Neuigkeiten – Warum verwenden wir Nd:YAG-Kristalle als Verstärkungsmedium im DPSS-Laser?

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Was ist ein Laser Gain Medium?

Ein Laserverstärkungsmedium ist ein Material, das Licht durch stimulierte Emission verstärkt. Werden die Atome oder Moleküle des Mediums auf höhere Energieniveaus angeregt, können sie bei der Rückkehr in einen niedrigeren Energiezustand Photonen einer bestimmten Wellenlänge emittieren. Dieser Prozess verstärkt das durch das Medium hindurchtretende Licht, was für den Laserbetrieb von grundlegender Bedeutung ist.

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Was ist das übliche Gain-Medium?

Das Verstärkungsmedium kann variiert werden, einschließlichGase, Flüssigkeiten (Farbstoffe), Feststoffe(mit Seltenerd- oder Übergangsmetallionen dotierte Kristalle oder Gläser) und Halbleiter.FestkörperlaserBeispielsweise werden häufig Kristalle wie Nd:YAG (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) oder mit Seltenerdelementen dotierte Gläser verwendet. Farbstofflaser verwenden in Lösungsmitteln gelöste organische Farbstoffe, und Gaslaser nutzen Gase oder Gasgemische.

Laserstäbe (von links nach rechts): Rubin, Alexandrit, Er:YAG, Nd:YAG

Die Unterschiede zwischen Nd (Neodym), Er (Erbium) und Yb (Ytterbium) als Verstärkungsmedien

beziehen sich in erster Linie auf ihre Emissionswellenlängen, Energieübertragungsmechanismen und Anwendungen, insbesondere im Zusammenhang mit dotierten Lasermaterialien.

Emissionswellenlängen:

- Er: Erbium emittiert typischerweise bei 1,55 µm, was im augensicheren Bereich liegt und aufgrund seines geringen Verlusts in Glasfasern für Telekommunikationsanwendungen äußerst nützlich ist (Gong et al., 2016).

- Yb: Ytterbium emittiert häufig etwa 1,0 bis 1,1 µm und eignet sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Hochleistungslaser und -verstärker. Yb wird häufig als Sensibilisator für Er verwendet, um die Effizienz Er-dotierter Geräte durch Energieübertragung von Yb auf Er zu steigern.

- Nd: Neodym-dotierte Materialien emittieren typischerweise etwa 1,06 µm. Nd:YAG beispielsweise ist für seine Effizienz bekannt und wird häufig sowohl in industriellen als auch in medizinischen Lasern eingesetzt (Y. Chang et al., 2009).

Energieübertragungsmechanismen:

Er- und Yb-Kodotierung: Die Kodotierung von Er und Yb in einem Wirtsmedium trägt zur Verstärkung der Emission im Bereich von 1,5–1,6 µm bei. Yb wirkt als effizienter Sensibilisator für Er, indem es Pumplicht absorbiert und Energie auf Er-Ionen überträgt, was zu einer verstärkten Emission im Telekommunikationsband führt. Dieser Energietransfer ist entscheidend für den Betrieb von Er-dotierten Faserverstärkern (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).

- Nd: Nd benötigt typischerweise keinen Sensibilisator wie Yb in Er-dotierten Systemen. Die Effizienz von Nd beruht auf der direkten Absorption von Pumplicht und der anschließenden Emission, was es zu einem unkomplizierten und effizienten Laserverstärkungsmedium macht.

Anwendungen:

- Äh:Wird hauptsächlich in der Telekommunikation eingesetzt, da die Emission bei 1,55 µm liegt, was dem minimalen Verlustfenster von Quarzglasfasern entspricht. Er-dotierte Verstärkungsmedien sind für optische Verstärker und Laser in Glasfaser-Fernkommunikationssystemen von entscheidender Bedeutung.

- Yb:Wird häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt, da seine relativ einfache elektronische Struktur effizientes Diodenpumpen und hohe Leistungsabgabe ermöglicht. Yb-dotierte Materialien werden auch zur Leistungssteigerung von Er-dotierten Systemen eingesetzt.

- Nd: Gut geeignet für ein breites Anwendungsspektrum, vom industriellen Schneiden und Schweißen bis hin zu medizinischen Lasern. Nd:YAG-Laser werden besonders wegen ihrer Effizienz, Leistung und Vielseitigkeit geschätzt.

Warum haben wir Nd:YAG als Verstärkungsmedium im DPSS-Laser gewählt?

Ein DPSS-Laser ist ein Lasertyp, der ein Festkörper-Verstärkungsmedium (z. B. Nd:YAG) verwendet, das von einer Halbleiterlaserdiode gepumpt wird. Diese Technologie ermöglicht kompakte, effiziente Laser, die hochwertige Strahlen im sichtbaren bis infraroten Spektrum erzeugen können. Für einen ausführlichen Artikel können Sie in renommierten wissenschaftlichen Datenbanken oder bei Verlagen nach umfassenden Übersichten zur DPSS-Lasertechnologie suchen.

