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

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Was ist ein Laserverstärkungsmedium?

Ein Laserverstärkungsmedium ist ein Material, das Licht durch stimulierte Emission verstärkt. Werden die Atome oder Moleküle des Mediums auf höhere Energieniveaus angeregt, emittieren sie beim Übergang in einen niedrigeren Energiezustand Photonen einer bestimmten Wellenlänge. Dieser Prozess verstärkt das durch das Medium hindurchtretende Licht und ist somit grundlegend für die Laserfunktion.

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Was ist die übliche Verstärkungseinstellung?

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-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) oder mit Seltenerdelementen dotierte Gläser verwendet. Farbstofflaser nutzen organische Farbstoffe, die in Lösungsmitteln gelöst sind, und Gaslaser verwenden 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 vor allem auf ihre Emissionswellenlängen, Energietransfermechanismen und Anwendungen, insbesondere im Kontext von dotierten Lasermaterialien.

Emissionswellenlängen:

- Er: Erbium emittiert typischerweise bei 1,55 µm, was im augensicheren Bereich liegt und aufgrund seiner geringen Verluste in optischen Fasern für Telekommunikationsanwendungen sehr nützlich ist (Gong et al., 2016).

Ytterbium (Yb) emittiert häufig im Bereich von 1,0 bis 1,1 µm und eignet sich daher für ein breites Anwendungsspektrum, darunter Hochleistungslaser und Verstärker. Yb wird oft als Sensibilisator für Erbium (Er) eingesetzt, um die Effizienz erdmetalldotierter Bauelemente durch Energieübertragung von Yb auf Er zu steigern.

- Nd: Neodym-dotierte Materialien emittieren typischerweise um 1,06 µm. Nd:YAG ist beispielsweise für seine Effizienz bekannt und wird in Industrie- und Medizinlasern weit verbreitet eingesetzt (Y. Chang et al., 2009).

Energietransfermechanismen:

- Er- und Yb-Kodotierung: Die Kodotierung eines Wirtsmediums mit Erbium (Er) und Yttrium (Yb) ist vorteilhaft für die Steigerung der Emission im Bereich von 1,5–1,6 µm. 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 Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFA) (DK Vysokikh et al., 2023).

Nd: Nd benötigt im Gegensatz zu Yb in Er-dotierten Systemen üblicherweise keinen Sensibilisator. Die Effizienz von Nd beruht auf der direkten Absorption des Pumplichts und der anschließenden Emission, wodurch es ein unkompliziertes und effizientes Laserverstärkungsmedium darstellt.

Anwendungsbereiche:

- Er:Erbium-dotierte Verstärkungsmedien werden aufgrund ihrer Emission bei 1,55 µm, die mit dem verlustärmsten Bereich von Quarzglasfasern übereinstimmt, hauptsächlich in der Telekommunikation eingesetzt. Erbium-dotierte Verstärkungsmedien sind für optische Verstärker und Laser in Glasfaser-Fernkommunikationssystemen unerlässlich.

- Yb:Aufgrund seiner relativ einfachen elektronischen Struktur, die effizientes Diodenpumpen und hohe Ausgangsleistungen ermöglicht, wird es häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Yb-dotierte Materialien dienen außerdem der Leistungssteigerung von Er-dotierten Systemen.

- NdNd:YAG-Laser eignen sich hervorragend für ein breites Anwendungsspektrum, vom industriellen Schneiden und Schweißen bis hin zu medizinischen Lasern. Sie werden insbesondere 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 (wie Nd:YAG) nutzt, das von einer Halbleiterlaserdiode gepumpt wird. Diese Technologie ermöglicht kompakte und effiziente Laser, die qualitativ hochwertige Strahlen im sichtbaren bis infraroten Spektrum erzeugen. Für einen detaillierten Artikel empfiehlt sich die Suche nach umfassenden Übersichten zur DPSS-Lasertechnologie in renommierten wissenschaftlichen Datenbanken oder bei Fachverlagen.

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

1. Hohe Effizienz und hohe LeistungsabgabeDie Entwicklung und Simulation eines diodenseitig gepumpten Nd:YAG-Lasermoduls demonstrierten eine signifikante Effizienz. Der diodenseitig gepumpte Nd:YAG-Laser lieferte eine maximale mittlere Leistung von 220 W bei konstanter Pulsenergie über einen weiten Frequenzbereich. Dies belegt die hohe Effizienz und das Potenzial für hohe Ausgangsleistungen von Nd:YAG-Lasern bei Diodenpumpung (Lera et al., 2016).
2. Betriebliche Flexibilität und ZuverlässigkeitEs hat sich gezeigt, dass Nd:YAG-Keramiken bei verschiedenen Wellenlängen, einschließlich augensicherer Wellenlängen, effizient arbeiten und eine hohe optisch-optische Effizienz aufweisen. Dies beweist 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 hob dessen Langlebigkeit und konstante Leistung hervor und belegte damit die Eignung von Nd:YAG für Anwendungen, die robuste und zuverlässige Laserquellen erfordern. Die Studie berichtete von einem Langzeitbetrieb mit mehr als 4,8 × 10⁹ Schüssen ohne optische Beschädigung bei gleichzeitig exzellenter Strahlqualität (Coyle et al., 2004).
4. Hocheffizienter Dauerstrichbetrieb:Studien haben den hocheffizienten Dauerstrichbetrieb (CW) von Nd:YAG-Lasern demonstriert und deren Effektivität als Verstärkungsmedium in diodengepumpten Lasersystemen unterstrichen. Dies umfasst hohe optische Konversions- und Steigungseffizienzen, was die Eignung von Nd:YAG für hocheffiziente Laseranwendungen weiter belegt (Zhu et al., 2013).

Die Kombination aus hoher Effizienz, Ausgangsleistung, Betriebsflexibilität, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und hervorragender Strahlqualität macht Nd:YAG zu einem bevorzugten Verstärkungsmedium in halbleitergepumpten Lasermodulen für ein breites Anwendungsgebiet.

Referenz

Chang, Y., Su, K., Chang, H. & Chen, Y. (2009). Kompakter, effizienter gütegeschalteter, augensicherer Laser bei 1525 nm mit einem beidseitig diffusionsgebundenen 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 des Er:Yb:KGd(PO3)_4-Kristalls als vielversprechendes Lasermedium für 155 µm. Optical Materials Express, 6, 3518–3526.

Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). Experimentbasiertes Modell des 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, D. B., Kay, R., Stysley, P. & Poulios, D. (2004). Effizienter, zuverlässiger, langlebiger, diodengepumpter Nd:YAG-Laser für die weltraumgestützte topografische Altimetrie der Vegetation. Applied Optics, 43(27), 5236–5242.

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

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