WLT Short Course Das Grundprinzip des Lasers

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1 WLT Short Course Das Grundprinzip des Lasers Prof. Dr. phil. nat. Thomas Graf Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW), Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 43, Stuttgart Diskrete Energiezustände atomarer Systeme Absorption und Emission von Licht LASER Betriebsarten von Lasern Bauformen (Beispiele)

2 Was ist Licht? Der Laserstrahl ist ein monochromatischer ( einfarbiger ) Lichtstrahl mit sehr geringer Divergenz ( gebündelt ). Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich in Vakuum mit einer Geschwindigkeit von 299'792 km/sec ausbreitet. Wellenlänge James Clerk Maxwell ( ) Folie 2

3 Röntgenstrahlung Ultraviolett Was ist Licht? Nur ein sehr kleiner Ausschnitt des elektromagnetischen Strahlungsspektrums wird vom menschlichen Auge als sichtbares Licht wahrgenommen. Die Sonne und thermische Lichtquellen (Sonne, Glühbirne, etc.) emittieren ein kontinuierliches Strahlungs-Spektrum, dessen Strahlungsmaximum sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Infrarot Folie 3

4 Ein Experiment Das Lichtspektrum verschiedener Lichtquellen kann beispielsweise mittels Beugung an einer CD-ROM betrachtet werden: Glühbirne Leuchtstofflampe Folie 4

5 Energie des Atoms Atomare Emissionslinien Atome (sowie Ionen, Moleküle etc.) weisen diskrete Energiezustände auf. Die Abgestrahlte Energie E ist proportional zur Lichtfrequenz n: E = hn. (Farbe) Angeregter Zustand Grundzustand Anregung Fluoreszenz Folie 5 Grund- Zustand Angeregter Zustand Angeregter Zustand Grund- Zustand

6 Energie des Atoms LASER = Lichtverstärkung durch stimulierte Emission LASER heisst: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Oberes Laserniveau Einfallende Lichtwelle Verstärkte Lichtwelle Fluoreszenz (spontane Emission) Unteres Laserniveau Stimulierte Emission Folie 6 Oberes Laserniveau Unteres Laserniveau

7 Die Boltzmannverteilung Im thermischen Gleichgewicht sind die Besetzungsdichten der Energiezustände Boltzmann-verteilt: n Für beliebige zwei Energiezustände gilt für die Besetzungsdichten: n o e n u E kt Es kann vorkommen, dass mehrere quantenmechanisch unterschiedliche Zustände die selbe Energie aufweisen. In diesem Fall sind diese gleich häufig besetzt. Folie 7

8 Die Besetzungsinversion Um in einem Laserresonator Strahlung zu erzeugen und zu verstärken, besteht die Kunst also darin, ein Medium mit Besetzungsinversion zu präparieren. Wegen der endlichen Lebensdauer t eines jeden Teilchenzustandes nehmen die Besetzungsdichten ohne äußere Einwirkung nach kurzer Zeit die Boltzmannverteilung ein. Will man die Besetzungsinversion zwischen zwei Energieniveaus aufrecht erhalten, muss ständig Energie zugeführt werden, um Teilchen aus einem tiefer liegenden Zustand in das obere Energieniveau zu befördern: Pumpen. Folie 8

9 Die Anregung des Lasermediums: Pumpen Zustands- Energie E Die Methoden zur Erzeugung einer Besetzungsinversion, die Pumpmethoden, sind so vielfältig wie die verstärkenden Lasermedien selbst. Anregungsmethoden: Absorption von Licht = optisches Pumpen Anregung durch Elektronenstöße z.b. in Gasentladungen Anregung durch Stöße mit anderen Teilchen z.b. in gasdynamischen Lasern Anregung durch ein elektrisches Feld im Halbleiterlaser Anregung durch chemische Prozesse Prozesse wirken von unten nach oben wie auch von oben nach unten! Folie 9 Mindestens 3 erforderlich, oft 4 Energieniveaus verwendet!

