Praktikumsanleitung für den Lehrversuch Nd:YAG

Nd:YAG Laser: Bohren und Gravieren Version 3.3

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Inhalt

1. Zielsetzung des Praktikums: ............................................................................................... 3

2. Vorbereitung des Praktikums: ............................................................................................ 3

3. Antestat, Vorbesprechung .................................................................................................. 4

4. Versuchsaufbau .................................................................................................................. 5

4.1 Nd:YAG Lasersystem .................................................................................................. 5

4.2 Einschalten und Betrieb ............................................................................................... 6

5. Durchführung des Praktikums ............................................................................................ 7

6. Ausarbeitung der Versuchsergebnisse ............................................................................... 8

7. GRUNDLAGEN ..................................................................................................................... 9

7.1 Lasersystem ................................................................................................................. 9

7.1.1 Nd:YAG-Laser: 4-Niveau-Laser .......................................................................... 9

7.1.2 Laserpulserzeugung und Güteschaltung ............................................................. 10

7.1.3 Laserkenndaten in Abhängigkeit der Repetitionsrate ........................................ 13

7.1.4 Moden ................................................................................................................. 15

7.2 Wechselwirkung Laser – Materie .............................................................................. 17

7.2.1 Absorption .......................................................................................................... 18

7.2.2 Aufheizen ........................................................................................................... 18

7.2.3 Aufschmelzen ..................................................................................................... 19

7.2.4 Verdampfen ........................................................................................................ 19

7.2.5 Schmelzaustrieb ................................................................................................. 19

7.3 Bohren von Metallblechen ......................................................................................... 20

7.4 Gravieren und Beschriften ......................................................................................... 22

7.4.1 Galvosystem ....................................................................................................... 23

7.4.2 Beschriftungsmethoden ...................................................................................... 23

8. Literatur ............................................................................................................................ 24

9. Komponenten des Bohren & Gravieren Versuchs: .......................................................... 24

10. Exkurs 1: Thermodynamische Eigenschaften von Metallen ......................................... 25

11. Exkurs 2: YAG Laser .................................................................................................... 26

12. Exkurs 3: Beispiel Messung der Pulsenergie in Abhängigkeit der Repetitionszeit und Anpassung ................................................................................................................................ 29


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1. Zielsetzung des Praktikums:

• Vermittlung fundamentaler Begriffe der Lasersicherheit • Aufbau und Komponenten eines lampengepumpten Festkörperlasers • Das Lasermaterial Nd:YAG • Laserbetrieb: Dauerstrich- und gepulster Modus, • Idee und Realisierung von Güteschaltung, Repetitionsratenabhängigkeit der Energie • Laserstrahlung: Grundmode, höhere Moden, Strahlqualität, Strahlführung, und

Strahlfokussierung • Bohren und Gravieren unterschiedlicher Materialien mit dem Laser

2. Vorbereitung des Praktikums: Folgende Themengebiete sind für das Verständnis und die Durchführung des Praktikums relevant. Deshalb sollten sie für das Praktikum vorbereitet werden. Themengebiet Details 1. Lasersicherheit Schutzstufen, Schutzmaßnahmen 2. Nd:YAG Laser 4 Niveau-System, Termschema, optische Übergänge,

optisches Pumpen, Besetzungsinversion, Laseraktion 3. Güteschaltung Prinzip, akusto-optischer Güteschalter, Messung kurzer

Pulse 4. Resonator Longitudinale und transversale Moden, Pulsdauer,

Strahlqualität 5. Interaktion Laser-

Material Mechanismus der Energieeinkoppelung, Bohrverfahren

Als Quellen für die Vorbereitung kann der Anhang und das dort befindliche Quellenverzeichnis dienen. Neben einem Überblick über die oben genannten Themengebiete sollten auch die Testatfragen (die sich auf der nächsten Seite befinden) gezielt vorbereitet werden. Zur Verfügung stehende Messmittel und Geräte: Detaillierte Informationen zu den einzelnen Geräten/ Messmitteln finden Sie im Anhang

- Software zur Berechnung der Laserschutzstufe (Schutzbrillenbestimmung.exe) - Rofin Sinar RSM 25Q: Lampengepumpter Nd:YAG Laser - Detektorkarte zum Sichtbarmachen der Laserstrahlung - Photodiode mit Vorspannung, Oszilloskop (200 MHz) - Laserleistungsmessgerät der Firma Coherent - Bohroptik mit einer Brennweite von 46.4 mm - Galvanometerscanner mit einer Optik der Brennweite 163 mm - 4x Schutzbrille (1030 – 1100 D LB8 + I LB 9 + R LB6)


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WICHTIGER HINWEISE ZUM UMGANG MIT DEN LASERN IM PRA KTIKUM Der verwendete Laser emittiert unsichtbare Strahlung bei 1064 nm mit bis zu 30 W Dauerleistung bzw. 11 mJ Pulsenergie und ist somit Laserklasse IV: Schwere irreversible Schädigungen insbesondere der Augen können bei unsachgemäßer Bedienung auftreten. Geeignete Schutzmaßen, besonders für die Augen, müssen zwingend ergriffen werden. Am Praktikum darf nur teilnehmen, wer die jährliche Sicherheitunterweisung zum Thema Laserstrahlung erhalten hat. Teilnehmer des Praktikums werden aufgefordet, selbst darauf zu achten, dass sie geeignete Schutzausrüstung (insbesondere Schutzbrillen) verwenden.

3. Antestat, Vorbesprechung

Folgende Fragen sollen Sie beantworten können:

1- Welche Laserschutzklassen kennen Sie? Strahlung welcher Wellenlänge emittieren Nd:YAG Laser? Warum ist diese besonders gefährlich? Was bedeutet die Beschriftung “R 800 nm – 1100 nm L7“ auf einer Brille?

2- Skizzieren Sie ein 4-Niveau Termschema. Wie hängen Lebensdauer und die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs zusammen? Welche optischen Pumpquellen und –arten gibt es? Welche 3 fundamentalen Wechselwirkungen Photon- Materie kennen Sie? Warum benötigt man Besetzungsinversion für die Emission von Laserstrahlung?

3- Was ist die Idee hinter der Güteschaltung? Wie funktioniert ein akusto-optischer Güteschalter? Wie berechnet man aus der Messung von Pulsdauer, mittlerer Leistung und Repetitionsrate die Pulsenergie und die Pulsspitzenleistung? Welche Messmittel verwendet man für die Leistungs- und für die Zeitmessung? Welche Repetitionsraten sind für a) maximale Pulsenergie b) maximale durchschnittliche Leistung geeignet? Warum? Welches Leistungsüberhöhung wird in der Pulsspitze erreicht?

