Aus: J.Eichler, H.J.Eichler, Laser, 5.Auflage; Springer, Berlin (2003), ISBN

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1 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 1 Aus: J.Eichler, H.J.Eichler, Laser, 5.Auflage; Springer, Berlin (2003), ISBN Neodym-YAG-Laser und andere Nd-Laser Der wichtigste Festkörper-Laser ist der Neodymlaser, bei welchem die Strahlung von Nd 3+ - Ionen erzeugt wird. Das Nd 3+ -Ion kann in verschiedene Wirtsmaterialien eingebaut werden, wobei für Laserzwecke am häufigsten Kristalle (Yttrium-Aluminium-Granat Y 3 Al 5 O 12 ) und verschiedene Gläser verwendet werden. Der YAG-Kristall weist eine hohe Verstärkung und geeignete mechanische und thermische Eigenschaften auf, so daß er für zahlreiche kontinuierliche und gepulste Laser eingesetzt wird. Der Nd:YAG-Laser ist einer der wichtigsten Lasertypen für Wissenschaft und Technik speziell für Anwendungen in der Meßtechnik, Materialbearbeitung, Medizin, Spektroskopie und Holographie. Ein anderer gelegentlich verwendeter Kristall ist Nd:Cr:GSGG, bei welchem die Absorptionsbänder gut der Emission der Blitzlampen angepaßt sind, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Nachteilig sind starke thermische Linseneffekte, die durch Erwärmung beim optischen Pumpen auftreten. Für spezielle Anwendungen, z. B. als modengekoppelter Oszillator für große Glas-Laser zur Plasmaforschung, wird Nd:YLF eingesetzt. Nd:Glaslaser weisen eine hohe Bandbreite auf, die zur Erzeugung kurzer Pulse von Bedeutung ist. Die Gläser können in großen Volumina gefertigt und als Hochenergie- Verstärker eingesetzt werden. Dauerstrichbetrieb von Nd:Glaslasern ist wegen der kleinen Verstärkung nicht möglich. Nd:YAG-Termschema Gegenwärtig wird für Neodymlaser am häufigsten der Nd:YAG-Kristall eingesetzt. Reiner YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) ist ein farbloser, optisch isotroper Granat mit kubischer Struktur. Durch Dotierung in der Schmelze mit Nd 2 O 3 werden etwa 1% der Y 3+ -Ionen durch Nd 3+ ersetzt, wobei sich eine Nd 3+ -Dichte von n - 1, cm -3 ergibt. Der Radius beider Seltener Erden ist um 3 % verschieden, so daß bei zu starker Dotierung Spannungen entstehen können. Die elektronische Konfiguration {Kr} 4d 10 4f 3 5s 2 5p 6 des Nd 3+ -Ions zeichnet sich dadurch aus, daß die 4f-Unterschale nur teilweise gefüllt ist. Bei freien Ionen ergibt sich zu dieser Konfiguration eine Reihe verschiedener Energiezustände, die nach dem LS- Kopplungsschema bezeichnet werden (z.b. 4 F 3/2, 4 I 11/2 )- Die zusätzliche Wirkung des Kristallfeldes ist schwach verglichen mit dem System Cr 3+ : A1 2 O 3, da die 4f-Schale durch die 5s- und 5p-Elektronen abgeschirmt ist. Die Energiezustände der Ionen im Kristall entsprechen daher weitgehend denen der freien Ionen, wobei durch das elektrische Kristallfeld eine zusätzliche Aufspaltung stattfindet.

