Technische Optik in der Praxis

10 Neue Laser
Mehr als 40 Jahre Entwicklung haben Festkörperlaser XE zu attraktiven
Strahlquellen für Forschung und Industrie gemacht. Ihr Anwendungsbereich
erstreckt sich von der Grundlagenforschung über Life Science und Metrologie
bis in die industrielle Fertigung. Die meisten der heutigen Anwendungsfelder
erfordern kompakte Laserquellen mit hohem Wirkungsgrad, exzellenter
Strahlqualität und geringem Wartungsaufwand. Diese Anforderungen können
in idealer Weise mit diodengepumpten Festkörperlasern erfüllt werden.
Die häufigsten aktiven Materialien für diodengepumpte Festkörperlaser
sind Neodym bzw. Ytterbium dotierte Granate, wie Nd:YAG mit einer Emissionswellenlänge
von 1064 nm und Yb:YAG mit einer Emissionswellenlänge
um 1030 nm. Neben diesen gebräuchlichsten aktiven Materialien wurden zahlreiche
andere Lasermaterialien für den Laserbetrieb im nahen und mittleren
Infrarot entwickelt (Tabelle 10.1).
Typischerweise werden Laserstäbe als aktives Material verwendet. Diese
Geometrie lässt sich am einfachsten fertigen und liefert ein rundes Strahlprofil,wieesfür
die meisten Anwendungen bevorzugt wird. Andere Geometrien,
wie zum Beispiel Slabs mit rechteckigem Querschnitt, sind ebenfalls
gebräuchlich.
Konventionelle Festkörperlaser verwenden Blitz- bzw. Bogenlampen zur
Anregung des Laserprozesses. Jedoch führt der geringe Überlapp des breiten
Emissionsspektrums der Lampen mit den schmalen Absorptionslinien
des aktiven Materials zu einem geringen Wirkungsgrad. Typisch werden
weniger als 3% der elektrischen Anschlussleistung eines lampengepumpten
Festkörperlasers in Laserstrahlung umgewandelt [1].
Ferner wird durch die Stokes-Shift, der Energiedifferenz zwischen
Anregungs- und Emissionswellenlänge, Wärme im aktiven Material deponiert,
was die maximal erzielbare Ausgangsleistung und Strahlqualität eines
Lasers beeinträchtigt. Da die Wärme im gesamten Volumen des Laserkristalls
entsteht, die Wärmeableitung aber nur über die Mantelflächen erfolgen
kann, entsteht innerhalb des Kristalls ein Temperaturgradient von innen
nach außen, welcher aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Brechungs-
Tabelle 10.1. Emissions und Anregungswellenlängen für einige der gebräuchlichsten
Lasermaterialien
Laser Material Emissionswellenlänge Anregungswellenlänge
Nd:YAG, Nd:YVO 1064 nm 808 nm
Yb:YAG 1030 nm 940 nm
Tm:YAG 2.1 µm 780 nm
Er:YAG 3.0 µm 795 nm, 975 nm