4- Welche Strecke legt ein Laserpuls in 1 ns zurück? Was beeinflusst die zeitliche Länge eines gütegeschalteten Laserpulses? Logitudinale und transversale Moden: Wie kommen diese zu Stande? Transversale Moden: Was bedeutet TEM00? Skizzieren sie die Intensitätsverteilung der Grundmode und der ersten höheren Mode . Was ist das Strahlparameterprodukt q, was der M2 Faktor? Wie (qualitativ) hängen diese Werte von den longitudinalen/transversalen Moden im Laser ab? Was für einen Einfluss haben diese Größen auf die Materialbearbeitung?

5- Welche Arten des Laserbohrens kennen Sie? Erklären Sie kurz die Technik des Perkussionsbohrens. Welchen Einfluss haben

a) die physikalischen (insbesondere thermischen) Eigenschaften des Materials b) die Pulslänge

auf die Bearbeitung?


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4. Versuchsaufbau

4.1 Nd:YAG Lasersystem

Das Nd:YAG Lasersystem RSM 100Q von Rofin Sinar ist für die Materialbeschriftung ausgelegt. In Abbildung 4.1 ist der Prinzipaufbau dargestellt. In der Laserkammer (1) wird das Licht von zwei kontinuierlich betriebenen Kryptonbogenlampen (2 x 2,5 kW) über einen Keramikreflektor auf den Laserstab (L=140 mm, d=4 mm) konzentriert. Der Lampenstrom ist im Bereich (8 bis 20) A einstellbar und ermöglicht cw-Laserleistungen bis 70 W. Der Resonator besteht aus einem 100% Spiegel (2) mit Krümmungsradius ρ = ∞ und einem Aus-koppelspiegel (3) mit Reflektivität R = 0,9 und ρ = ∞. Die Strahlqualität (Durchmesser und Divergenz) wird mittels wassergekühlten Modenblenden (4, 8) eingestellt. Das Lasersystem ist als Multimodesystem für hohe Leistungen ausgelegt (Maximalwerte β2 = l / K = 12; Strahl-parameterprodukt *mq = 5mm·mrad; Strahltaille 2wm = 2,5mm). Ein akustooptischer Q-switch (5) (27 MHz) ermöglicht das schnelle Ein- und Ausschalten des Lasers und damit die Erzeugung von kurzen repetierenden Impulsen (Impulsdauer 100 ns – 200 ns, cw bis 60 kHz). Die Strahlaufweitungseinheit (11) bewirkt eine stufenlose Aufweitung von 2- bis 8-fach zur Erhöhung der Leistungsdichte im Fokus der Bearbeitungsoptik. Ein roter Pilotlaser (12) erleichtert die Strahljustierung.

Abbildung 4.1: Prinzipaufbau des Laserkopfes RS


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4.2 Einschalten und Betrieb

Die Laserbedienung erfolgt über Schalter und Tastatur (Abbildung 4.2).

Einschalten:

• Kühlwasserkreislauf (Laborwand) ganz aufdrehen

• Hauptschalter EIN; Schlüsselschalter auf L (Local); Grünen EIN-Schalter drücken Einschaltsequenz ca. 60 Sekunden mit Netzgerätestart, Zündung und Erwärmung der

Lampe (Wassertemperatur auf 29 °C, ca. 4 Minuten) ⇒ Lampe Betrieb leuchtet.

• Zum Einstellen der Strom- und Frequenzwerte muss die Tastatur entriegelt sein und im Display auf L (Local) eingestellt werden.(Ansteuerung über Kontrollpad) oder auf R (Ansteuerung durch PC)

• Tastatur entriegeln: Taste 6 (Status) solange drücken bis im Display, Tasten gesperrt’ erscheint. Entriegeln mit Taste 5 (LRD) ⇒ rote Lampe leuchtet.

• Einstellung auf L oder R: entsprechende Funktionstaste drücken und über Taste 5 (LRD) L oder R einstellen.

• Ansteuerung über PC: Anleitung als TXT-Datei auf dem Desktop (RSX-tool.txt)

• Laserstrahl freigeben: Shutter auf AUF; Taste 7 Strahl EIN.

Bevor der Strahl freigegeben wird ist darauf zu achten, dass der Laserbereich durch die Vorhänge abgegrenzt ist und die im Laserbereich befindlichen Personen den geeigneten Augenschutz tragen.

Ausschalten:

• Rote AUS Taste drücken; Kühlung läuft noch ca. 10 Sekunden.

• Schlüsselschalten in Position 0.

• Nach Abschaltung der Kühlung Hauptschalter auf NULL.

• Kühlwasserkreislauf zudrehen.

Abbildung 4.2: Schaltfeld und Tastatur am RSM 100Q


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5. Durchführung des Praktikums Allgemeine Hinweise: Das Praktikum ist so konzipiert, dass Sie möglichst viele Arbeitsschritte selbstständig erledigen können. Dies kann aber nur funktionieren, wenn Sie ruhig und konzentriert im Team zusammenarbeiten und den Anweisungen des Betreuers Folge leisten.

Arbeitsschritt 1: Inbetriebnahme, Bestimmung der benötigten Laserschutzstufe Machen Sie sich mit der Funktionsweise des Lasers vertraut. Wie bedient man den Laser, wie den Sicherheits-Shutter? Entfernen Sie die Abdeckung des Lasers. Wo sind die einzelnen Komponenten verbaut? Bestimmen sie mit Hilfe des Datenblattes und der Software auf dem Rechner die Laserschutzstufe des Lasers für gepulsten und für Dauerstrichbetrieb. Arbeitsschritt 2: Laserparameter bei unterschiedlichen Pumpströmen Starten Sie nun die Software RSX-Tool und gehen auf den Menüpunkt: Powerdistribution. Alternativ können sie den Laser lokal am Kontrollgerät steuern. Nun können Sie die Laserparameter frei einstellen. Fertigen sie für die nun folgenden Messungen jeweils eine Tabelle an. Stellen sie zunächst bei cw-Betrieb des Lasers folgende Pumpströme ein: 9A, 10A, 12A, 14A, 16A, 18A und messen sie die Ausgangsleistung P(I) des Lasers. Beobachten Sie zusätzlich die Intensitätsverteilung des Strahls mit dem Detektorkärtchen und skizzieren Sie sie. Wiederholen Sie die Messung für 1 kHz und für 5 kHz Pulsfrequenz und bestimmen sie bei diesen beiden Messungen zusätzlich mit Hilfe der Photodiode und des Oszilloskops die Pulsdauer (FWHM). Um einer Verfälschung der Messwerte aufgrund thermischer Einflüsse entgegenzuwirken sollte der Shutter zwischen jedem Messwert geschlossen werden. Arbeitsschritt 3 (optional): Laserparameter bei unterschiedlichen Repetitionsraten Lassen Sie jetzt den Pumpstrom konstant bei 14A und verändern Sie die Repetitionsrate des Lasers in folgenden Schritten: 100 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 750 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, 5 kHz,10 kHz, 20 kHz, 30 kHz. Messen Sie dabei die durchschnittliche Ausgangsleistung des Lasers. Messen Sie jeweils die absolute Höhe des Photodiodensignals und die maximale Schwankung über 256 Pulse. Tabellieren Sie die Ergebnisse. Arbeitsschritt 4: Perkussionsbohren von Metallen Entfernen Sie nun das Leistungsmessgerät und schwenken Sie die Bohroptik in den Strahlengang ein. Stellen Sie die Repetitionsrate des Lasers auf 1kHz ein. Spannen Sie zunächst ein Keramikplättchen in die Vorrichtung ein. Lasern Sie jetzt mit 11 A Pumpstrom und bestimmen Sie die Fokuslage mittels variieren der Höhenlage des Tisches bei gleichzeitigem Beobachten des Plasmaleuchtens auf der Keramik. Ersetzen Sie danach das Keramikplättchen durch eine Stahlprobe. Messen Sie die Zeit des Durchbohrens als Funktion des Pumpstroms. Hierbei gilt: Zeiten unter 0.5s gelten als „sofort durchgebohrt“, Zeiten über 30s als „niemals durchgebohrt“. Verändern Sie den Pumpstrom so, dass sie innerhalb dieser Grenzen mehrere Messpunkte für einen Graphen generieren. Führen Sie den gleichen Versuch mit einer Kupferprobe durch. Bestimmen Sie am Konfokal Mikroskop den Durchmesser eines typischen Loches an Eintritts- und Austrittsfläche (bei 20-facher Vergrößerung).


