Laser: Die Grundlagen verstehen

Das eigentliche Q-Switch-Gerät ist ein akusto-optischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator (EOM). Beide verwenden Kristalle, bei denen ein angelegtes elektrisches Feld eine gewisse Störung der optischen Eigenschaften des Kristalls hervorruft. Bei akustooptischen Modulatoren ist das angelegte elektrische Feld eine Hochfrequenzspannung, die im Kristall eine hochfrequente Schallwelle erzeugt. Diese Schallwelle beugt die Photonen des Lasers und verhindert eine Laserverstärkung. EOMs verwenden stattdessen eine angelegte Hochspannung, die den Brechungsindex des Kristalls verändert und die Polarisation des einfallenden Lichts verändert; Eine geeignete Kombination polarisationsempfindlicher Optiken kann im Hohlraum platziert werden, um zu verhindern, dass Licht mit veränderter Polarisation zirkuliert. Andere Lasertypen, wie z. B. Excimer-Laser, benötigen keinen Güteschalter, um Nanosekundenimpulse zu erzeugen, sondern basieren auf einem Transienten Pumpimpuls: Excimer-Laserimpulse werden durch Anregung des Edelgas-Halogen-Gemisches mit einer starken und kurzen elektrischen Entladung erzeugt. Ti:Saphir-Laser können auch Nanosekundenimpulse erzeugen, wenn sie mit einem Nanosekundenimpuls grünen Lichts gepumpt werden, der von einem frequenzverdoppelten, gütegeschalteten YAG-Laser erzeugt wird. Diese Methode wird Verstärkungsumschaltung genannt, da die Hohlraumverstärkung und nicht der Hohlraumverlust direkt geändert wird. Gütegeschaltete Laser finden neben einer Vielzahl industrieller Anwendungen auch wichtige Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung. Eine davon ist das Pumpen von ultraschnellen Ti:Saphir-Verstärkern (im folgenden Abschnitt beschrieben) unter Verwendung des frequenzverdoppelten (grünen) Ausgangs eines gütegeschalteten Nd:YAG oder Nd:YLF bei 1–10 kHz. Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit dem YAG- oder YLF-Laser Energien pro Impuls im Joule-Bereich bei 1–100 Hz zu erzeugen. Diese Laser werden häufig mit nichtlinearen optischen Generatoren verwendet, die abstimmbare Wellenlängen im UV-, sichtbaren und IR-Bereich erzeugen können, was zeit- und wellenlängenaufgelöste Untersuchungen ermöglicht. Heutzutage werden die meisten YAG- oder YLF-Laser, die bei >100 Hz arbeiten, diodengepumpt, während hochenergetische 10-Hz-Systeme das Pumpen mit einer Blitzlampe erfordern, da Dioden nicht für die Erzeugung hochenergetischer Ausgangsimpulse geeignet sind. Für einige wissenschaftliche Anwendungen kann dies der Fall sein Es wäre wünschenswert, einen gütegeschalteten Laser mit schmaler Linienbreite zu haben. In einigen Fällen kann dies durch eine Kombination aus optischen Gittern und Etalons erreicht werden; In anderen Fällen kann der Laser mit einem CW- oder gütegeschalteten Laser mit schmaler Linienbreite geringer Leistung „geseedet“ werden, der einfacher zu steuern ist als die Stufe mit höherer Leistung. Dieser als „Injection Seeding“ bezeichnete Ansatz nutzt einen MOPA (Master-Oszillator, Leistungsverstärker) und teilt die Linienbreitenauswahl und die Hochleistungserzeugung konzeptionell in zwei Stufen auf, die optimal auf die beiden Zwecke ausgelegt sind.Ultraschnelle Laser Ultraschnelle Laser werden im Allgemeinen als Laser definiert, die Impulse im Bereich von 5 fs bis 100 ps (1 Femtosekunde = 10–15 Sekunden) erzeugen. Ist ein Laser in der Lage, in vielen Longitudinalmoden zu schwingen, können solche kurzen Pulse mit der sogenannten Mode-Locking-Technik erzeugt werden. Bei dieser Technik sind die Moden phasenverriegelt (Modenkopplungsregime) und ihre kohärente Interferenz führt dazu, dass das optische Feld innerhalb des Hohlraums in einen einzelnen Impuls zusammenfällt, der sich im Laserhohlraum hin und her bewegt. Jedes Mal, wenn der Impuls den Ausgangsspiegel erreicht, wird ein Teil davon ausgekoppelt und steht zur Verfügung.