10 Das 4-Niveaux-Schema Wegen diesen Rückreaktionsprozessen sind 2-Niveaux-Systeme nicht möglich. Um die für den Laserbetrieb erforderliche Besetzungsinversion zu erreichen, bedarf es daher mindestens eines weiteren Energieniveaus, um den Pumpprozess vom Übergang der stimulierten Emission zu trennen. Der Laserbetrieb über 4 Energieniveaus ist besonders einfach zu bewerkstelligen. Bei geeigneter Anregung lassen sich mit 3-Niveaus-Lasern besonders hohe Wirkungsgrade erreichen. Folie 10

11 Der LASER Spiegel 100% Lasermedium (Verstärker) Spiegel 90% Laserstrahl TEM 10 TEM 00 Blende Anregung (Erzeugung einer Inversion) Harmonische Oszillation des elektrischen Feldes: TEM 21 Im Resonator: verschiedene Schwingungsmoden des elektromagnetischen Feldes y x y x Folie 11 TEM 00 TEM 10 TEM 21

12 Betriebsarten von Lasern Dauerstrichbetrieb im Englischen cw für continuous wave - bis einige kw Leistung - hauptsächlich Makromaterialbearbeitung (Schneiden, Schweißen, ) Gepulst angeregt - typische Pulsdauern von einige ms bis einige hundert ms Gütegeschaltet engl. Q-Switch - kurze Pulse im ns-bereich Modengekoppelt engl. mode locked - ultrakurze Pulse im fs- und ps-bereich Folie 12

13 Bedeutung von instantaner und mittlerer Leistung Instantane (d.h. momentan wirkende) Leistung instantan wirkende Intensität am Werkstück Erreichen der charakteristischen Prozesstemperatur (z.b. Schmelztemperatur T S, Verdampfungstemperatur T V ) Mittlere (d.h. während der Bearbeitung wirkende) Leistung Prozess Energiebedarf für Bearbeitungsaufgabe Energie = Volumen Massendichte spez. Energiebedarf für T Prozess pro Zeit: Energie Volumen P 1 Laser Massendichte Energiebedarf Einkopplungseffizienz... Zeit Zeit je Zeiteinheit bearbeitbares Volumen Folie 13

14 Strahlquellen für die Fertigung Im Folgenden sollen einige typische Laserarten beispielhaft erläutert werden. Jeder Laser besteht aus einem Resonator und einem verstärkendem Lasermedium. Die Bau- und Funktionsweise des laseraktiven Mediums kann allerdings sehr unterschiedlich sein (Festkörperlaser, Gaslaser, Diodenlader, Faserlaser etc.). Die folgenden Beispiele sollen einen Eindruck von den wesentlichen Konzepten vermitteln, haben jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Folie 14

15 Festkörperlaser und Gaslaser Im täglichen Sprachgebrauch hat sich eine etwas unkonsequente Einteilung in beispielsweise Festkörperlaser, Faserlaser und Halbleiterlaser etc. verbreitet. Korrekt gehören zu den Festkörperlasern Stablaser Slab-Laser Scheibenlaser optisch angeregt Faserlaser Halbleiterlaser elektrisch angeregt Zu den Gaslasern gehören beispielsweise CO 2 -Laser Ar-Ionen-Laser He-Ne-Laser meist durch Elektronenstöße in Gasentladungen angeregt Folie 15

16 Transversal angeregte Stablaser Stabförmige Festkörperlaser wurden lange mit Blitzlampen, heute meist mit Diodenlasern angeregt. Fokussier optik Folie 16

17 Transversal angeregte Stablaser Ein transversal diodengepumpter Stablaser: Folie 17 Spannungen / Verformung Temperaturverteilung

18 Longitudinales Pumpen mit Diodenlasern Die thermisch induzierte Linse fällt deutlich weniger stark aus, wenn das Lasermedium longitudinal gekühlt wird. Kombination von longitudinalem Pumpen und longitudinalem Kühlen: Der Scheibenlaser. Typische Scheibendicke: 0.1 bis 0.3 mm Folie 18

19 Diodengepumpter Scheibenlaser Die thermisch induzierte Linse fällt deutlich weniger stark aus, wenn das Lasermedium longitudinal gekühlt wird. Kombination von longitudinalem Pumpen und longitudinalem Kühlen: Der Scheibenlaser. Folie 19