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Arbeitsschritt 5: Gravieren von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen Schwenken Sie nun die Bohroptik aus den Strahlengang und gravieren Sie mit Hilfe des Galvanometer-Scanners mindestens eine metallische und eine nichtmetallische Probe. Verwenden Sie dazu die zugehörige Software (Virtual Laser Marker/VLM.exe)

6. Ausarbeitung der Versuchsergebnisse Besonderer Wert wird auf die physikalisch sinnvolle Aufbereitung der Ergebnisse, anpassen geeigneter Modellfunktionen und hinreichende Genauigkeiten der Auswertung gelegt. Weniger wichtig sind lange verbale Beschreibungen und aufwendige graphische „Spielereien“. Bitte verwenden Sie kein Tabellenkalkulationsprogramm zur Datendarstellung. Die Ausarbeitung sollte folgende Punkte beinhalten:

• Titelblatt • Inhaltsverzeichnis • Kurzbeschreibung des Versuchs • Kurze Beantwortung der Antestatfragen (Max. 3 Seiten) • Zu Punkt 1: Skizze des internen Laseraufbaus, berechnete Schutzstufen. Warum

unterscheiden sich die Schutzstufen für gepulsten/cw-Betrieb? • Zu Punkt 2: Tabelle der Messwerte. Berechnung der Spitzenleistungen bei den

einzelnen Messpunkten. Graphische Darstellung von Pulsdauer, Durchschnitts- und Spitzenleistung für die unterschiedlichen Repetitionsraten. Warum steigt die Ausgangsleistung nicht linear mit dem Pumpstrom an? Wie erklären Sie sich den Verlauf der Pulsdauer und der Spitzenleistung bei 16A? Ab welchem Pumpstrom schwingen höhere transversale Moden an?

• Zu Punkt 3 (optional): Auftrag der Messdaten, anpassen einer geeigneten Modellfunktion und Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer aus den Fitparametern (siehe Anhang: Exkurs 3). Berechnung der relativen Puls-zu-Puls-Schwankungen aus den Messdaten und graphische Darstellung. Wann und warum nehmen die Schwankungen zu?

• Zu Punkt 4: Graphische Darstellung der Durchbohrzeit t(I) in Abhängigkeit des Pumpstroms für Stahl und für Kupfer. Wie erklären Sie sich die Unterschiede? Skizzieren sie das erzeugten Bohrlochs in Schnittdarstellung (Blechdicke 0,5 mm, Maßstab 200:1). Nehmen Sie an, der Fokusdurchmesser entspricht dem Lochdurchmesser im Einschuss. Welchen Strahldurchmesser hat der Laser dann vor der Bohroptik(M2 = 8, f = 46,4mm)?

• Zu Punkt 5: Zählen Sie mindestens 3 Anwendungen des Gravierens auf. Welche Vorteile hat das Verfahren gegen andere Beschriftungsverfahren?


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7. GRUNDLAGEN

7.1 Lasersystem

7.1.1 Nd:YAG-Laser: 4-Niveau-Laser

Ein für technische Anwendungen wichtiger Festkörperlaser ist der Nd (Neodym): YAG-Laser. YAG ist die Abkürzung für Yttrium-Aluminium-Granat ( 1253 OAlY ). Der YAG-Kristall

ist mit Nd dotiert, wobei ca. 1% der +3Y -Ionen durch +3Nd -Ionen ersetzt sind. Das

eigentliche aktive Medium sind die +3Nd -Ionen. Das Energieniveauschema der +3Nd -Ionen im YAG zeigt Abbildung 7.1. Durch die starken elektrostatischen Felder im Kristall entstehen die Anregungsenergiebänder (Zustand 2 in Abbildung 7.1). Ein +3Nd -Ion kann also

Lichtquanten absorbieren, deren Energien in verschiedenen Bereichen ( 12 EE − ) liegen. Dieser Vorgang wird zum optischen Pumpen benutzt. Lichtquanten, die nicht in das Raster passen, sind für den Pumpvorgang wertlos.

Inversion der Besetzungsdichten

Um das Zustandekommen einer Inversion zu beschreiben, benötigen wir im Prinzip die Energieniveaus E1, E2, E3, E4, (Vier-Niveau-System), wie in Abbildung 7.1 dargestellt. Im thermischen Gleichgewicht befinden sich die +3Nd -Ionen im Grundzustand E1. Durch optisches Pumpen werden die Zustände E2 angeregt. Für eine Rückkehr nach E1 gibt es die zwei Wege: E2 → E1 und E2 → E3 → E4 → E1. Da die Lebensdauer τ23 für E2 → E3 ca. 100mal kürzer ist als τ21, ist die Übergangswahrscheinlichkeit für E2 → E3 ca. 100mal höher als für E2 → E1. Ca. 99% aller Zustände E2 gelangen also nach E3. Wegen der vergleichsweise langen Lebensdauer τ34 des Laserniveaus E3 von ca. 230 µs ( 4

2334 102/ ⋅≅ττ ; Vergleichswerte

für Nd:YLF τ34 = 550 µs, Nd:VAN τ34 = 200 µs, Ti:Al2O3 τ34 = 3 µs) „stauen“ sich die Anregungszustände in E3. Das Energieniveau E4 ist unbesetzt, da es bei T≅ 300 K nach dem Boltzmann-Faktor fast keine thermische Anregung gibt. Ferner ist E4 wegen der kurzen Lebensdauer τ41 bei Emissionsvorgängen E3 → E4 schnell entleert. Es hat also die Besetzungsdichte 04 ≅n .