2 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 2 Das vereinfachte Termschema des Nd: YAG-Lasers zeigt Abb. 9.4a, die wichtigsten Emissionslinien Abb. 9.4b. Die meisten kommerziellen Laser strahlen mit der intensivsten Linie bei 1,064 μm zwischen den 4 -F 3/2 - und 4 I 11/2 -Niveaus. Die Anregung erfolgt durch optisches Pumpen in breite Energiebänder und strahlungslose Übergänge in das obere Laserniveau. Die dabei freiwerdende Energie wird als Wärme an den Kristall abgegeben. Abb. 9.5 zeigt die Fluoreszenzintensität bei l,064 μm als Funktion der Anregungswellenlänge. Man erkennt deutlich die verschiedenen Pumpbänder, von welchen die Energie strahlungslos auf das obere Laserniveau übertragen wird. Das 4 F 3/2 -Niveau hat eine Lebensdauer von etwa 230 μs. Dieser große Wert erklärt sich dadurch, daß im freien Ion elektrische Dipolübergänge innerhalb einer Konfiguration wegen der Paritätsauswahlregel nicht stattfinden. Durch die Kristallfeldstörung wird die für das freie Ion gültige Auswahlregel aufgehoben. Die Zeit für den strahlungslosen Übergang vom unteren Laserniveau 4 I 11/2 in den Grundzustand beträgt etwa 30ns. Das untere Laserniveau liegt 0,24 ev über dem Grundniveau, es ist daher bei Zimmertemperatur praktisch besetzt. Bild 9.4. (a) Überblick: Energieniveaus beim Nd:YAG-Laser. (b) Ausführlichere Energieniveaus des Nd:YAG-Lasers (nach Kaminski). Die wichtigsten Übergänge vom 4 F 3/2 -Niveau sind nach: 4 I 9/2 (0,9 μm: rel. Intensität 0,25), 4 I 11/2 (1,06 μm; 0,60), 4 I 13/2 (1,35 um: 0,14), I 15/2 (1,7 bis 2,1 μm: < 0,01). Laseremission Der Nd-Laser ist ein Vierniveau-System mit dem Vorteil einer vergleichsweise geringen Laserschwelle. Die Laserlinien im YAG werden durch thermische Gitterschwingungen homogen verbreitert. Die Linienbreite ist bei Zimmertemperatur mit etwa 100 GHz für Festkörper relativ gering. Dies ist eine Voraussetzung für hohe Verstärkung bei relativ geringer Pumpleistung. Damit bietet sich der Nd:YAG-Kristall als aktives Medium für cw-hochleistungslaser an.

3 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 3 Bild 9.5. Intensität der Fluoreszenz von Nd:YAG bei 1,06 um als Funktion der Wellenlänge des Pumplichts. 808 und 940 nm sind geeignete Wellenlängen zum Pumpen mit Laserdioden Unter üblichen Betriebstemperaturen emittiert der Nd:YAG-Laser nur die stärkste 4 F 3, 2-4 I 3/2 -Linie mit einer Wellenlänge von 1,0641 μm. Durch Verwendung frequenzselektiver Elemente im Resonator, wie Etalon, Prisma, selektive Spiegel, können auch zahlreiche andere Linien angeregt werden. Bei Kühlung des Laserkristalls dominiert die 1,061 μm- Linie. Zusätzlich können bei tiefen Temperaturen oder durch Pumpen mit Laserdioden weitere Übergänge erzeugt werden, insbesondere bei 0,946 μm und l,839 μm. Kommerzielle Laser strahlen bei l,064 μm und seltener um 1.3 μm. Handelsübliche YAG-Laserstäbe haben eine Länge bis zu 150 mm und einen Durchmesser bis 10 mm. Der YAG-Kristall wird mit etwa 0,7% Gewichtsanteil Nd dotiert. Das entspricht einer Nd 3+ -Ionenkonzentration von 1, cm -3. Im kommerziellen Betrieb kann beispielsweise mit einem75 mm langen