Ytterbium-Laser

Was sind Ytterbium-Laser?

Ytterbium-Laser bieten mehrere Vorteile gegenüber Lasern, die auf anderen Verstärkungsmaterialien basieren. Obwohl sie manchmal als Slab- oder Scheibenlaser entwickelt werden, sind sie vor allem als Faserlaser mit Ultrafastleistung für wissenschaftliche und Materialbearbeitungsanwendungen von Bedeutung.

Ytterbium (Yb)-Laser sind Laser, bei denen das Verstärkungsmedium ein mit Ytterbium (Yb3+)-Ionen dotiertes Wirtsmaterial ist. Sie emittieren Licht im nahen Infrarot, das je nach Wirt zwischen 1030 und 1070 nm liegt. Bei modengekoppelten Yb-Lasern kann diese Leistung effizient frequenzverdoppelt oder verdreifacht werden, um grüne und ultraviolette Wellenlängen zu liefern. Diese modengekoppelten Laser können auch zum Pumpen parametrischer Geräte verwendet werden, um wellenlängenabstimmbare Leistung zu liefern.

Vier Hauptvorteile von Yb-Lasern

Die wichtigsten Vorteile von Ytterbium (Yb)-Lasern sind:

1. Sie können modengekoppelt werden, um Femtosekunden-Pulse (fs) zu erzeugen. Aufgrund der hohen Spitzenleistung, die dadurch entsteht, eignen sich fs-Pulse hervorragend für modernste Anwendungen in der Neurowissenschaft sowie für fortschrittliche Anwendungen in der Materialbearbeitung.
2. Sie können als Faserlaser hergestellt werden, was zu einem einfachen Betrieb und einer hohen Zuverlässigkeit führt, selbst in anspruchsvollen industriellen Umgebungen.
3. Sie können besser als jeder andere fs-Laser auf eine höhere Leistung skaliert werden. Dies ermöglicht hellere Bilder und eine schnellere Multiphotonenanregung in der Neurowissenschaft und einen höheren Durchsatz beim Präzisionsschneiden, z.B. von medizinischen Geräten wie Stents. 
4. Sie haben einen höheren elektrischen Wirkungsgrad als andere Ultrafastlaser. Dadurch sind sie mit umweltfreundlicheren und nachhaltigeren Herstellungspraktiken kompatibel.

Lassen Sie uns nun die technische Grundlage dieser Vorteile näher betrachten und dann sehen, wie sie sich auf einige repräsentative Anwendungen auswirken.

Etwas „leichte” technische Lektüre

Mode-Locking liefert kurze Pulse und hohe Spitzenleistung

Die Modenkopplung ist eine Möglichkeit, einen Laser dazu zu bringen, sehr kurze Pulse und sehr hohe Pulswiederholraten zu erzeugen. Er bewirkt, dass das gesamte in einem Dauerstrichlaser erzeugte Licht zu einem sehr kurzen Puls zusammengefasst wird, der den Laserresonator durchläuft. Jedes Mal, wenn der Puls an dem teilweise reflektierenden Ausgangsspiegel abprallt, entweicht ein Teil. Der Laser erzeugt also eine Pulsrate, die der Umlaufzeit der Kavität entspricht. Bei einer Laserresonatorlänge von 10 cm oder weniger entspricht dies einer Wiederholrate von 10 MHz. 

Andererseits hängt die Pulsbreite von der Wellenlängenspreizung des Lasers ab, die als „Verstärkungsbandbreite” bezeichnet wird. Ein breiterer Ausgang erzeugt kürzere Pulse und umgekehrt. Die große Bandbreite von Yb bedeutet, dass diese Laserpulse von bis zu 50 fs liefern können, mit Spitzenleistungen im Gigawattbereich.

Glasfaserarchitektur bietet Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit der Leistung

Die Skalierung von Glasfaser und Strom ist eng miteinander verbunden. Bei jedem Festkörperlaser besteht eine Herausforderung darin, unerwünschte Wärme aus dem Verstärkungsmaterial zu entfernen, wo sie Linsenprobleme und sogar Schäden verursachen kann. Die Wärme muss leitend zur Kante (Oberfläche) des Materials fließen, um abgeführt zu werden. Dies begrenzt die maximale Leistung von Festkörperlasern, die auf Massenkristallen basieren. Wenn das Verstärkungsmedium jedoch zu einer Faser gestreckt oder zu einer Scheibe komprimiert wird, dann befindet sich jeder Teil des Materials in der Nähe einer gekühlten Oberfläche und Kühlungsüberlegungen stehen der Leistungsskalierung nicht mehr im Wege.