Die Inversion zwischen E3 und E4 beginnt mit der ersten Besetzung von E3. Die Wellenlänge des Laserübergangs E3 → E4 ist λ = 1,064 µm.

In Abbildung 7.1 ist ein weiterer möglicher Übergang 43 ′→ EE gezeigt. Die relativen

Intensitäten der beiden Laserübergänge sind zusätzlich in Abhängigkeit der Wellenlänge dargestellt.


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Abbildung 7.1: Energieniveauschema der Nd3+-Ionen im YAG-Kristall als 4-Niveau-System und die Laserübergänge

7.1.2 Laserpulserzeugung und Güteschaltung Die Güteschaltung (Q-switch, engl.: Quality-switch) wird angewandt, um aus einem cw (continuous wave)-Laser mit gegebener Leistung kurze Impulse zu erzeugen, deren Leistung um ein vielfaches höher ist als die Durchschnittsleistung. Das Prinzip der Güteschaltung besteht darin, die Pumpenergie, die in den Kristall eingestrahlt wird, nicht in kontinuierlicher Strahlung zu emittieren, sondern sie als Energie in angeregten Atomen im Kristall zu speichern und sie als einen kurzen Impuls hoher Leistung auszukoppeln. Die Güte bezeichnet dabei den Zustand des Resonators im Lasersystem, das Verluste wie z.B. Absorption, Streuung und Auskoppelverluste an den Spiegeln besitzt. Hohe Güte entspricht niedrigen Verlusten, niedrige Güte entspricht hohen Verlusten und einem Abbrechen der induzierten Emission. Wie in Abbildung 7.2 dargestellt, ist die Voraussetzung für induzierte Emission die höhere Besetzungsdichte n3 des oberen Laser-Energieniveau E3 gegenüber n4 im unteren Laser-Energieniveau E4 (= Inversion), da sonst die Absorptionsübergänge von n4 nach n3 überwiegen und keine optische Verstärkung zustande kommt. Um die wirkungsvolle Art der Leistungssteigerung zu verstehen ist in Abbildung 7.2 der Pumpvorgang dargestellt. Das Pumplicht bewirkt eine zunehmende Besetzung n3 des oberen Laserniveaus E3. Durch induzierte Emission aufgrund des Resonators wird die Besetzungsdichte auf n3 begrenzt. Ohne Resonatorspiegel tritt keine Emission auf und es wird mit gleicher Pumplichtintensität eine sehr viel höhere Besetzungsdichte max

3n erreicht. Während Abbildung 7.2a den zeitlichen

Verlauf der Besetzungsdichte n beim permanenten optischen Pumpen zeigt, wird in Abbildung 7.2b der Energiezustand des Kristalls mit und ohne Resonatorspiegel wiedergegeben.


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Abbildung 7.2: Prinzip eines Pumpvorganges im Laserkristall anhand eines 3-Niveau-Systems

In Abbildung 7.3 ist ein typischer Zeitabschnitt der Erzeugung eines gütegeschalteten Pulses dargestellt. Sind die Verluste ε im Resonator (Abbildung 7.3a) hoch, d.h. ε = εmax, kann sich

eine Besetzungsdichte ni (Abbildung 7.3b) aufbauen (entsprechend max3n in Abbildung 7.2).

Die Verluste führen dazu, dass trotz Übersteigen der Schwellinversion nt keine induzierte Emission entsteht, bis der Güteschalter in den Zustand von ε = εmin gesetzt wird. Dann ist wegen der hohen Besetzungsdichte ni die Verstärkung des Lichtes pro Resonatordurchgang viel höher als im cw-Betrieb und es entsteht zeitverzögert der Puls der Dauer ∆tp (Abbildung 7.3c).

Als Äquivalent zu der Anordnung ohne Resonatorspiegel in Abbildung 7.3, kann man einen optischen Güteschalter sehen, der die Rückkopplung unterbricht. Bei kontinuierlichem Pumpen mit Xenon-Lichtbogenlampen sind die Pulsdauer und die Pulsenergie abhängig von der Repetitionsrate des Güteschalters. In einem solchen Lasersystem unterliegt die Besetzungsdichte n3 des oberen Laserniveaus E3 einer periodischen Veränderung wie sie graphisch in Abbildung 7.5 gezeigt ist.


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Abbildung 7.3: Entstehung eines Laserimpulses als Funktion der Zeit

Güteschaltung mit einem akustooptischen Modulator:

Eine akustooptische Beziehung entsteht in allen optischen Medien, wenn eine akustische Welle mit einem Laserstrahl in Wechselwirkung tritt. Wird eine akustische Welle in ein Medium eingebracht, erzeugt sie örtlich periodische Verdichtungen und Verdünnungen, die eine Änderung ∆n des Brechungsindex n hervorrufen. Es bilden sich sinusförmige parallele Wellenfronten orthogonal zur Einschallrichtung aus. Diese Wellenfronten wirken dann wie ein Beugungsgitter. Ein einfallender Laserstrahl, der diese Wellenfronten durchdringt, wird in verschiedenen Ordnungen gebrochen. Die Gitterkonstante Λ entspricht der Ultraschallwellen-länge im Medium. Zur Erzeugung von Interferenzen an räumlichen Gittern mit der Bedingung

2Λl >⋅λ , muss ein bestimmter Winkel, der sog. Bragg-Winkel ΘB, gegenüber der Gitter-ebene eingestellt werden, so dass bei Einstrahlung eine konstruktive Interferenz auftritt. Bei der Bragg-Reflexion an Ultraschallwellen sind nur die Beugungsordnungen m = 0 und m = 1 wesentlich. Ein akustooptischer Modulator (AOM), wie in Abbildung 7.4 gezeigt, besteht aus einem transparenten Medium z.B. Quarzglas, auf dem ein Piezokristall aufgeklebt ist. Mit einem Hochfrequenzgenerator wird an dem Piezokristall eine hochfrequente Spannung angelegt. Durch die mechanischen Schwingungen, erzeugt der Piezokristall eine laufende Schallwelle mit der Geschwindigkeit CSchall, die im Absorber absorbiert wird.