Die Physik zeigt, dass die Pulsdauer umso kürzer ist, je mehr Moden interferieren (Abbildung 7). Da größere Laserbandbreiten eine größere Anzahl von Schwingungsmoden unterstützen, ist die Pulsdauer umgekehrt proportional zur Bandbreite des Laserverstärkungsmaterials. Ohne Dispersion sind diese Impulse zeitlich bandbreitenbegrenzt, dh sie haben die kürzestmögliche Länge für eine gegebene Bandbreite.

Ultraschnelle Impulse sind in der Forschung von großem Nutzen; Dank der kurzen Pulsdauer und der hohen Spitzenleistung ermöglichte die Einführung von Femtosekundenlasern in den 1990er Jahren bahnbrechende Forschungen, die zu Nobelpreisen für Femtochemie (Pump-Probe-Spektroskopie) und optische Kammerzeugung führten. Femtosekundenlaser haben auch Multiphotonenanregungstechniken (MPE) ermöglicht, die eine dreidimensionale Abbildung von lebendem Gewebe ermöglichen. MPE wird mittlerweile in mehreren Bereichen der biologischen Forschung, insbesondere in den Neurowissenschaften, häufig eingesetzt.

Bei vielen wichtigen Anwendungen müssen die ultraschnellen Impulse mit einer von mehreren Methoden verstärkt werden, beispielsweise mit regenerativer Verstärkung oder einem Master-Oszillator-Leistungsverstärker-Ansatz (MOPA). Die Impulsverstärkung erfordert normalerweise eine Reduzierung der Wiederholungsrate, daher wählt ein Impulswähler die zu verstärkenden Oszillatorimpulse in einer oder mehreren Verstärkerstufen aus. Bei Femtosekundenlasern kann die hohe Spitzenleistung der verstärkten Pulse zu Schäden an der Laseroptik führen. Aus diesem Grund wird der Verstärkung meist eine Streckung des Pulses (Chirping) auf 50 bis 200 ps vorangestellt. Der verstärkte Impuls wird dann erneut in den fs-Bereich komprimiert. Dies wird allgemein als Chirped Pulse Amplification oder CPA bezeichnet.

In der wissenschaftlichen Forschung werden verstärkte ultraschnelle Impulse für vielfältige Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören Photochemie, Pump-Probe-Spektroskopie, Terahertz (THz)-Erzeugung und die Erzeugung beschleunigter Elektronen und anderer kleiner geladener Teilchen. Die Impulse können auch die nichtlineare Erzeugung von Licht im extremen UV-Bereich mit Impulsbreiten von mehreren zehn Attosekunden antreiben.

In industriellen Anwendungen werden verstärkte ultraschnelle Impulse zunehmend in Materialverarbeitungsanwendungen eingesetzt, die eine Ablation oder Materialmodifikation ohne verbleibende thermische Wirkung und/oder im Submikrometerbereich erfordern. Beispiele hierfür sind die Dünnschichtstrukturierung bei der Herstellung von Flachbildschirmen. Ultrakurzpulslaser werden zunehmend auch zum Schneiden von gehärtetem Glas für Touchscreens eingesetzt. Dabei kommt ein Verfahren namens Filamentationsschneiden zum Einsatz, das mit anderen Lasern nicht durchgeführt werden kann. Diese Methode erzeugt eine unübertroffene Kantenqualität und kann geschwungene Formen und Ausschnitte erzeugen.

Ultraschnelle Lasermaterialien

Bis vor Kurzem stützten sich wissenschaftliche Ultrakurzpulslaser aufgrund seiner großen Bandbreite und seines breiten Abstimmbereichs hauptsächlich auf Titan:Saphir (Ti:Saphir). Komplette kommerzielle Ti:Saphir-Laser können Impulse von nur 6 fs liefern. Ti:Saphir-Laser werden typischerweise mit einem CW-Pumplaser mit grüner Wellenlänge gepumpt. Typische Wiederholungsraten von Ti:Saphir-Oszillatoren liegen bei 50 bis 100 MHz und Spitzenleistungen von mehreren hundert Kilowatt.

