Aktive Laser-Materialien von SCHOTT. Workshop zur LASER München 2013

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1 Aktive Laser-Materialien von SCHOTT Workshop zur LASER München 2013

2 2 Weltweite Kompetenz von SCHOTT in der Fertigung optischer Materialien und Komponenten Advanced Optics SCHOTT AG Mainz Deutschland Hauptwerk Production, R&D SCHOTT North America, Inc Duryea, PA, USA Produkiton, R&D Kompetenzzentrum Laserglasfertigung SCHOTT Yverdon A division of SCHOTT Switzerland Yverdon-Les-Bains Schweiz Komponentenbearbeitung Kompetenzzentrum Optische Schichten SCHOTT Glass Malaysia Components Sdn. Bhd. Perai, Penang Malaysia Pressen und Politur Wuxi Unique SCHOTT Optical Co. Ltd Wuxi, Jiangsu, China Bearbeitung

3 3 Laserglas für High-Power-Laser Langjährige Erfahrung in Systemen mit SCHOTT-Laserglas Novette, NOVA Beamlet 1991 NIF, Laser MegaJoule,

4 4 Produktportfolio Lasermaterialien 1. Aktive Materialien Silikatlaserglas für Standardanwendungen (LG-680) Phosphatlaserglas für Hochenergie-Anwendungen (LG-750, LG-760, LG-770) Phosphatlaserglas für hohe Durchschnittsleistung und hohe Wiederholraten (APG-1, APG-2) Eye-safe Phosphatlaserglas (LG-940) Ionaustauschglasglas für Integrierte Optik (IOG-1, IOG-10)

5 5 Produktportfolio Lasermaterialien 2. Passive Materialien UV-cut-off-Material (S7000) Intra-cavity-Material für die Absorption von ungenutztem Pumplicht und verstärkter Spontanemission (S7005, S7010N) Edge Cladding Glass für die Absorption von parasitärem Laserlicht ZERODUR 3. Komponeneten SCHOTT produziert ein breites Spektrum an optischen Elementen (Linsen, Prismen, ) und Filtern, die in der Lasertechnik Anwendung finden Optische Schichten mit hoher Laserfestigkeit (z. B. für Polarisatoren und Strahlteilern)

6 6 Laserglas von SCHOTT Große Abmessungen Exzellente optische Qualität Breite Emmissionslinien Engineerable Material

7 7 Kernkompetenz: Konsequente Qualitätskontrolle Optische Homogenität Reintransmission Blasen und Einschlüsse Schlieren Spannungsdoppelbrechung Reinheit Die Qualitätskontrolle beginnt mit der Rohmaterialprüfung vor der Schmelze und endet mit der Eigenschaftsprüfung nach jeder Schmelze

8 8 SCHOTT-Philosophie für die Laserglasentwicklung Dialog mit den Lasersystem-Designern Review der vorhandenen Laserglas-Datenbank Überprüfen, ob Messdaten und Testprozeduren mit erforderlicher Genauigkeit vorhanden sind Design verschiedener Glaszusammensetzungen Überprüfung der Testglaseigenschaften und Vergleich zu den Zielspezifikationen Auswahl einiger weniger, vielversprechender Gläser Bewertung der Herstellbarkeit und Durchführung aktiver Tests

9 FOMth xe6 (m2/ sec) Actual SCHOTT Advanced Optics 9 Glasdesign & Entwicklung Die Glasentwicklung basiert auf langjährigen Erfahrungen und systematischen Untersuchungen von Variationen in der Glaszusammensetzung Statistische Tools werden genutzt, um mit einem Minimum an experimentellen Versuchen einen Zusammensetzungsbereich zu definieren FOMth xe6 (m2/sec) Predicted P<.0001 RSq=0.96 RMSE= Beispiele von statistischen Auswertungen aus unserer internen Laserglasdatenbank mit Hunderten von verknüpften Glas- und Eigenschaftsdaten