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Abbildung 7.4: Beugung am akustooptischen Modulator in Bragg-Anordnung

7.1.3 Laserkenndaten in Abhängigkeit der Repetitionsrate In Abbildung 7.5 ist die Besetzungsdichte n als Funktion der Zeit aufgetragen. Der Wert n∞ ist der Maximalwert der Besetzungsdichte n(t), der asymptotisch nur erreicht werden kann, falls das Verhältnis der Zeit t groß gegenüber der spontanen Abklingzeit τf ist. Bei Repetitionsraten, die größer als 1/ τf sind, reicht die Zeit zwischen den Pulsen nicht aus, um den Maximalwert n∞ zu erreichen, der von der Pumpleistung und dem Wirkungsgrad abhängt.

Die Abbildung 7.6 gibt eine Übersicht über die Zusammenhänge von Pulsleistung, Pulsenergie und Durchschnittsleistung als Funktion der Repetitionsrate.

Für Repetitionsraten unter annähernd 800 Hz ist die Pulsleistung noch unabhängig von der Repetitionsrate. Hier besteht noch genügend Zeit zwischen den Pulsen, um die maximale

Besetzungsdichte n∞ (entspricht max3n in Abbildung 7.2) zu erreichen (vgl. Abbildung 7.3). Im

Übergangsabschnitt zwischen 800 Hz und 3 kHz beginnt eine Abnahme der Pulsleistung mit zunehmender Frequenz. Ab 3 kHz nimmt die Pulsleistung sehr schnell ab, dennoch steigt die Durchschnittsleistung. Die Pulsdauer nimmt mit zunehmender Frequenz überproportional zu. Die Zusammenhänge zwischen Pulsenergie und Pulsleistung sind zum besseren Verständnis in Abbildung 7.7 aufgeführt. Dabei ergeben sich folgende Formalismen:

t

Pmax

Rep

MittelP ;

∆== E

Pf

PE


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Abbildung 7.5: Besetzungsdichte als Funktion der Zeit in einem kontinuierlich gepumpten gütegeschalteten Laser. Die zwei Kurven zeigen die Besetzungsdichte im Zeitverlauf bei unterschiedlicher Repetitionsrate

Abbildung 7.6: Leistungsdaten eines kontinuierlich gepumpten Nd:YAG-Lasersystems als Funktion der Frequenz. Der Laserstab hat eine Länge von 7,5 cm und einen Durchmesser von 5 mm. Die Pumpleistung beträgt 5,5 kW. Die Leistungsangaben wurden im Grundmode (TEM00) des Resonators ermittelt.


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Abbildung 7.7: Zeitlicher Leistungsverlauf eines Ausschnitts aus einer Pulsfolge. EP = Pulsenergie [J], PMittel = mittlere Leistung [J/s], fRep = Pulsfolgefrequenz [Hz], ∆t = Pulsdauer [s], Pmax = maximale Pulsleistung [W] 7.1.4 Moden Ein optischer Resonator ist ein Raum, in dem sich durch Interferenz der an den Spiegeln reflektierten und gebeugten Wellen bei bestimmten Frequenzen stehende Lichtwellen ausbilden. Die Knotenpunkte liegen räumlich fest. Diese Resonanzschwingungen werden in der Lasertechnik als Moden bezeichnet. Der einfachste optische Resonator besteht aus zwei ebenen Spiegeln, die sich im Abstand L gegenüberstehen. Dies ist der Perot-Fabry-Resonator. Statt der ebenen Spiegel können auch sphärische Spiegel verwendet werden.

Abbildung 7.8: Mögliche Oberwellen (longitudinale Moden) im Resonator

Eine Welle, die achsensymmetrisch parallel zur z-Achse verläuft, wird von einem Spiegel auch wieder achsensymmetrisch reflektiert. Es können sich also axiale (longitudinale) stehende Wellen ausbilden (siehe Abbildung 7.8). Die hin und her laufenden Wellen werden an jedem Spiegel gebeugt. Das durch Interferenz der reflektierten und gebeugten Wellen entstehende stationäre Wellenfeld hat beim symmetrischen Resonator eine Strahltaille in der Resonatormitte. Die ausgekoppelte Welle hat dann eine rotationssymmetrische Leistungsdichteverteilung S(r). Für die axialen Moden gilt die Beziehung:

⋅=2

qλ

L mit q = 1, 2, 3, …


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Abbildung 7.9: Intensitätsprofile von verschiedenen transversal-elektrischen Moden (TEM). L02 ist eine zylindersymmetrische TEM, die anderen sind rechteck-symmetrische TEM.

Der Modenparameter q gibt die Anzahl der Knoten in z-Richtung an. Diese axialen Moden werden auch als longitudinale Moden oder transversale Grundmoden TEM00 bezeichnet. Die Größenordnung von q liegt bei Laserresonatoren im Bereich 106. Im Vergleich zur Hochfrequenztechnik, wo der Schwingkreis dem optischen Resonator entspricht, werden die Laseroszillatoren mit einer sehr hohen Oberwelle angeregt. Neben den longitudinalen Moden, die durch eine einzige Koordinate (z-Koordinate) beschreibbar sind, gibt es räumliche stationäre Wellenfelder (dreidimensionale stehende Wellen). Die genaue Beschreibung dieser Wellenfelder kann nur über die Beugungstheorie erfolgen. In erster Näherung kann man aber den Resonator mit Hilfe der geometrischen Optik betrachten.

Im Resonator gibt es räumlich geschlossene Wege, auf denen sich stehende Wellen ausbilden können. Der ausgekoppelte Strahl besteht dann zum Beispiel aus zwei Teilstrahlen. Solche Moden, die sich nicht mehr genau achsenparallel ausbilden, nennt man transversale elektromagnetische Moden TEMmn. Hat der Resonator Rechtecksymmetrie, wie es sich z. B. durch den Einbau einer Fläche im Brewster-Winkel ergibt, dann sind die Abstrahlungsbilder durch ein zweidimensionales kartesisches Koordinatensystem (x, y) einfach zu beschreiben. Abbildung 7.9 gibt Beispiele der Intensitätsverteilung und Phasenlage von verschiedenen transversalen Moden. Die Modenparameter m, n geben die Anzahl der Knoten im Abstrahlungsbild des Lasers für die x- und y-Richtung an. die Phasen benachbarter Teilstrahlen sind gegenseitig um π verschoben; dies bedeutet, dass z.B. im TEM10-Mode die beiden Teilstrahlen gegenseitig schwingen.


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Abbildung 7.10: Ausbreitung der Moden bei verschieden großen Blenden

Die transversalen Moden sind gegenüber dem Grundmode durch ihre höheren Beugungsverluste immer benachteiligt. Sollen aber diese vollständig unterdrückt werden, dann muss eine Modenblende in den Oszillator eingebaut werden. In Abbildung 7.10 ist dargestellt, wie verschieden große Blenden die Ausbreitung der Moden beeinflussen.