Die gebräuchlichsten CPA-Systeme auf Basis von Ti:Saphir arbeiten mit 1 bis 10 kHz, wobei die Verstärkerstufen durch grüne Nanosekundenlaser mit Energie versorgt werden. Ti:Saphir-CPA-Systeme sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, Pulsenergien von mehreren Millijoule mit Pulsbreiten von nur 20 fs zu erzeugen. Kundenspezifische CPA-Systeme auf Basis von Ti:Saphir können sogar Spitzenleistungen im Petawatt-Bereich erzeugen.

Industrielle Ultrakurzpulslaser benötigen typischerweise hohe Wiederholungsraten und eine hohe Leistung, um einen wirtschaftlich sinnvollen Durchsatz in der Anwendung aufrechtzuerhalten. Bis vor kurzem waren die meisten davon MOPA-Systeme, die auf Nd-dotierten Massenmaterialien (z. B. YAG oder Glas) oder Fasern oder einer Kombination aus beiden basierten. Diese Laser und Verstärker bieten nachweislich die erforderliche Kombination aus Leistung und industrieller Zuverlässigkeit. Allerdings bedeutet die kleinere Verstärkungsbandbreite von Nd, dass sie auf den ps-Bereich beschränkt sind. Ihre hohe Spitzenleistung und hohe Wiederholungsrate finden Anwendung in Präzisionsmikrobearbeitungsanwendungen, insbesondere für dünne Filme und/oder für zähe Materialien wie chemisch gehärtetes Glas, unter Verwendung der gerade erwähnten Filamentierungsmethode.

Abbildung 7.Wenn sehr viele Lasermoden, die alle eine „Null“ an der gleichen Position haben, interferieren, entsteht als Überlagerung ein extrem schmaler Puls.

In den letzten 10 Jahren sind Femtosekundenlaser und -verstärker mit Ytterbium (Yb) verfügbar geworden, um den sich entwickelnden Marktanforderungen sowohl im wissenschaftlichen als auch im industriellen Bereich gerecht zu werden. Ein Beispiel ist die Monaco-Serie von One-Box-Verstärkern von Coherent.

Yb-dotierte Materialien vereinen in gewissem Maße die Vorteile von wissenschaftlichen Ti:Saphir-Lasern und Nd-basierten Industrielasern. Für die wissenschaftliche Forschung bedeutet die Verstärkungsbandbreite von Yb, dass Oszillatorimpulse nur 50 fs kurz sein können, was für viele Anwendungen, insbesondere in der MPE-Mikroskopie, mehr als ausreichend ist. Im Gegensatz zu Ti:Saphir kann Yb direkt diodengepumpt und in einem Faserformat verwendet werden, was eine skalierbarere Leistung als Bulk-Gain-Materialien ermöglicht, die oft durch Kühlungs- und thermische Linsenprobleme eingeschränkt sind. Dies bedeutet, dass Yb-Faser-MOPA-Verstärker flexible Wiederholungsraten von bis zu mehreren zehn MHz liefern können. Bei Verwendung zum Pumpen optischer parametrischer Geräte ist die resultierende Ausgabe vollständig von UV- bis mittleren IR-Wellenlängen abstimmbar, was Vorteile für Anwendungen wie die Spektroskopie fortschrittlicher Materialien oder die funktionelle biologische Bildgebung bietet. Es ist zu beachten, dass für wissenschaftliche Anwendungen, die extrem kurze (>6 fs) Pulsbreiten und/oder hohe Pulsenergien erfordern, Ti:Saphir derzeit das bevorzugte Verstärkungsmaterial bleibt und beide Medien in absehbarer Zukunft nebeneinander existieren werden.

Für industrielle Anwendungen liegt der Hauptvorteil von Yb-Faserverstärkern in der Kombination aus hoher Spitzenleistung und hoher Durchschnittsleistung im Femtosekundenbereich, im Gegensatz zu Nd-Systemen mit Pikosekunden-Pulsbreiten. Femtosekundenlaserpulse haben gegenüber Pikosekundenpulsen für die Materialbearbeitung zwei Vorteile. Erstens umfasst die Materialwechselwirkung viele gleichzeitige Photonen und wird im Gegensatz zur linearen Absorption im Nanosekundenbereich einigermaßen wellenlängenunempfindlich. Zweitens bedeuten die kurzen Pulse und die nichtlineare Wechselwirkung, dass fs-Pulse eine noch bessere Kantenqualität und Präzision liefern können als ps-Pulse. Infolgedessen finden Yb-Faserverstärker schnell Anwendung in der Mikrobearbeitung von gemischtschichtigen Substraten (z. B. Polyimid auf Glas), wie sie in der Elektronik und in Displays zu finden sind.