Ein großer Vorteil von Yb ist, dass es in Glas eingebracht werden kann, das entweder als Fasern oder Scheiben geformt werden kann. Faserlaser haben jedoch den Vorteil, dass sie optomechanisch robust sind und nicht aus der Justierung driften können. Diese Leistungsskalierbarkeit ist der Grund, warum Yb-Faserlaser wie der Coherent Monaco weiterhin neue Leistungsstandards für Femtosekundenlaser setzen. Und ihre inhärente Zuverlässigkeit ist der Grund, warum sie für verschiedene und anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt werden.

Effizientes Diodenlaser-Pumpen senkt den Kohlenstoff-Fußabdruck

Yb-Laser sind aus zwei Gründen elektrisch effizienter als einige andere Festkörperlaser. Erstens werden die Diodenlaser, die Strom in Licht umwandeln, direkt zum Pumpen der Yb-dotierten Faser verwendet, ohne einen Zwischenschritt, der andernfalls die elektrische Gesamteffizienz verringern könnte. Darüber hinaus gibt es einen relativ kleinen Quantendefekt – die Differenz zwischen der Pumpwellenlänge der Diode (976 nm) und der Ausgangswellenlänge der Yb-Faser (1030 bis 1070 nm). Die Energie, die durch den Quantendefekt repräsentiert wird, geht als Wärme verloren, so dass kleine Werte wie dieser sehr wünschenswert sind.

Anwendungen von Yb-Lasern

Die Anwendungsbereiche für modengekoppelte Yb-Faserlaser hängen von ihrer Leistung und Ausgangswellenlänge (IR, Grün oder UV) ab.

Multiphotonen-Neurowissenschaft

Low-Power-Laser mit einer durchschnittlichen Leistung von wenigen Watt werden hauptsächlich in wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt. Hier ist der Yb-Laser in einem Single-Box-Format mit einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) integriert, um eine wellenlängenabstimmbare Leistung zu liefern. Ein Beispiel ist der Chameleon Discovery NX. Die bei weitem größte Anwendung für diese abstimmbaren Quellen ist die Multiphotonenmikroskopie, die hochauflösende 3D-Bilder für die Neurowissenschaften, die intravitale Bildgebung und die translationale Forschung für Echtzeit-Biopsien (möglicherweise intraoperativ) liefert. 

Zu den verstärkten Yb-Lasern mit höherer Leistung (mehrere 10 Watt) gehört die Monaco-Serie. Die Infrarotversionen sind sowohl für wissenschaftliche als auch für industrielle Anwendungen geeignet. Die wichtigsten wissenschaftlichen Anwendungen liegen in der Neurowissenschaft, wo der Monaco mit einem abstimmbaren optischen parametrischen Verstärker wie dem Opera F gepaart wird, der eine Pulsbreite von nur 50 fs erzeugt. Der wellenlängenverstellbare Ausgang wird sowohl für die Drei-Photonen-Bildgebung als auch für die optogenetische Zwei-Photonen-Photostimulation verwendet. Beim Monaco 1300 werden zwei feste Wellenlängenausgänge (1035 nm und 1300 nm) kostengünstig durch nichtlineare Optiken erzeugt, um diese Anwendungen optimal zu erfüllen.

Präzisionsmaterialbearbeitung

Die industriell verpackte Monaco-Serie bietet die einzigartigen Vorteile der fs-Laserbearbeitung für eine wachsende Zahl von Anwendungen in der Präzisionsfertigung. Die Infrarotmodelle – Monaco 1035 – eignen sich für Anwendungen wie Schneiden und Schweißen von Glas, Schneiden von Dünn-/Folien und die Herstellung von medizinischen Geräten, z. B. Stents und TAVR-Werkzeugen. 

Die Monaco 517-Modelle liefern eine grüne Leistung und eignen sich daher gut für Materialbearbeitungsanwendungen wie das Schneiden und Bohren von Polymeren, das Schneiden von flexiblen Leiterplatten und IC-Gehäusen, das Vereinzeln von Siliziumwafern, die Herstellung medizinischer Geräte, das Schneiden dünner Metallfolien und die Texturierung.

Die 345 nm Ultraviolettleistung des Monaco UV wird für die Materialbearbeitung von Flex-Komponenten und zum Schneiden einer Reihe von Materialien ohne thermische Randeffekte verwendet: OLED-Module, Halbleiterwafer, Dünnfilme, Folien und Bildschirm-Tastsensoren.