7.2 Wechselwirkung Laser – Materie

Das Abtragen von Metallen mit einem Laserstrahl ist den thermischen Verfahren zugeordnet. Dabei unterscheiden sich die Laserstrahlverfahren von anderen thermischen Abtragverfahren, wie beispielsweise den erosiven Verfahren, nur durch die Art der Energiezufuhr. Die für den Bearbeitungsprozess notwendige Energie wird in möglichst kurzer Zeit mit entsprechend hoher Leistungsdichte ins Werkstück eingebracht. Dadurch kann die Wärmebelastung des zu bearbeitenden Bauteiles gering gehalten werden. In Abbildung 7.11 sind die verschiedenen Phasen während der Wechselwirkung Laserstrahl – Materie für das Abtragen mit Laserstahlung dargestellt.


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Abbildung 7.11: Verschiedene Phasen des Sublimationsabtragens mit Laserstrahlung

7.2.1 Absorption Die zum Abtragen mit Laserstrahlung notwendige Leistungsdichte wird durch Fokussierung der Laserstrahlung mit Hilfe einer Optik auf dem Werkstück erreicht. Die Laserstrahlung wird bei Metallen in einer dünnen Schicht mit einer Dicke kleiner 1 µm an der Materialoberfläche absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Energietransport in das Material erfolgt durch Wärmeleitung.

In Abbildung 7.12 ist das Absorptionsverhalten verschiedener Metalle in Abhängigkeit der Wellenlänge dargestellt.

7.2.2 Aufheizen Die an der Materialoberfläche erreichbare Temperatur ist eine Funktion der Leistungsdichte, der Einwirkdauer und der Materialparameter, wie Absorptionskoeffizient, Dichte, Temperaturleitfähigkeit. Eine gezielte Verminderung der Reflexionsverluste kann durch eine Modifizierung der Werkstoffoberfläche, beispielsweise durch Oxidation, realisiert werden. Der bei flachen, dicken Proben vorhandene Wärmeabfluss aus der Bearbeitungszone kann durch eine Optimierung der Werkstückgeometrie reduziert werden.


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Abbildung 7.12: Absorptionsgrad A bei Raumtemperatur für verschiedene Metalle mit polierter Oberfläche als

Funktion der Wellenlänge

7.2.3 Aufschmelzen Mit Erreichen der Schmelztemperatur an der Oberfläche bildet sich ein Schmelzbad aus, das mit zunehmender Einwirkdauer größer wird. In der Schmelze entsteht ein Temperatur-gradient. Dabei fällt die Temperatur von der Verdampfungstemperatur an der Oberfläche bis zur Schmelzfront auf Schmelztemperatur ab.

7.2.4 Verdampfen Wird innerhalb der Einwirkdauer die Verdampfungstemperatur überschritten, beginnt der Werkstoff an der Oberfläche zu verdampfen. Der Materialdampf expandiert gegen das Außengas. Die Verdampfungsrate ist proportional der absorbierten Leistungsdichte und bestimmt den Druck auf die Materialschmelze.

7.2.5 Schmelzaustrieb Überschreitet der Rückstoßdruck des expandierenden Materialdampfes die Oberflächenkräfte in der Schmelze, so tritt zunächst eine Deformation der Oberfläche auf und anschließend beginnt der Schmelzaustrieb.


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7.3 Bohren von Metallblechen

Abbildung 7.13: Schematische Darstellung des Bohrprozesses innerhalb der Bohrung

Bohren und Abtragen mit Laserstrahlung beruhen im wesentlichen darauf, dass der Werkstoff innerhalb der vom Laserstrahl beaufschlagten Fläche aufschmilzt, ganz oder teilweise verdampft und Dampf und Schmelze durch den dabei entstehenden Überdruck (pu > 100 bar) aus der Wechselwirkungszone ausgetrieben wird (siehe Abbildung 7.13). Um die zum Materialabtrag erforderlichen Leistungsdichten zu erreichen, wird die Strahlung des Hochleistungsimpulslasers auf das Metallblech fokussiert. Die besten Resultate bezüglich Bearbeitungsqualität erzielt man im Grundmode-Betrieb des Lasers mit gaußfömiger Intensitätsverteilung. Für den Brennfleckdurchmesser d im Fokus einer Linse erhält man für diesen TEM00 Grundmode:

D

fwd ⋅⋅== λ

π

42 f

0

f02w Strahltaille des fokussierten Strahls nach Fokussierlinse

f Brennweite der Fokussierlinse

D Strahldurchmesser an der Fokussierlinse

2Θ0 Strahldivergenz im Grundmodebetrieb vor der Fokussierung

Die Bohrlochgeometrie wird wesentlich bestimmt vom axialen Verlauf der Strahltaille nach der Fokussierung und damit von der Rayleigh-Länge f

R2z

(1.1)


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2

0

2f0

f0

f0f

Rπ

82

)2(22

⋅⋅=== ∗ D

f

q

w

Θ

wz λ

f02Θ : Strahldivergenz im Grundmodebetrieb nach der Fokussierung

∗0q : Strahlparameterprodukt im Grundmode

Das Strahlparameterprodukt ist konstant und wird durch die Fokussierlinse nicht verändert, so dass . π/constf

0f0000 λ==⋅=⋅=∗ wΘwΘq

Bei geringen Leistungsdichten wird der Hauptteil der Laserstrahlung an der Metalloberfläche reflektiert, da der Absorptionsgrad von Metallen für 1,06 mµ Strahlung relativ gering ist (siehe Abbildung 7.12). Das Absorptionsverhalten ändert sich aber schlagartig ab einem kritischen Wert der Leistungsdichte (Schwellwert). Von da an erfolgt eine fast 100%ige Einkopplung der Strahlungsenergie in das Material. Diese materialspezifische Schwelle ist an einem weißblauen Plasmaleuchten in der Bearbeitungszone zu erkennen.

Im Multimodebetrieb werden der Taillenradius wm und der Divergenzwinkel Θm der höheren Moden wie folgt charakterisiert:

ββ ⋅=⋅= 0m0m ΘΘww

wobei 12 += mβ und m = Ordnungszahl der Mode.

Die Qualität des Laserstrahls wird durch die Strahlqualitätszahl K bestimmt. Diese ist definiert als das Verhältnis von Strahlparameterprodukt im Grundmode zu Strahlparameter-produkt im Multimode:

2mm

00

m

0 1

β=== ∗

∗

wΘ

wΘ

q

qK

Das Strahlparameterprodukt wird auch im Multimode nicht durch Linsen verändert. Daher ergibt sich folgender Zusammenhang:

KK

wΘww

1π

00mm

fm

fm ⋅==Θ=Θ λ

Mit der Näherung fDΘΘ 2

fm

fm tan =≈ erhält man analog zu Gl. (1.1) und Gl. (1.2) für den

Brennfleckdurchmesser und die Rayleigh-Länge im Multimode-Betrieb folgende Gleichungen:

D

f

KKwd ⋅⋅⋅=

Θ⋅⋅⋅== λλ

π

4111

π22 f

m

fm

2

fm

fmf

Rπ

8122

⋅⋅⋅==D

f

KΘ

wz λ

Das Verhältnis der Brennfleckdurchmesser im Monomode und im Multimode ist also Kww =f

mf0 2/2 , wobei 10 << K .