10 10 Basisdatensatz für alle Lasergläser Optische, physikalische und thermische Eigenschaften Lasereigenschaften Brechzahl bei 587nm, n d Emissionwellenlänge, l Abbezahl, n d Emissionsbandbreite (Dl eff ) Dichte, ρ [g/cm 3 ] Strahlungslebensdauer (t Rad ) Eindruck-Bruchzähigkeit, K IC [MPa.m 0.5 ] Zero-Konzentrationslebensdauer (t o ) Thermische Leitfähigkeit. K [W/mK] Emissionswirkungsquerschnitt (s em ) Poissonzahl, ν Nichtlinearer Index (n 2 ) Young s Modus, E [GPa] Linearer Koeff. der Thermischen Ausdehnung, α C [10-7 /K] Temperaturkoeffizient der Brechzahl, dn/dt Alle Schmelzen werden nach diesem Basiseigenschaftssatz charakterisiert, unabhängig von der Entwicklungsrichtung

11 11 Der FIGURE OF MERIT -Ansatz Die Laserperformance wird sowohl durch die aktiven Lasereigenschaften bestimmt FOM laser = t o Qs em /n 2 Die Fertigungsausbeute wird größtenteils bestimmt durch Bruch während Bearbeitung und Handling, was zu folgender Figure of Merit führt: FOM tm = K IC K(1-n)/aE Wenn die letztendliche Glaszusammensetzung erkennbar wird, werden noch die Viskosität, die Kristallisationsneigung, die Platinlöslichkeit und die chemische Beständigkeit untersucht.

12 12 Beispiel für die Anwendung der Laser-FOM Das LG770-Glas besitzt gleichzeitig eine höhere Laserperformance kombiniert mit einer verbesserten Produktionsausbeute Lasereigenschaften LG-750 LG-770 Emissionswellenlänge l [nm] Emissionsbandbreite Dl [nm] Strahlungslebensdauer t RAD [µs] Emissionswirkungsquerschnitt s em [10-20 cm 2 ] Quenchingkonstante Q-factor [10 20 cm -3 ] Nichtlineare Brachzahl at 1054 nm n 2 [10-13 esu] FOM Laser relative to LG Etwa 40% Verbesserung in den grundlegenden Lasereigenschaften Verringerung des nichtlinearen Brechungsindexes von 1,08 to 1,02, der niedrigste erreichbare Wert für ein Oxid-Phosphat-Laserglas.

13 13 Beispiel für die Anwendung der thermomechanischen FOM Figure of Merit-Ansatz für Glaseigenschaftsauswahl zur Entwicklung von Laserglas für hohe Durchschnittsleistung und hoher Wiederholrate Glaseigenschaft LG-750 LG-770 APG-1 APG-2 Thermische Ausdehnung, α [10-6 / 0 C] C Young s Modus, E [GPa] Poissonzahl, ν Therm. Leitfähigkeit [W/m K] 25 0 C Bruchzähigkeit, K IC [MPa m 0.5 ] FOM tm = K IC K(1-n)/aE Die thermomechanische FOM ist die innere Fähigkeit das Glasses unter thermischer Belastung dem Zerbrechen zu widerstehen und beeinflusst damit die Ausbeute und Lebensdauer.

14 14 Laser Induced Damage Threshold - LIDT Für den Einsatz der Materialien im Highpower-Lasermarkt und insbesondere im fs-laserbereich ist eine sehr hohe Laserdamage-Stabilität notwendig. Wir führen zur Zeit mehrere Versuchsserien zur Bestimmung von LIDT am Bulkmaterial als auch an optischen Schichten durch. LIDT am Bulkmaterial LIDT am Bulkmaterial Resultate im ps-regime nach 2000 Laserpulsen im Vergleich: N-BK7 und N-FK5 zeigen LIDT auf Suprasil -Niveau. [J/cm 2 ] ps, 20 Hz ps, 20 Hz 2000 shots 0% damage 0% damage N-BK N-FK F N-LASF N-LAF SF6 6.4 tbd Suprasil