YAG-Laserstab mit 6 mm Durchmesser eine Ausgangsleistung von etwa 300 W bei einem Wirkungsgrad bis zu 4,5% erreicht werden. Die Laserschwelle liegt bei etwa 2 kw elektrischer Pumplampen-Leistung (Kr-Bogenlampe). Kontinuierlich gepumpte YAG-Laser werden auch mit periodischer Güteschaltung betrieben, wodurch sich Impulse mit einer Dauer von einigen 100 ns, Spitzenleistungen von einigen 100 kw und Pulsfolgefrequenzen von einigen khz ergeben. Noch kürzere Impulse bis zu etwa 100 ps lassen sich durch aktive Modenkopplung erzielen (Tabelle 9.3). Nd-Laser sind Vierniveausysteme. Im Vergleich zum Rubinlaser können Nd-Laser daher ohne weiteres kontinuierlich betrieben werden. Bei gepulster Anregung ergeben sich geringere Pumpenergien und höhere Wirkungsgrade von einigen Prozenten. Die geringen Pumpenergien erlauben höhere Pulsfolgefrequenzen bis in den khz-bereich, bei kontinuierlicher Anregung bis zu 100 MHz. Die Ausgangsenergie ist stark von der Betriebsart abhängig. Ein Vergleich der Emissionseigenschaften für den Betrieb mit Normalpuls, Q-Switch, Cavity dumping und Modenkopplung ist in Tabelle 9.3 gezeigt. Im Normalbetrieb treten wie beim Rubinlaser statistische Relaxationsschwingungen (Spikes) auf. Die Strahlqualität nimmt mit steigender Pumpleistung ab. Daher werden zur Verbesserung der Emissionseigenschaften, wie beim Rubinlaser, Oszillator-Verstärker-Kombinationen verwendet. Eine im oberen Laserniveau gespeicherte Pumpenergiedichte von 1 J/cm 3 ergibt

4 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 4 eine differentielle Verstärkung für kleine Signale von g = 4,7 cm -1. Derartig hohe Kleinsignalverstärkungen können nachteilig sein, da ein Laserverstärker damit leicht in einen nicht erwünschten Oszillatorbetrieb übergehen kann. Nd: Cr: GSGG-Laser Neben dem YAG-Laser gibt es für Neodym noch eine Vielzahl anderer kristalliner Wirtsmaterialien. Im Fall von Nd:Cr:Gd 3 Sc 2 Ga 3 O 12 (GSGG) werden die breiten Absorptionsbanden des Chrom (Cr 3+ ) im Sichtbaren für den Pumpprozeß ausgenutzt. Der eigentliche Laserprozeß läuft im Neodym (Nd 3+ ) ab. Nach der Anregung findet ein effektiver Energietransfer von nahezu 100 % von Cr 3+ auf das obere Laserniveau des Nd 3+ statt. Dies führt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades auf 5%. Die stärkste Wellenlänge liegt wie beim YAG-Laser bei l,06 um. Nachteilig ist, daß starke thermische Linseneffekte auftreten, weil die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität etwas kleiner sind als beim YAG-Kristall, während die anderen Materialeigenschaften ähnlich sind. Die Verstärkung ist etwas geringer und die Sättigung etwas höher. Wegen des hohen Wirkungsgrades stellt somit das Material NdCr:GSGG einen interessanten Laserkristall für blitzlampengepumpte Laser kleiner mittlerer Leistung dar. Nd:YLF Im Unterschied zu den Nd:YAG-Lasern liefert der Nd:LiYF 4 -Laser eine Linie bei 1,053 μm. Es handelt sich um einen 4 F 3/2 4 I 11/2 - Übergang. Durch Drehen eines Polarisators im Resonator kann die starke l,047 μm-linie eingestellt werden. Beide Linien sind senkrecht zueinander polarisiert. Die 1,053 