(1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

(1.6)

(1.7)


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Um zu höheren Leistungsdichten zu gelangen, versucht man den Brennfleck zu verkleinern. Dies wird realisiert, indem man den Laserstrahl vor der Fokussierung mit einem umgekehrten Teleskop aufweitet. Weil das Strahlparameterprodukt eine Konstante ist, wird durch die vergrößerte Strahltaille die Divergenz des Strahls verkleinert, wodurch sich der Strahl besser fokussieren lässt.

Mit dem Strahlensatz kann man die Strahldivergenz nach der Aufweitung, amΘ , ableiten und

erhält folgenden Ausdruck:

V

Θmam =Θ

wobei V = f1 / f2 die Vergrößerung und f1 und f2 die Linsenbrennweiten des Teleskops sind.

Die Gleichungen (1.1) und (1.6) veranschaulichen noch einmal den Einfluss der Strahlaufweitung auf den Brennfleck, da der Strahldurchmesser an der Fokussierlinse, D , im Nenner steht. Folglich gilt für den Brennfleck im Multimode nach Strahlaufweitung und Fokussierung:

DV

f

KΘKwd

⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅== λ

πλ

π

411122 f

m

fma

7.4 Gravieren und Beschriften

Bei den Lasermarkiersystemen gibt es verschiedene Abbildungsmethoden, mit denen der Laserstrahl auf das Werkstück abgebildet wird. Im verwendeten RS-System ist ein Galvanometer mit Ablenkspiegel eingebaut (Abbildung 7.14).

Abbildung 7.14: Lasermarkiersystem mit Galvanometer-Abbildungsmethode

(1.8)

(1.9)


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7.4.1 Galvosystem Die Vorteile eines Galvosystems (Abbildung 7.15) bestehen darin, dass weder das Werkstück noch die Optik bewegt werden müssen. Der Laserstrahl wird nach der Auskopplung aus dem Resonator durch eine Aufweitung über zwei Spiegel in X- und Y-Richtung abgelenkt und dann über eine Planfeldlinse (wichtig) auf das zu beschriftende Werkstück fokussiert. Diese Methode wird in der Industrie beim Beschriften sehr häufig eingesetzt.

Abbildung 7.15: Galvanometer mit Ablenkspiegel

7.4.2 Beschriftungsmethoden Bei der Beschriftung von Werkstücken werden folgende drei Methoden unterschieden:

•••• Anlassbeschriftung

Anzuwenden bei allen Metallen, die unter Wärme- und Sauerstoffeinwirkung ihre Farbe verändern. Die Eindringtiefe liegt bei etwa 5 µm, die Strichbreite bei ca. 80 - 150 µm. Der Aufwurf ist < 1 µm.

•••• Gravur

Alle Metalle, Keramik und einige Kunststoffe lassen sich bis zu ca. 50 µm tief gravieren. Die Strichbreite bewegt sich zwischen 80 und 120 µm.

•••• Farbumschlag

Diese Art der Lasermarkierung kommt bei den meisten Kunststoffen und einigen Lacken zur Anwendung. Eindringtiefen bis zu 200 µm wurden bei Abriebtests (Tastaturen) gemessen. Die Strichstärken sind stark vom Material und der verwendeten Brennweite abhängig.


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8. Literatur

Röder: Skript Lasertechnik FHM (2002)

Iffländer: Festkörperlaser zur Materialbearbeitung, Springer, Berlin (1990)

Hügel: Strahlwerkzeug Laser, Teubner, Stuttgart (1992)

Koechner: Solid State Laser Engineering, Springer, Berlin(1999)

Bauer: Lasertechnik, Vogel Fachbuch, Würzburg (1991)

Abtragen, Bohren und Trennen mit Festkörperlasern, VDI Technologiezentrum: Laser in der

Materialverarbeitung (Band 7)

Weinfurtner: Licht schreibt - Beschriften mit dem Laser in der Industrie, Expert Verlag, Band

479

H. Kogelnik and T. Li: Laser Beams and Resonators, Applied Optics, Vol.5, No.10, 1966

9. Komponenten des Bohren & Gravieren Versuchs:

• Stoppuhr • Ersatzbatterien für die Stoppuhr (LR 44/AC13 1.5V)

• Keramikplättchen • Modenblenden • Lasermaßstab für Fokus (Aufschrift: Nd-YAG Lasermaßstab)

• Indikatorplättchen Nd:YAG • Halterung für Bleche


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10. Exkurs 1: Thermodynamische Eigenschaften von Metallen

Metalle bei

20°C Dichte ρ Wärmekapazität cp Wärmeleitfähigkeit λ Temperaturleitfähigkeit a

Einheit 3

3

mkg10

Kkg

kJ

⋅

KmW⋅

sm10 2-6

Aluminium 2,7 0,888 237 98,8 Al97Mg3 2,7 0,888 150 62,6 Blei 11,34 0,129 35 23,9 Bronze 8,8 0,377 62 18,7 Chrom 6,92 0,44 91 29,9 Cr-Ni-Stahl

7,8 0,5 15 3,8 (X12CrNi18,8) Eisen 7,86 0,452 81 22,8 Gold 19,26 0,129 316 127,2 Gusseisen 7,8 0,54 46 11 Stahl (<0,4%C) 7,85 0,465 50 13,5

Kupfer 8,93 0,382 399 117

Magnesium 1,74 1,02 156 87,9

Mangan 7,42 0,473 21 6 Molybdän 10,2 0,251 138 53,9 Natrium 9,71 1,22 133 11,2 Nickel 8,85 0,448 91 23 Platin 21,37 0,133 71 25 Silber 10,5 0,235 427 173 Titan 4,5 0,522 22 9,4 Wolfram 19 0,134 173 67,9 Zink 7,1 0,387 121 44 Zinn, weiß 7,29 0,225 67 40,8

Formel zur Berechnung der Temperaturleitfähigkeit:

pca

⋅=

ρλ

Fourier-DGL für Beschreibung von Wärmetransport:

Tat

T ∆⋅=∂∂

Aluminium wird außer in der Lebensmitteltechnik fast immer in Form von Legierungen mit

Magnesium, Silizium und weiteren Zusätzen verwendet, beispielsweise AlMg3 hat eine

Wärmeleitfähigkeit von 135-160 W m-1 K-1 bei 23C (aus

http://www.goodfellow.com/csp/active/gfHome.csp)


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11. Exkurs 2: YAG Laser

(From “Encyclopedia of Laser Physics and Technology” , 2008, www.rp-photonics.com)

Definition: lasers based on YAG (yttrium aluminum garnet) crystals, usually Nd:YAG

The term YAG laser is usually used for solid-state lasers based on neodymium-doped YAG (Nd:YAG, more precisely Nd3+:YAG), although there are other rare-earth-doped YAG crystals, e.g. with ytterbium, erbium, thulium or holmium doping (see below). YAG is the acronym for yttrium aluminum garnet (Y3Al 5O12), a synthetic crystal material which became popular in the form of laser crystals in the 1960s. Yttrium ions in YAG can be replaced with laser-active rare earth ions without strongly affecting the lattice structure, because these ions have a similar size.

