Was ist ein Ultrakurzpulslaser?
Ultrakurzpulslaser sind Laser mit einer einzelnen Pulsbreite (Zeitbreite) von einigen Pikosekunden bis zu einigen Femtosekunden. Eine Pikosekunde ist eine Zeiteinheit und entspricht etwa einem Billionstel einer Sekunde. Eine Femtosekunde hingegen ist ebenfalls eine Zeiteinheit und beträgt etwa ein Tausendstel einer Billionstel Sekunde.
Das Licht legt pro Sekunde etwa 300 000 km zurück. Die Strecke, die das Licht in einer Pikosekunde zurücklegt, beträgt jedoch etwa 0,3 mm, während die Strecke, die das Licht in einer Femtosekunde zurücklegt, etwa 0,3 um beträgt.
Dies bedeutet, dass Ultrakurzpulslaser gepulste Laser mit einer sehr kurzen Zeitspanne sind. Puls ist auch ein allgemeiner Begriff für ein Signal, das in einem kurzen Zeitraum eine große Veränderung erfährt.
Aufgrund ihrer extrem kurzen Pulsdauer haben Ultrakurzpulslaser so gut wie keine thermischen Auswirkungen im Bereich der Laserbearbeitung. Darüber hinaus ist eine hochwertige Laserbearbeitung für viele Materialien möglich.
Anwendungen von Ultrakurzpulslasern
Ultrakurzpulslaser haben eine hohe Spitzenintensität und können selbst in transparenten Materialien eine starke Absorption bewirken. Dies ist auf die nichtlineare Absorption zurückzuführen, die mit der Multiphotonen-Ionisation oder Tunnel-Ionisation aufgrund des starken elektrischen Feldes des Lichts verbunden ist, bei der Moleküle Multiphotonen absorbieren und eine Ionisation verursachen.
Durch Fokussierung des Femtosekunden-Laserstrahls im Inneren des transparenten Materials wird eine dreidimensionale Bearbeitung des Materialinneren möglich.
Es kann eine breite Palette von Materialien bearbeitet werden, von harten Diamanten bis zu Glas mit geringer Härte, weichen Harzen, Verbundwerkstoffen, Quarz und Keramik.
Da Ultrakurzpulslaser nur sehr wenig Wärme erzeugen, sind sie gratfrei und können in Mikrometern eingestellt werden. Dies ermöglicht empfindliche Prozesse wie Bohren, Beschneiden und Mikrostrukturierung.
Außerdem können Femtosekundenlaser präzisere Bearbeitungen durchführen als Pikosekundenlaser.
Allerdings unterliegen Nanosekundenlaser einem geringen thermischen Einfluss, der Grate verursachen kann.
Funktionsweise von Ultrakurzpulslasern
Es gibt zwei Haupttypen von Laseroszillationsmethoden: kontinuierliche Oszillation und gepulste Oszillation. Laser mit einem kontinuierlichen Oszillationsmechanismus werden als CW-Laser (Continuous Wave) bezeichnet, bei denen der Laser kontinuierlich oszilliert.
Der andere wird als gepulster Laser bezeichnet, bei dem der Laser intermittierend schwingt.
Die gepulste Oszillation kann auch durch direkte Modulation, externe Modulation, Güteschaltung oder Modenkopplung erreicht werden, wobei sich die durch diese Methoden erzeugten Pulsbreiten unterscheiden.
Bei Ultrakurzpulslasern wird in der Regel die modengekoppelte Methode verwendet, die mit Pikosekunden- und Femtosekunden-Pulsbreiten arbeitet. Aufgrund des Fourier-Transformationsverhältnisses zwischen Zeit und Frequenz muss eine ausreichende spektrale Verbreiterung und ein konstantes Phasenverhältnis zwischen ihnen bestehen, um ultrakurze Pulse zu erzeugen. Das modengekoppelte Verfahren wird als optimale Methode zur Schaffung dieser Bedingungen eingesetzt.
Modengekoppelte Methoden
Es gibt zwei allgemeine Arten von Modenkopplungsverfahren: erzwungene Modenkopplung und passive Modenkopplung (Selbstmodenkopplung).
- Erzwungene Modenverriegelung
Bei der erzwungenen Modensynchronisation wird die Phase zwischen den Moden synchronisiert, indem ein Verlust- oder Phasenmodulator in den Laserresonator eingesetzt und die Modulationsfrequenz an das vertikale Modenintervall angepasst wird. - Passive Moden-Synchronisation
Bei der passiven Modensynchronisation wird anstelle eines Modulators ein sättigbarer Absorber in die Kavität eingebracht. Dies führt dazu, dass die Vorderflanke des Pulses durch den Absorber abgeschabt wird. Die ultrakurzen Pulse erhält man, wenn die hintere Flanke durch die Sättigung des Lasermediums abgeschabt wird.