μm-strahlung wird durch Neodym-Phosphatgläser verstärkt, so daß derartige Kombinationen aus Oszillator und Verstärker eingesetzt werden. Der Nd:YLF-Laser kann auch bei 1,313 und 1,321 μm betrieben werden. Es treten dabei wieder zwei Polarisationsrichtungen auf, die durch 4 F 3/2 4 I 13/2 -Übergänge entstehen. Der Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission und die Verstärkung von Nd:YLF sind etwa um einen Faktor zwei kleiner als beim Nd:YAG. Weitere Unterschiede sind geringe Linsenwirkung und Depolarisation durch Erwärmung. Bei kontinuierlich gepumpten modengekoppelten Lasern liefert Nd:YLF etwa 50 ps lange Impulse, halb so lang wie bei Nd: YAG. Polarisationserhaltende Kristalle Ein gravierender Nachteil von Nd:YAG-Kristallen ist eine starke, über den Querschnitt variierende Doppelbrechung, die als Folge der Erwärmung durch optisches Pumpen entsteht. Durch die Doppelbrechung wird die Laserstrahlung depolarisiert und die Strahlqualität besonders bei Hochleistungslasern stark herabgesetzt. Dies läßt sich durch Einsatz

5 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 5 polarisationserhaltender Kristalle wie Nd:YLF oder Nd:YALO vermeiden. Letztere (auch YAP genannt) wurden früher zahlreich in Rußland produziert, sind jedoch sonst nicht sehr gebräuchlich, da der Herstellungsprozeß für Kristalle optisch hoher Qualität aufwendiger ist als bei Nd:YAG. Weiterhin ist die thermische Linsenwirkung etwa um einen Faktor zwei größer als in Nd:YAG. Nd:YLF ist in dieser Beziehung günstiger, ist aber relativ teuer und wird nur in kleinen Abmessungen hergestellt. Laserkristalle mit Diodenanregung Zum Aufbau von diodengepumpten Lasern werden neben Nd: YAG und Nd: YLF auch Nd:YVO eingesetzt. Diese basieren auf Yttrium-Vanadat YVO 4 oder YVO, das z.b. für eine Pumpwellenlänge von 808 nm einen etwa 5-fach höheren Absorptionsquerschnitt als Nd:YAG besitzt, wodurch kürzere Kristalllängen möglich sind. Neuerdings wird statt Nd:YAG auch teilweise mit Ytterbium dotiertes YAG eingesetzt. Dies zeigt Lasertätigkeit bei 1047 und 1030 nm und kann mit Laserdioden von 968, 941 und 936 nm Wellenlänge gepumpt werden. Damit sind Emissionswirkungsgrade über 90 % möglich, da z.b. die Pumpphotonen bei 968 nm fast die gleiche Wellenlänge wie die Laserphotonen haben. Es ergibt eine geringe Wärmeerzeugung, was den Aufbau von Hochleistungslasern erleichtert. Für Lampenanregung ist Yb:YAG nicht geeignet, da die Absorptionslinien zum Pumpen zu schmal sind. Konstruktion von lasergepumpten Nd-Lasern Die Anregung der Nd-Laser erfolgt durch optisches Pumpen. Eine Gasentladungslampe wird in einer Pumpkammer parallel zum Laserstab gelegt. Die Pumpkammer ist mit einer hoch reflektierenden Schicht ausgekleidet, so daß das Pumplicht möglichst effektiv in das Lasermaterial gestrahlt wird (Bild 9.7). Oft werden zur homogenen Ausleuchtung des Laserstabes auch Pumpkammern mit diffus reflektierenden Oberflächen eingesetzt. Die durch das Pumpen im Kristall erzeugte Wärme wird meist durch eine Wasserkühlung abgeführt. Für gepulste Nd: YAG-Laser werden Xe-Blitzlampen (0,6 bis 2 bar) verwendet, während im kontinuierlichen Betrieb Hochdruck-Kr-Lampen (4 bis 6 bar) eingesetzt werden. In doppel-elliptischen Anordnungen werden auch zwei Lampen eingebaut. Das Spektrum Bild 9.7. Anordnung zum optischen Pumpen von Festkörperlasern mit einer Gasentladungslampe