YAG is a host medium with favorable properties, particularly for high-power lasers and Q-switched lasers emitting at 1064 nm.

YAG lasers are in many cases bulk lasers made from discrete optical elements. However, there are also monolithic YAG lasers, e.g. microchip lasers and nonplanar ring oscillators.

The most popular alternatives to Nd:YAG among the neodymium-doped gain media are Nd:YVO4 and Nd:YLF. Nd:YAG lasers nowadays also have to compete with Yb:YAG lasers (see below).

Properties of Nd:YAG

Nd:YAG is a four-level gain medium (except for the 946-nm transition as discussed below), offering substantial laser gain even for moderate excitation levels and pump intensities. The gain bandwidth is relatively small, but this allows for a high gain efficiency and thus low threshold pump power.

Nd:YAG lasers can be diode pumped or lamp pumped. Lamp pumping is possible due to the broadband pump absorption mainly in the 800-nm region and the four-level characteristics.

Figure 1: Energy level structure and common pump and laser transitions of the trivalent neodymium ion in

Nd3+:YAG.


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The most common Nd:YAG emission wavelength is 1064 nm. Starting with that wavelength, outputs at 532, 355 and 266 nm can be generated by frequency doubling, frequency tripling and frequency quadrupling, respectively. Other emission lines are at 946, 1123, 1319, 1338 and 1444 nm. When used at the 946-nm transition, Nd:YAG is a quasi-three-level gain medium, requiring significantly higher pump intensities.

Nd:YAG is usually used in monocrystalline form, fabricated with the Czochralski growth method, but there is also ceramic (polycrystalline) Nd:YAG available in high quality and in large sizes. For both monocrystalline and ceramic Nd:YAG, absorption and scattering losses within the length of a laser crystal are normally negligible, even for relatively long crystals.

Typical neodymium doping concentrations are of the order of 1 at. %. High doping concentrations can be advantageous e.g. because they reduce the pump absorption length, but too high concentrations lead to quenching of the upper-state lifetime e.g. via upconversion processes. Also, the density of dissipated power can become too high in high-power lasers. Note that the neodymium doping density does not necessarily have to be the same in all parts; there are composite laser crystals with doped and undoped parts, or with parts having different doping densities.

Property Value

chemical formula Nd3+:Y3Al5O12

crystal structure cubic

mass density 4.56 g/cm3

Moh hardness 8–8.5

Young's modulus 280 GPa

tensile strength 200 MPa

melting point 1970 °C

thermal conductivity 10–14 W / (m K)

thermal expansion coefficient 7–8 × 10−6/K

thermal shock resistance parameter 790 W/m

birefringence none (only thermally induced)

refractive index at 1064 nm 1.82

temperature dependence of refractive index 7–10 × 10−6/K

Nd density for 1 at. % doping 1.36 × 1020 cm−3

fluorescence lifetime 230 µs

absorption cross section at 808 nm 7.7 × 10−20 cm2

emission cross section at 1064 nm 28 × 10−20 cm2

gain bandwidth 0.6 nm

Table 1: Some properties of Nd:YAG = neodymium-doped yttrium aluminum garnet.


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Other Laser-active Dopants in YAG

In addition to Nd:YAG, there are several YAG gain media with other laser-active dopants: • Ytterbium – Yb:YAG emits typically at either 1030 nm (strongest line) or 1050 nm

(→ ytterbium-doped gain media). It is often used in, e.g., thin-disk lasers.

• Erbium – Pulsed Er:YAG lasers, often lamp-pumped can emit at 2.94 µm and are used in, e.g., dentistry and for skin resurfacing. Er:YAG can also emit at 1645 nm [2] and 1617 nm.

• Thulium – Tm:YAG lasers emit at wavelengths around 2 µm, with wavelength tunability in a range of ∼ 100 nm width.

• Holmium – Ho:YAG emits at still longer wavelengths around 2.1 µm. Q-switched Ho:YAG lasers are used e.g. to pump mid-infrared OPOs. There are also holmium-doped laser crystals with codopants, e.g. Ho:Cr:Tm:YAG.

• Chromium – Cr4+:YAG lasers emit around 1.35–1.55 µm and are often pumped with Nd:YAG lasers at 1064 nm. Their broad emission bandwidth makes them suitable for generating ultrashort pulses. Note that Cr4+:YAG is also widely used as a saturable absorber material for Q-switched lasers in the 1-µm region.

Neodymium- or ytterbium-doped YAG lasers in the 1-µm region in conjunction with frequency doublers are often the basis of green lasers, particularly when high powers are required.

Bibliography

[1] J. E. Geusic et al., “Laser oscillations in Nd-doped yttrium aluminum, yttrium gallium and gadolinium garnets”, Appl. Phys. Lett. 4 (10), 182 (1964)

[2] D. Y. Shen et al., “Highly efficient in-band pumped Er:YAG laser with 60 W of output at 1645 nm”, Opt. Lett. 31 (6), 754 (2006)


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12. Exkurs 3: Beispiel Messung der Pulsenergie in Abhängigkeit der Repetitionszeit und Anpassung

0,0 0,5 1,0 1,5

0

1

2

3

4

5

6

Pul

sene

rgie

[mJ]

Repetitionszeit [ms]

Pulsenergie Anpassung: y = A1*(1-exp(-t/t1))

ModellPulsenergievsRepzeit (User)

Gleichungy = A1*(1-exp(-t/t1))

Chi-Quadr Reduziert

0,03213

Kor. R-Quadrat 0,98793

Wert Standardfehler

Pulsenergie A1 5,55893 0,09349

Pulsenergie t1 0,22718 0,00935

Messdaten wurden mit 1,6 mm Modenblende bei 14 A Lampenstrom und Variation der Repetitionsrate von 100 Hz bis 30 kHz aufgenommen. Eine Anpassung der Funktion

11( ) (1 )

t

ty t A e−

= ⋅ − an die Messdaten ergibt eine Zeitkonstante t1 von ca. 230 µs.


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Bohren und Gravieren - fb06.fh-muenchen.de · Galvanometer-Scanners mindestens eine metallische und...

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