20 Diodengepumpter Scheibenlaser Leistungsskalierung gegebenenfalls durch mehrere Scheiben im Resonator: Auf dem Markt Yb:YAG Scheibenlaser der Firma TRUMPF mit 16 kw und 8 mm mrad: Strahlqualität wird mit der Weiterentwicklung immer noch weiter verbessert. Bis zu 30% Steckdosen-Wirkungsgrad. Folie 20

21 Der Faserlaser: Prinzip des optischen Wellenleiters Wellenleitung durch Totalreflexion: 1 > g n 2 max n 1 n < max g Maximal zulässiger Einstrahlwinkel: sin( ) n n 2 2 max 1 2 Man nennt diesen Ausdruck numerische Apertur NA des Wellenleiters. (Wird durch Krümmung des Wellenleiters verkleinert!) Folie 21 Für den Mantel mit Brechungsindex n 2 wird nicht die Umgebungsluft genutzt, um störende Einflüsse durch Verunreinigungen an der Wellenleiteroberfläche zu vermeiden.

22 Pumpstrahl Der Faserlaser: Bauformen und Anregung Resonatorspiegel ausserhalb der Faser oder als Gitter in der Faser integriert. typisch Laserstrahlerzeugung im aktiv dotierten Faserkern: einige mm n Laserstrahl n um 1% Double-Clad Faser: Führung der Pumpstrahlung in multi-mode Pump-Cladding. Erhöhung der Absorptionseffizienz durch geeignete Wahl der Querschnittsgeometrien: Folie 22

23 Der Faserlaser Faserlaser im Laboraufbau am IFSW: Folie 23

24 Faserlaser Heute mit Ausgangsleistungen von mehreren 10 kw (multimode) verfügbar Beugungsbegrenzt bis zu einigen kw Wirkungsgrad ähnlich wie Scheibenlaser >25% Kühlung unproblematisch da Leistung auf einige Meter lange Fasern verteilt Vorteil: Strahlqualität durch Faserstruktur bestimmt, kaum thermischer Einfluss Bei hohen Intensitäten (Pulse!) Limitierung durch nichtlineare Effekte Leistungsskalierung Entweder: Kombination der Ausgänge mehrerer Singlemodelasern durch einen faseroptischen Combiner (Bild: IPG) in eine Multimodefaser Oder: Mehrere Faserlaser als Pumpquelle eines Hochleistungsfaserlasers oder Faserlaserverstärkers Folie 24 Combiner

25 Typischer Aufbau eines Diodenlasers Der Diodenlaser wird schichtweise aufgebaut, die Höhe des geführten Strahles beträgt etwa 1 mm: Front- und Endfläche bilden die Resonatorspiegel. In y-richtung wird der Strahl durch Verstärkung (Strominjektion) begrenzt. In x-richtung wird der Strahl durch das Brechungsindexprofil geführt. Folie 25

26 Diodenlaser: Bauformen (aus: Einzelemitter werden in Hochleistungsanwendungen nur in seltenen Fällen eingesetzt. Einige Beispiele von Barren und Stacks der Firma DILAS GmbH: Folie 26

27 CO 2 -Laser: Bauformen RF-Anregung üblicherweise 13,6 MHz oder 27,3 MHz. Alternative Elektroden- Anordnung Folie 27

28 CO 2 -Laser: Bauformen Folie 28

29 CO 2 -Laser Bauformen (DC Anregung) Gebläse und Kühlung DC-Elektrode Folie 29

30 CO 2 -Laser Bauformen (RF Anregung) Folie 30 TRUMPF

31 Excimerlaser Excimer ist die Zusammenfassung von excited dimer, womit ein angeregtes zweiatomiges Molekül bezeichnet wird, das lediglich im elektronisch angeregten Zustand und auch dort nur kurzzeitig existiert. (Energie des gebundenen Moleküls liegt höher als die Energie der ungebundenen Atome). Bei Edelgashalogenid-Excimerlasern wird ein derartiges Molkekül aus einem Edelgas (Ar, Kr, Xe) und einem Halogenatom (Cl, F) gebildet. Die Lebensdauer dieser Moleküle (und damit des oberen Laserniveaus) beträgt nur etwa 10 ns. Die Wellenlängen von Excimerlasern liegen im UV Spektralbereich: Excimer ArF KrF XeCl XeF F 2 Wellenlänge 193 nm 248 nm 308 nm 351 nm 157 nm Folie 31