6 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 6 der Pumpquelle muß dem Anregungsspektrum nach Bild 9.5 möglichst entsprechen. Bei Xe- Blitzlampen ist dieses nur unbefriedigend der Fall (Bild 9.8). Eine bessere Anpassung und ein höherer Wirkungsgrad werden beim Pumpen mit GaAlAs-Diodenlasern erreicht, welche zwischen 805 und 809 nm emittieren. 9.3 Glaslaser Anstelle von Kristallen können auch Gläser, z.b. Silikat- oder Phosphatglas, mit Neodymoder anderer Dotierung als Lasermedien eingesetzt werden. Die Gläser werden teilweise höher dotiert als Kristalle und mit größeren Abmessungen hergestellt. Damit können Pulse mit hohen Energien und Leistungen erzielt werden. Die Pulsfolgefrequenz ist allerdings kleiner als bei kristallinen Lasern, und kontinuierlicher Betrieb ist schwieriger zu erreichen, da die Wärmeleitfähigkeit geringer ist. Die Linienbreite ist wegen der amorphen Struktur des Glases etwa 50 mal größer als bei Kristallen, wodurch kürzere Pulse entstehen können, da bei Modenkopplung die Pulsbreite durch die reziproke Linienbreite begrenzt ist. Dotierte Gläser lassen sich als dünne Glasfasern ausziehen, mit denen diodengepumpte Faserlaser aufgebaut werden. So lassen sich z.b. Nd-Faserlaser realisieren, die kontinuierliche Ausgangsleistungen bis zu 50 Watt mit beugungsbegrenzter Strahlung emittieren. Unter Ausnutzung von up-conversion-prozessen lassen sich in Fasern auch sichtbare Laserlinien erzeugen bei Pumpen mit Nah-Infrarot-Dioden. Zum Beispiel emittieren Thuliumdotierte Fluoridglasfasern blaues Laserlicht und mit Nd-Dotierung sogar ultraviolettes. Nd:Glaslaser Der Nd:Glas-Laser ist genau wie der Nd: YAG ein Vierniveau-System. Im Vergleich zum Kristall ist beim Glas die Umgebung der Nd 3+ -Ionen ungleichmäßig und wenig geometrisch geordnet, so daß eine beträchtliche Verbreiterung der Niveaus und Linien auftritt. Der Laserübergang geht im Gegensatz zum YAG vom niedrigsten 4 F 3/2 -Niveau aus (Bild 9.4). Das untere Laserniveau in einem der 4 I 11/2 -Zustände ist etwas verschoben, so daß die Laserstrahlung bei Silikatgläsern ebenfalls bei einer Wellenlänge von 1,06 um liegt. Sie ist schwach (±0,01 um) von der Glasart abhängig. Die Linienbreite ist mit etwa Hz relativ groß. Mit Silikatgläsern läßt sich die Strahlung von Nd: YAG-Oszillatoren verstärken. Phosphatgläser weisen einen höheren Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission bei einer Wellenlänge von l,054 μm auf. Wegen der großen Linienbreite ist die Verstärkung im Nd:Glas wesentlich geringer als in Nd:YAG. Bei einer im oberen Laserniveau gespeicherten Energiedichte von l J/cm ergibt sich ein Verstärkungskoemzient von 0,16 cm -1. Damit ist es möglich, eine sehr hohe Energie zu speichern, bevor die Laserschwelle erreicht wird. Mit einem Nd:Glas-Laser mit Verstärker wurde z.b. eine Laserleistung von 27 TW in 90 ps erzeugt.