Preise von Ultrakurzpulslasern
Ultrakurzpulslaser haben Pulsbreiten von weniger als einer Pikosekunde, im Femtosekundenbereich, und sind aufgrund ihrer Bauweise ein teurer Lasertyp.
Je nach Anwendung stehen verschiedene Wellenlängen zur Verfügung, die von Infrarot im Grundband von 1 Mikrometer über Grün in der zweiten Harmonischen bis zu Ultraviolett in der dritten Harmonischen reichen. Sie reichen von solchen, die für die Mikrofertigung geeignet sind, bis hin zu solchen für die wissenschaftliche Forschung und haben in der Regel einen Preis von mehreren hundert Tausend Dollar.
Geschichte der Ultrakurzpulslaser
Die ersten Laser mit gepulster Oszillation, die so genannten Rubinlaser, wurden in den 1960er Jahren entwickelt. Damals wurden Rubinlaser als normal oszillierend eingestuft und hatten eine kurze Pulsleistung. Seit der Entwicklung des gütegeschalteten Verfahrens ist er jedoch zu einem praktischen Laser geworden und wird auch heute noch verwendet.
Q-switched-Verfahren
Das gütegeschaltete Verfahren befasst sich hauptsächlich mit Impulsbreiten von us (Mikrosekunden) bis ns (Nanosekunden), wobei der Ausgang des gütegeschalteten Lasers eine gepulste Oszillation nutzt, um in kurzer Zeit eine große Ausgangsleistung zu erzeugen.
Bei dieser Methode wird die Oszillation des Lasers durch Herabsetzen des Q-Wertes begrenzt, bis der Laserkristall eine Inversionsverteilung aufweist und groß wird. Wenn die Inversionsverteilung dann eine bestimmte Größe erreicht, wird der Q-Wert erhöht, um ein starkes gepulstes Licht zu erzeugen.
Er wird hauptsächlich für die Bearbeitung von Elektronik- und Halbleiterkomponenten verwendet.
Mit der Etablierung der oben beschriebenen Q-Switching-Methode wurde es möglich, Hochleistungs-Nanosekundenpulse in einer einzigen, im Vergleich zu Lasern aus Festkörpern wie Rubinen als Matrix verbesserten Spitzenleistung zu reproduzieren.
In der Folge wurde der Rubinlaser 1965 verbessert, und 1966 wurde die modengekoppelte Oszillation mit einem sättigbaren Absorber in Glaslasern erreicht. Dies ermöglichte eine Laserleistung im Pikosekundenbereich.
Im Jahr 1968 wurde dann durch externe Komprimierung des Ausgangsimpulses eine Laserleistung im Sub-Pikosekundenbereich erreicht.
Die 1970er Jahre waren auch die Blütezeit der Pikosekunden-Ära. In dieser Zeit kamen YAG- und Farbstofflaser auf, und die Modenverriegelung mit schnellem Pulsbetrieb wurde allmählich eingesetzt, so dass praktische Pikosekundenlaser verfügbar wurden.
Darüber hinaus wurde 1974 die direkte Erzeugung von Sub-Pikosekundenpulsen durch kontinuierlich gepumpte Farbstofflaser erreicht.
YAG-Laser
Der YAG-Laser ist eine Methode zur Erzeugung von Laserlicht durch Anregung von Kristallen aus Yttrium (Y), Aluminium (A) und Granat (G), die auch in seinem Namen vorkommen, mit intensivem Licht.
Bei diesem Verfahren werden keine Elektroden oder andere Komponenten verwendet, wodurch es einfacher zu handhaben, schneller zu verarbeiten und leichter zu automatisieren ist.
Farbstofflaser
Farbstofflaser, auch Flüssigkeitslaser genannt, sind ein Lasertyp, bei dem der Farbstoff in Alkohol oder Wasser gelöst ist, das dann als Lasermedium verwendet wird. Diese Laser verfügen über eine große Bandbreite an Wellenlängen und können kontinuierlich eingestellt werden. Sie haben ebenfalls ein breites Anwendungsspektrum und werden in der Krebsbehandlung und bei der Urananreicherung eingesetzt.
Im Jahr 1981 wurde die Methode der Synchronisation von Kollisionsimpulsen entwickelt und damit die Femtosekunden-Ära eingeleitet. Im Jahr 1982 wurde dann die Pulskompressionsmethode entwickelt, mit der die Pulsbreite verkürzt wurde.
Später, in den 1990er Jahren, führte die Entwicklung von Ti:Saphir-Lasern mit Selbstmodensynchronisation zum breiten Einsatz von stabilen, leistungsstarken Femtosekundenlasern.