15 15 Laser Induced Damage Threshold - LIDT LIDT von Beschichtungen LIDT am Bulkmaterial Example1: N-BK7-Spiegel, Ø100x10mm mit HR-Breitband-Beschichtung ( nm) für 45 -Einfall in S-Polarisation Test type Results 2x 1h in einem laufendem Laser < 1 J/cm², l=820 nm, 600ps, 1Hz No damage LIDT l=800 nm, 10 ns, 10Hz, Ø78µm spot, 200 shots LIDT= 155 J/cm2 LIDT 0% damage value l=797 nm, 180 fs, 1 khz, shots LIDT= 0,45 J/cm2

16 16 Phosphate-Laserglas für EYE-SAFE LG-910 für 1.54 m Laserwellenlänge; Erbium - Ytterbium - Chrom dotiertes Phosphat-Laserglas SCHOTT bietet hochqualitatives Laserglas mit Politur und Beschichtung Stäbe, Platten und Scheiben können nach Kundenspezifikation gefertigt werden AR- und HR-Beschichtungen mit Laserbeständigkeit bis über 1.5 GW/cm 2 LG-910 ist jetzt verfügbar als komplett gefertigte optische Komponente mit highend Politur und Beschichtung

17 17 LG Anwendungen 1. Laser-Entfernungsmessung (Sicherheit & Industrie) Entfernungen bis 25 km durch Laufzeitmessung des Lichtpulses zum Ziel und zurück (Time of flight) Pulsraten 1Hz (Gen II soll höhere Raten ermöglichen, z. Zt. in R&D) Blitzlampen- und Diodenpumpen möglich Eye-safe Laserglas 2. Kosmetische Anwendungen (Medizin) Hautverjüngung: Narbenentfernung, Behandlung von Akne und medizinischen Narben, Glättung von Falten, Behandlung von Leberflecken

18 18 Komplette optische Komponenten SCHOTT bietet ein komplettes Angebot an Fertigkomponenenten und hervorragende Beschichtungen für den Lasermarket. Dies umfasst präzise gefertigte Linsen, Spiegel, Substrate, Debrisshields und Prismen, welche mit oder ohne HR- oder Ar-Beschichtungen verfügbar sind. SCHOTT hat ebenso die Möglichkeit, hochqualitative, kundenspezifische Komponenten, wie z. B. Strahlteiler und Polarisatoren, zu liefern.

19 19 Endgefertigte Laserkomponenten Charakteristische Spezifikationen aller Lasergläser: Durchmesser: 3 bis 50 mm Länge: 26 bis 600 mm Geradheit: <0.1mm pro 100mm Länge Endflächenebenheit: bis zu l/10 Endflächenqualität: bis zu 10/5 Endflächenparallelität: <30 Beschichtung: nach Kundendesign

20 20 Optische Standardkomponenten für Laseranwendungen Alle Standardkomponeneten vonn SCHOTT sind auch für Laseranwendungen lieferbar: Sphärische und asphärische Linsen Fenster und Substrate Polierte Glasprismen

21 21 Optische Schichten Verfügbare Beschichtungen: AR-Beschichtung Polarisator Strahlteiler Laserspiegel Fluoreszenz-Filter Konversions-Filter Bandpass/Longpass-Filter UV-Filter Linear Variable Filter

22 22 SCHOTT Advanced Optics Internetseite

23 23 SCHOTT Internetseite Produktinformation Laserglas

24 24 SCHOTT als Komplettlieferant für den Lasermarkt 1. Entwicklung neuer Gläser für Standard- Lasermarkt, wie z. B. Eye-safe LG Entwicklung unserer Materialkompetenz für den High-power-Lasermarkt 3. Entwicklung unserer Kompetenz für Komponenten und Beschichtungen für den High-power-Lasermarkt

25 Vielen Dank!