Frequenzverdopplung und harmonische Erzeugung Trotz der großen Auswahl an kommerziell erhältlichen Lasern ist es nicht immer möglich, einen zu finden, der genau der Wellenlänge entspricht, die für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Ti:Saphir-Laser sind weitgehend abstimmbar, aber in den meisten Fällen sind sie für industrielle Anwendungen zu komplex und nicht in der Lage, den wichtigen UV-Bereich des Spektrums zu erreichen. OPSLs sind einfach und können für viele Wellenlängen im Bereich von 920 bis 1160 nm entwickelt werden, sind jedoch nicht ideal für den gepulsten Betrieb. Um die gewünschte Wellenlänge in nahezu jedem Betriebsmodus zu erreichen – CW, gepulst oder ultraschnell – bieten die Prozesse der harmonischen Frequenzumwandlung und der parametrischen Erzeugung Wellenlängenflexibilität, wenn sie in Verbindung mit den bisher beschriebenen Lasern verwendet werden. Alle diese Prozesse hängen zusammen und werden als nichtlineare Phänomene bezeichnet, da sie nichtlinear von der Laserspitzenleistung abhängen. Das heißt, sie sind proportional zum Quadrat, Drittel oder einer höheren Potenz der Laserausgangsleistung. Vereinfacht ausgedrückt: Wenn ein intensiver und/oder eng fokussierter Laserstrahl durch einen geeigneten Kristall geht, interagiert sein oszillierendes elektrisches Feld mit den Elektronen desselben den Kristall auf verschiedene Weise. Einer dieser Mechanismen verzerrt die Elektronenwolke im Kristall und polarisiert dadurch die Atome mit einer Frequenz, die der des Laserstrahls entspricht, aber auch mit einer doppelten Frequenz (nichtlineare Polarisation). Diese Frequenz entspricht einer Wellenlänge, die halb so groß ist wie die des einfallenden Lasers. Die nichtlineare Polarisation ist viel kleiner als der lineare Term, hängt jedoch vom Quadrat der Laserleistung ab und steigt daher bei Vorhandensein eines intensiven Laserpulses stärker an. Es erzeugt ein optisches Feld mit der doppelten Frequenz des ursprünglichen Laserstrahls, was zur Folge hat, dass ein Teil der einfallenden Laserleistung in die halbe ursprüngliche Wellenlänge umgewandelt wird (Second Harmonic Generation (SHG) oder Frequenzverdopplung) (Abbildung 9). Da Energie gespart werden muss, wird jede Verstärkung des SHG-Strahls gegen eine Verringerung der Leistung des ursprünglichen Strahls eingetauscht. In einigen Fällen ist es möglich, eine nahezu vollständige Umwandlung des ursprünglichen („Grund-“) Strahls in seine zweite Harmonische zu erreichen. Übliche Kristalle für SHG sind BBO, LBO und KDP. Das häufigste Beispiel für SHG ist die Umwandlung der IR-Ausgabe eines Nd-basierten Lasers bei 1064 nm in eine grüne Ausgabe bei 532 nm (grün), der beliebtesten sichtbaren Wellenlänge, die allgegenwärtig zum Pumpen von Ti:Saphir-Lasern verwendet wird.

