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

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.