7 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 7 Obwohl die Verstärkung von Nd:Glas kleiner ist als beim YAG, eignet es sich aufgrund der einfacheren Herstellung für den Einsatz in Laserverstärkern mit großem aktiven Volumen. Nd:Glas-Stäbe werden bis zu Längen von 2 m und bis zu 10 cm Durchmesser angefertigt. In Laserverstärkern zur Untersuchung der Kernfusion werden Nd:Glas-Scheiben mit Durchmessern von über 50 cm verwendet. Die Dotierungen liegen meistens bei 3 % Nd- Gewichtsanteil, jedoch sind auch höhere Dotierungen möglich. Gläser haben kleine Wärmeleitungskoeffizienten (~ 0,01 Wcm -1 K -1 ). Wegen der dadurch entstehenden Kühlprobleme sind Nd:Glas-Stäbe für Laserbetrieb mit hoher mittlerer Pumpleistung, also für kontinuierlichen Betrieb oder Betrieb mit großer Wiederholrate, nicht geeignet. Kommerzielle Glaslaser haben Pulsfolgefrequenzen, die meist unterhalb von l Hz liegen. Als Beispiel für ein kommerzielles Gerät sollen Betriebsdaten für einen Laser mit einem 15 cm langen Glasstab mit 1,2 cm Durchmesser angegeben werden. Der optische Resonator wird von zwei Spiegeln im Abstand von 70 cm gebildet. Als Auskoppelspiegel wird ein Planspiegel mit einer Reflexion von etwa 45% verwendet. Der andere hochreflektierende Spiegel hat einen Krümmungsradius von etwa 10 m. Als Schwellpumpenergie mit einer Wendel-Blitzlampe ergibt sich etwa l kj. Bei 5 kj Pumpenergie werden etwa 70 J Laserenergie emittiert. Die Strahldivergenz beträgt dabei 0,01 rad. Vergleich von Lasermaterialien In Tabelle 9.4 werden wichtige physikalische Parameter für Rubin, Nd:YAG und Nd:Glas verglichen. Für den Dauerstrichbetrieb eignet sich nur der Nd:YAG-Kristall. In Rubin und Nd:Glas kann mehr Energie gespeichert werden, was zu intensiven Pulsen führt. Die große Linienbreite des Nd:Glases führt bei Modenkopplung zu besonders kurzen Pulsen unterhalb l ps, während mit Nd:YAG-Lasern nur etwa 10 ps erreicht werden. Tabelle 9.3. Verschiedene Betriebsarten des Nd: YAG Lasers (λ = 1,064 um) Anregung Betriebsart Pulsfrequenz Pulsdauer Leistung cw cw - - W...kW cw Q-switch khz 0,1... 0,7 μs 100 kw cw Cavity dumping MHz ns cw Modenkopplung 100 MHz ps Puls Normalpuls bis 200 Hz 0, ms 10 kw Puls Q-switch bis 200 Hz ns 10 MW Puls Cavity dumping bis 200 Hz ns 10 MW Puls Modenkopplung bis 200 Hz 30 ps einige GW

8 L.Windholz / 2006 Nd:YAG-Laser / 8 Tabelle 9.4. Vergleich von Materialparametern für Rubin, Nd: YAG und Nd:Glas (nach Koechner) Rubin Nd: YAG Nd:Glas Wellenlänge (nm) 694,3 1064,1 1062,3 Photonenenergie (10-19 J) 2,86 1,86 1,86 Brechungsindex 1,763 o. 1,755 a. o. 1,82 1, ,55 Stimulierte Emission σ (cm 2 ) 2, ~ Spontane Lebensdauer (μs) Dotierung (cm -3 ) 1, , , Dotierung (Gew. %) 0,05 0,75 3,1 Fluoreszenz-Linienbreite (cm -1 ) 11 6,5 300 Wärmeleitfähigkeit (300 K) (W m -1 K -1 ) ,2 Ausdehnungskoeff. (10-6 K -1 ) 5, Inversion bei g = 0,01 cm -1 (cm -3 ) 8, , , Energie bei g = 0,01 cm -1 (J cm -3 ) 2,3 2, , g bei 1 J (cm -1 ) 0,087 4,73 0,16