Nano-, Piko- und Femtosekunden-OPOs sind komplexe Geräte, die in Verbindung mit gepulsten und ultraschnellen Pumplasern implementiert werden. CW-OPOs sind ebenso, wenn nicht sogar komplexer. OPAs sind einfacher zu entwerfen und zu bauen, erfordern jedoch eine energiereichere Pumpe zur Erzeugung des weißen Lichts und eine Verstärkung in einem Durchgang im Kristall. Aus diesem Grund werden sie von CPA-Piko- oder Femtosekundenverstärkern gepumpt, die mindestens mehrere Mikrojoule erzeugen. Die Hinzufügung einer oder mehrerer Stufen der harmonischen Erzeugung und Mischung zu einem OPA/OPO ergibt einen Wellenlängenbereich, der 200 nm bis 20 µm abdecken kann.Gängige Lasertypen Der am weitesten verbreitete CW-Laser war viele Jahre lang der Helium-Neon-Laser oder HeNe. Diese Laser mit geringer Leistung (einige Milliwatt) erzeugen mithilfe einer elektrischen Entladung ein Niederdruckplasma in einer Glasröhre. fast alle emittieren im roten Bereich bei 633 nm. In den letzten Jahren sind die meisten HeNe-Anwendungen auf sichtbare Laserdioden umgestiegen. Zu den typischen Anwendungen gehören Barcode-Lesegeräte, Ausrichtungsaufgaben in der Bau- und Holzindustrie sowie eine Vielzahl von Ziel- und Ausrichtungsanwendungen, die von der medizinischen Chirurgie bis zur Hochenergiephysik reichen. Tatsächlich ist die Laserdiode mit Abstand der am weitesten verbreitete Lasertyp geworden Wirklich massiver Einsatz in der gesamten Telekommunikation und Datenspeicherung (z. B. DVDs, CDs). In einer Laserdiode erzeugt der Stromfluss Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in einem pn-Übergang. Diese verbinden sich und emittieren durch stimulierte Emission Licht. Laserdioden sind als Einzelemitter mit Leistungen bis zu mehreren zehn Watt und als monolithische lineare Balken mit zahlreichen Einzelemittern erhältlich. Diese Stäbe können zu 2D-Arrays mit Gesamtausgangsleistungen im Kilowattbereich zusammengesetzt werden. Sie werden sowohl im CW- als auch im Pulsbetrieb für sogenannte Direktdiodenanwendungen eingesetzt. Noch wichtiger ist jedoch, dass Laserdioden inzwischen vielen anderen Lasertypen zugrunde liegen, wo sie als optische Pumpen verwendet werden, die die anfängliche Umwandlung von elektrischer in optische Leistung durchführen. Beispielsweise wurden CW-Anwendungen mit höherer Leistung im sichtbaren und UV-Bereich ursprünglich durch Argon unterstützt -Ionen- und Krypton-Ionen-Laser. Diese Gasphasenlaser basieren auf einer Plasmaentladungsröhre, die mit hohem Strom arbeitet. Sie sind groß und ineffizient und erzeugen eine große Wärmemenge, die aktiv abgeführt werden muss. Zudem hat die Röhre eine begrenzte Lebensdauer und stellt somit ein kostspieliges Verbrauchsmaterial dar. In den meisten früheren Anwendungen wurde der bei blauen oder grünen Wellenlängen emittierende Ionenlaser durch DPSS-Laser ersetzt. Hier ist das Verstärkungsmedium ein mit Neodym dotierter Kristall (normalerweise Nd:YAG oder Nd:YVO4), der von einer oder mehreren Laserdioden gepumpt wird. Die Nah-IR-Grundfrequenz bei 1064 nm wird dann mithilfe eines Intracavity-Verdopplungskristalls in eine grüne 532-nm-Ausgabe umgewandelt. Der DPSS-Laser wiederum wurde durch mehrere neuere Technologien herausgefordert, wobei der OPSL der erfolgreichste davon ist. Das Verstärkungsmedium ist hier ein großflächiger Halbleiterlaser, der von einer oder mehreren Laserdioden gepumpt wird. Der OPSL bietet zahlreiche Vorteile, insbesondere die Skalierbarkeit von Wellenlänge und Leistung. Konkret können diese Laser so konzipiert werden, dass sie bei praktisch jeder sichtbaren Wellenlänge arbeiten, wodurch Anwendungen endlich von den Einschränkungen der begrenzten Auswahl an herkömmlichen Wellenlängen befreit werden (z. B. 488 und 514 nm bei Argon-Ionen-Lasern und 532 nm bei frequenzverdoppelten YAG-Lasern). . Tatsächlich stellen OPSLs einen Paradigmenwechsel bei Lasern dar, da sie für die Anforderungen der Anwendung konzipiert werden können und nicht umgekehrt. OPSL ist heute eine führende Technologie für Bioinstrumentierungsanwendungen mit geringem Stromverbrauch, insbesondere bei 488 nm; Aufgrund der Leistungsskalierbarkeit und des inhärenten geringen Rauschens der OPSL-Technologie drängen grüne und gelbe Multiwatt-OPSLs nun stark auf andere Anwendungen, darunter wissenschaftliche Forschung, Forensik, Augenheilkunde und Lichtshows. Während sich YAG und andere Neodym-Kristall-Hosts für den Betrieb im CW eignen, Gütegeschaltete und modengekoppelte Operationen, Laserdioden, OPSL und Ionenlaser unterstützen keinen gütegeschalteten Betrieb und werden im modengekoppelten Bereich praktisch nicht verwendet. Bei längeren Wellenlängen verwenden Kohlendioxidlaser (CO2), die Plasmaentladung verwenden Technologie emittieren im mittleren Infrarot etwa 10 µm. Die meisten sind CW oder Pseudo-CW mit kommerziellen Ausgangsleistungen von einigen Watt bis zu mehreren Kilowatt. Eine ähnliche Technologie ist der Kohlenmonoxid (CO)-Laser, der ursprünglich in den 1960er Jahren entwickelt, aber erst 2015 wirklich industrietauglich gemacht wurde. CO-Laser emittieren im Spektralbereich von 5 bis 6 µm. Diese kürzere Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich bietet für einige Anwendungen im Vergleich zu CO2-Lasern zwei wichtige Vorteile. Der erste Grund besteht darin, dass viele Metalle, Filme, Polymere, PCB-Dielektrika, Keramiken und Verbundwerkstoffe eine deutlich unterschiedliche Absorption bei kürzeren Wellenlängen aufweisen, was manchmal vorteilhaft ausgenutzt werden kann. Der zweite Grund besteht darin, dass sie aufgrund der Beugung, die linear mit der Wellenlänge skaliert, auf kleinere Punktgrößen fokussiert werden können. Zusammengenommen ermöglichen diese Eigenschaften, dass der CO-Laser bei einigen Glasverarbeitungs-, Filmschneide- und Keramikritzanwendungen hervorragende Ergebnisse liefert. Eine weitere wichtige Technologie ist der Faserlaser, der im CW-, gütegeschalteten und modengekoppelten Format betrieben werden kann emittiert typischerweise bei etwa 1 μm (wenn die Faser mit Ytterbium dotiert ist). In einem Faserlaser wird der Resonator durch eine große Modenfläche, eine doppelt ummantelte optische Faser (wobei die äußere Ummantelung den Dotierstoff enthält) und Faser-Bragg-Gitter für Resonatorspiegel gebildet. Dieser wird von jedem Ende durch eine Reihe von Diodenlasern gepumpt, deren Ausgänge fasergekoppelt in die Verstärkungsfaser eingekoppelt sind.