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Nd:YAG wird aus mehreren Gründen häufig als Verstärkungsmedium in halbleitergepumpten Lasermodulen verwendet, wie verschiedene Studien belegen:

1. Hohe Effizienz und Leistungsabgabe: Der Entwurf und die Simulationen eines diodenseitig gepumpten Nd:YAG-Lasermoduls zeigten eine signifikante Effizienz. Ein diodenseitig gepumpter Nd:YAG-Laser lieferte eine maximale Durchschnittsleistung von 220 W und hielt gleichzeitig die Energie pro Puls über einen weiten Frequenzbereich konstant. Dies weist auf die hohe Effizienz und das Potenzial für eine hohe Ausgangsleistung von Nd:YAG-Lasern hin, wenn sie mit Dioden gepumpt werden (Lera et al., 2016).
2.Betriebliche Flexibilität und ZuverlässigkeitNd:YAG-Keramiken arbeiten nachweislich effizient bei verschiedenen Wellenlängen, einschließlich augenverträglicher Wellenlängen, mit hoher optisch-optischer Effizienz. Dies unterstreicht die Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit von Nd:YAG als Verstärkungsmedium in verschiedenen Laseranwendungen (Zhang et al., 2013).
3.Langlebigkeit und StrahlqualitätDie Forschung an einem hocheffizienten, diodengepumpten Nd:YAG-Laser unterstrich dessen Langlebigkeit und konstante Leistung und belegte damit die Eignung von Nd:YAG für Anwendungen, die langlebige und zuverlässige Laserquellen erfordern. Die Studie berichtete von einem Langzeitbetrieb mit mehr als 4,8 x 10^9 Schüssen ohne optische Schäden und unter Beibehaltung der hervorragenden Strahlqualität (Coyle et al., 2004).
4. Hocheffizienter Dauerstrichbetrieb:Studien haben den hocheffizienten Dauerstrichbetrieb (CW) von Nd:YAG-Lasern nachgewiesen und ihre Wirksamkeit als Verstärkungsmedium in diodengepumpten Lasersystemen unterstrichen. Dies umfasst hohe optische Konversions- und Steigungseffizienzen, was die Eignung von Nd:YAG für hocheffiziente Laseranwendungen weiter unterstreicht (Zhu et al., 2013).

Die Kombination aus hoher Effizienz, Leistungsabgabe, Betriebsflexibilität, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und hervorragender Strahlqualität macht Nd:YAG zu einem bevorzugten Verstärkungsmedium in halbleitergepumpten Lasermodulen für eine breite Palette von Anwendungen.

Referenz

Chang, Y., Su, K., Chang, H., & Chen, Y. (2009). Kompakter, effizienter, gütegeschalteter, augensicherer Laser bei 1525 nm mit einem doppelenddiffusionsgebundenen Nd:YVO4-Kristall als selbst-Raman-Medium. Optics Express, 17(6), 4330-4335.

Gong, G., Chen, Y., Lin, Y., Huang, J., Gong, X., Luo, Z., & Huang, Y. (2016). Wachstum und spektroskopische Eigenschaften von Er:Yb:KGd(PO3)_4-Kristallen als vielversprechendes 155-µm-Laserverstärkungsmedium. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). Experimentelles Modell eines Er/Yb-Verstärkungsmediums für Faserverstärker und Laser. Journal of the Optical Society of America B.

Lera, R., Valle-Brozas, F., Torres-Peiró, S., Ruiz-de-la-Cruz, A., Galán, M., Bellido, P., Seimetz, M., Benlloch, J. & Roso, L. (2016). Simulationen des Verstärkungsprofils und der Leistung eines diodenseitig gepumpten QCW-Nd:YAG-Lasers. Angewandte Optik, 55(33), 9573-9576.

Zhang, H., Chen, X., Wang, Q., Zhang, X., Chang, J., Gao, L., Shen, H., Cong, Z., Liu, Z., Tao, X., & Li, P. (2013). Hocheffizienter, augensicherer Nd:YAG-Keramiklaser mit einer Wellenlänge von 1442,8 nm. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.

Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., & Poulios, D. (2004). Effizienter, zuverlässiger, langlebiger, diodengepumpter Nd:YAG-Laser für die weltraumgestützte topografische Höhenmessung der Vegetation. Angewandte Optik, 43(27), 5236-5242.

Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D., & Duan, Y. (2013). Hocheffiziente Dauerstrich-Nd:YAG-Keramiklaser bei 946 nm. Laser Physics Letters, 10.

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