Der Faserlaser bietet mehrere wichtige Vorteile. Das erste ist, dass die Ausgabe natürlich über Fasern erfolgt, was die Anbindung an viele Laser-Werkzeugmaschinen und die Integration des Lasers in Roboter-Zuführungssysteme erleichtert. Als nächstes reicht die Qualität des Faserlaserstrahls aus, um ihn in kleine Fasern zu koppeln, wodurch der Strahl auf kleine Punkte fokussiert werden kann, um die hohen Leistungsdichten zu erreichen, die zum Metallschweißen, Schneiden und anderen industriellen Prozessen erforderlich sind. Die Faserlaserarchitektur eignet sich auch für die Leistungsskalierung. Ein einziger Satz Pumpen und Verstärkungsfasern können typischerweise Ausgangsleistungen von bis zu mehreren Kilowatt erzeugen, es ist jedoch auch möglich, Faserkombinierer zu verwenden, um eine Leistungsskalierung zu ermöglichen und so Ausgangsleistungen von mehr als 10 kW zu erreichen. Schließlich haben Faserlaser im Vergleich zu CO2- und Festkörperlasern einen hohen Wirkungsgrad (die Umwandlung der eingegebenen elektrischen Energie in Laserlicht) und können auch einen geringen Wartungsaufwand aufweisen. Dies senkt die Betriebskosten.

Nd:YAG-, CO2-, Faser- und Direktdiodenlaser sind die Arbeitspferde industrieller Laseranwendungen. Insbesondere direkte Diodenlaser bieten aufgrund ihres hohen elektrischen Wirkungsgrads die niedrigsten Kosten pro Watt aller Industrielasertypen sowie die niedrigsten Betriebskosten. Direktdiodenlaser werden überwiegend für Anwendungen mit geringer Helligkeit eingesetzt, beispielsweise für die Wärmebehandlung, das Auftragschweißen und einige Schweißanwendungen. Der Nachteil besteht darin, dass Hochleistungslaserdioden oder -arrays nicht annähernd an den beugungsbegrenzten Strahl anderer Lasertypen herankommen können. Durch die Einführung der Plattenentladungstechnologie konnte das Größen-Leistungs-Verhältnis von CO2-Lasern erheblich verkleinert werden. Erhöhung ihres Nutzens in Subkilowatt-Anwendungen. Kostengünstige Wellenleiterdesigns unterstützen auch einen gesunden Markt für CO2-Laser mit Leistungen im zweistelligen Wattbereich, vor allem für Markierungs- und Gravuranwendungen.

Im letzten Jahrzehnt dominieren Hochleistungs-Faserlaser (>1 kW) Metallschneidanwendungen im Dickenbereich von 4 bis 6 mm, da sie in der Regel hervorragende Ergebnisse liefern und gleichzeitig geringere Wartungskosten als CO2-Laser mit ähnlicher Leistung aufweisen . Darüber hinaus sind Nahinfrarot-Faserlaser beim Schneiden bestimmter Metalle wie Kupfer, Aluminium und Messing von Vorteil, die aufgrund ihres hohen Reflexionsvermögens im fernen Infrarot nur schwer mit CO2 zu schneiden sind.

CO2-Laser werden weiterhin für noch dickere Materialien verwendet, aber das liegt vor allem daran, dass die Prozesse für diesen Laser optimiert wurden und die Hersteller einen gut funktionierenden Produktionsprozess nur langsam umstellen. Dies dürfte sich jedoch im Laufe der Zeit ändern. CO2-Laser mit 1 kW und weniger werden immer noch in einigen Schneidanwendungen für dünneres Metall (2 bis 4 mm) eingesetzt. Und CO2-Laser bleiben die erste Wahl, wenn sowohl Metalle als auch Nichtmetalle bearbeitet werden müssen. Dies liegt daran, dass ihre längere Wellenlänge von einer Vielzahl nichtmetallischer Materialien gut absorbiert wird, darunter Holz, Papier, Leder, Stoff, Kunststoffe und viele andere organische Materialien, während dies bei der Faserlaserleistung im nahen Infrarot nicht der Fall ist.

Nd:YAG kann die hohe Spitzenleistung für Materialverarbeitungsanwendungen wie Metallschweißen liefern. Bei diesen Schwerindustrieanwendungen ist die Rohleistung wichtiger als die Strahlqualität, und viele Jahre lang wurden diese Laser lampengepumpt. Aber die ständig steigende Leistung und Lebensdauer von Laserdioden führt dazu, dass diese Laser auf Diodenpumpen umsteigen; d. h. DPSS-Laser. Umgekehrt basieren gütegeschaltete DPSS-Laser mit geringerer Leistung häufig auf Nd:YVO4. Diese sind in der Regel für eine hohe Strahlqualität für Mikrobearbeitungs- und Mikrostrukturierungsanwendungen mit hohen Wiederholraten (bis zu 250 kHz) optimiert, um Prozesse mit hohem Durchsatz zu unterstützen. Sie sind mit Leistungen bis zu mehreren zehn Watt erhältlich und können zwischen Nah-IR- (1064 nm), grünem (532 nm) oder UV- (355 nm) Ausgang wählen. Die UV-Strahlung ist für die Erzeugung kleiner Merkmale in „empfindlichen“ Materialien beliebt, da sie auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und periphere thermische Schäden minimiert. In manchen Anwendungen kommen nun auch Tief-UV-Versionen (266 nm) zum Einsatz, aber ihre relativ hohen Kosten und die Notwendigkeit spezieller Strahlführungsoptiken führen dazu, dass viele potenzielle Anwendungen stattdessen auf 355-nm-Laser setzen, die für kurze Pulsdauern optimiert sind, was möglich ist führen bei vielen Materialien zu ähnlichen Ergebnissen. Excimere stellen eine weitere wichtige gepulste Lasertechnologie dar. Sie können im gesamten UV mehrere diskrete Wellenlängen erzeugen; Je nach Gaskombination liegt die Emission im Bereich von 157 bis 348 nm. Die Tief-UV-Linie bei 193 nm ist die am weitesten verbreitete Quelle für Lithographieprozesse in der Halbleiterindustrie. Die Wellenlänge von 308 nm wird zum Tempern von Silizium in Hochleistungsdisplays verwendet. Die gleiche Wellenlänge ist auch entscheidend für die Erzeugung einer einzigartigen, langlebigen Oberfläche auf den Zylinderlaufbuchsen von Hochleistungsdieselmotoren. Und schließlich verfügen Excimere über die einzigartige Fähigkeit, hohe Impulsenergien zu erzeugen – bis zu einem Joule pro Impuls. Dies ermöglicht das direkte Schreiben kostengünstiger elektronischer Schaltkreise für Anwendungen wie medizinische Einwegartikel. Ultraschnelle Laser für wissenschaftliche Anwendungen werden, wie bereits beschrieben, von Ti:Saphir dominiert. Ultrakurzpulslaser sind auch eine schnell wachsende Technologie für die Mikrobearbeitung und andere hochpräzise Materialbearbeitungsanwendungen. Zwar gibt es eine gewisse Vielfalt in Form und Aufbau kommerziell erhältlicher industrieller Ultrakurzpulslaser, doch nutzen sie alle eine bestimmte Grundkonfiguration. Konkret wird ein passiv modengekoppelter Oszillator verwendet, um einen Ausgang mit Impulsbreiten von etwa 10 ps oder weniger zu erzeugen, die für die Photoablation erforderlich sind. Die meisten modengekoppelten Oszillatoren erzeugen jedoch Impulse relativ niedriger Energie (im Nanojoule-Bereich) mit Wiederholungsraten im Bereich von mehreren zehn Megahertz. Die besten Ergebnisse bei der Mikrobearbeitung werden erzielt, wenn die Puls-zu-Puls-Überlappung im Bereich von 50 % bis 70 % liegt. Mit anderen Worten: Der Strahlablenkungsmechanismus bewegt den Strahl um etwa ein Drittel des Strahldurchmessers, bevor der nächste ultraschnelle Impuls eintrifft. Folglich ist eine Wiederholungsrate im Bereich von mehreren zehn Megahertz zu hoch, um mit der vorhandenen Scantechnologie verwendet zu werden. Daher wählt ein Impulswähler einen Bruchteil dieser Impulse aus. Die Energie dieser Impulse wird dann in einem Verstärker verstärkt, um die endgültige Ausgabe zu erzeugen. Die meisten kommerziellen Pikosekundenprodukte basieren auf einer der folgenden Architekturen: • Ein Faserlaseroszillator, gefolgt von einem Faser- oder Stabverstärker. • Ein Faserlaseroszillator, gefolgt von einem Freiraumverstärker. • Ein diodengepumpter Festkörperoszillator durch einen Freiraumverstärker Der Allfaseransatz (Oszillator und Verstärker) hat den Vorteil, dass er relativ kostengünstig ist und das Potenzial für Robustheit birgt. Der große Nachteil besteht darin, dass Nichtlinearitäten, Streuung und andere Effekte im Faserverstärker die maximal erreichbare Energie pro Impuls auf etwa 10 µJ (bei einer Impulsbreite von 10 ps) begrenzen. Dieses Maß an Pulsenergie kann für einige Anwendungen geeignet sein, eine große Anzahl von Anwendungen wird jedoch mit Pulsenergien im Bereich von 100 µJ bedient. Man kann Spezialfasern verwenden, um den Modus innerhalb der Faser zu erhöhen und dadurch größere Impulsenergien zu ermöglichen, aber solche Fasern führen zu begrenzten Biegeradien und bringen daher ihre eigenen Packungsbeschränkungen mit sich. Um die für die meisten Anwendungen erforderlichen höheren Pulsenergien zu erreichen, kann ein Faseroszillator mit einem Freiraumverstärker kombiniert werden. Aufgrund der relativ geringen Energieausbeute des Fasersamens wird häufig ein regenerativer Verstärker verwendet. In einem regenerativen Verstärker durchläuft ein Impuls eine große Anzahl von Durchgängen und kann daher erheblich verstärkt werden. Regenerative Verstärker haben außerdem den Vorteil, dass sie kompakt sind und eine gute Strahlleistung liefern. Der dritte Ansatz besteht darin, einen diodengepumpten Festkörperoszillator (normalerweise mit Nd:YVO4 als Verstärkungsmedium) zu verwenden, der höhere Impulsenergien erzeugen kann als ein Faserkeim. Darauf folgt ein Freiraumverstärker, typischerweise entweder in einer regenerativen oder Multipass-Konfiguration. Tatsächlich kann mehr als eine Verstärkerstufe die Leistung auf Werte von bis zu 100 W steigern. Und schließlich gibt es viele andere Arten von Nischen- und Exotenlasern, die über den Rahmen dieses Übersichtsartikels hinausgehen. Beispiele hierfür sind Raman-Laser, die in der Telekommunikation verwendet werden, Quantenkaskadenlaser, die in einigen Gassensoranwendungen verwendet werden, und chemische Laser, die tendenziell auf militärische Programme beschränkt sind.