Was sind Ytterbium-Laser?

Ytterbium-Laser bieten gegenüber Lasern, die auf anderen Verstärkungsmaterialien basieren, mehrere Vorteile. Obwohl sie manchmal als Platten- oder Scheibenlaser hergestellt werden, kommen sie vor allem als Faserlaser mit ultrafast für wissenschaftliche Anwendungen und in der Materialbearbeitung zum Einsatz. 

Ytterbium (Yb)-Laser sind Laser, bei denen das Verstärkungsmedium ein mit Ytterbium (Yb³⁺) Ionen dotiertes Wirtsmaterial ist. Sie emittieren Licht im nahen Infrarotbereich, je nach Wirtsmaterial zwischen 1030 und 1070 nm. Bei modengekoppelten Yb-Lasern kann diese Ausgangsleistung effizient frequenzverdoppelt oder -verdreifacht werden, um grüne und ultraviolette Wellenlängen zu erzeugen. Diese modengekoppelten Laser können auch zum Pumpen von parametrischen Vorrichtungen verwendet werden, um eine Wellenlänge Ausgangsleistung zu erzielen.

Vier wesentliche Vorteile von Yb-Lasern

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

1. Sie können modengekoppelt betrieben werden, um Femtosekundenimpulse (fs) zu erzeugen. Aufgrund der dabei entstehenden hohen Spitzenleistung eignen sich Femtosekundenimpulse hervorragend für hochmoderne Anwendungen in den Neurowissenschaften sowie für fortschrittliche Verfahren der Materialbearbeitung.
2. Sie können als Faserlaser hergestellt werden, was eine einfache Handhabung und höchste Zuverlässigkeit gewährleistet, selbst unter anspruchsvollen industriellen Bedingungen.
3. Sie lassen sich besser auf höhere Leistungen skalieren als jeder andere Fs-Laser. Dies ermöglicht hellere Bilder und Multiphotonen schnellere Multiphotonen in den Neurowissenschaften und sorgt für einen höheren Durchsatz beim Präzision , z. B. bei medizinischen Geräten wie Stents. 
4. Sie weisen einen höheren elektrischen Wirkungsgrad auf als andere ultrafast . Dadurch eignen sie sich für umweltfreundlichere Fertigungsverfahren mit höherer Nachhaltigkeit.

Betrachten wir nun die technischen Grundlagen dieser Vorteile genauer und sehen wir uns anschließend an, wie sie sich auf einige repräsentative Anwendungsfälle auswirken.

Ein paar „leichte“ technische Texte

Die Modenkopplung liefert kurze Impulse und eine hohe Spitzenleistung

Die Modenkopplung ist eine Methode, mit der ein Laser sehr kurze Impulse und sehr hohe Impulswiederholraten erzeugen kann. Dabei wird das gesamte in einem Dauerstrichlaser erzeugte Licht zu einem sehr kurzen Impuls gebündelt, der den Laserresonator umläuft. Jedes Mal, wenn der Impuls vom teilreflektierenden Ausgangsspiegel zurückgeworfen wird, entweicht ein Bruchteil davon. So erzeugt der Laser auf natürliche Weise eine Impulsrate, die der Umlaufzeit im Resonator entspricht. Bei einer Resonatorlänge von einigen zehn Zentimetern oder weniger ergibt sich daraus eine Wiederholungsrate von einigen zehn MHz. 

Andererseits hängt die Pulsbreite vom Wellenlänge des Lasers ab, der als „Verstärkungsbandbreite“ bezeichnet wird. Eine größere Ausgangsleistung erzeugt kürzere Pulse und umgekehrt. Dank der breiten Bandbreite von Yb können diese Laser Pulse mit einer Dauer von nur 50 fs und Spitzenleistungen im Gigawattbereich erzeugen.

Die Glasfaserarchitektur sorgt für Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit der Leistung

Faser- und Leistungsskalierung sind eng miteinander verbunden. Bei jedem Festkörperlaser besteht eine Herausforderung darin, unerwünschte Wärme aus dem Verstärkungsmedium abzuführen, wo sie zu Linsenproblemen und sogar zu Schäden führen kann.  Die Wärme muss zur Ableitung leitend zum Rand (zur Oberfläche) des Materials fließen. Dies begrenzt die maximale Leistung von Festkörperlasern, die auf Volumenkristallen basieren. Wenn das Verstärkungsmedium jedoch in eine Faser gestreckt oder zu einer Scheibe gepresst wird, befindet sich jeder Teil des Materials in der Nähe einer gekühlten Oberfläche, und Kühlungsaspekte behindern die Leistungsskalierung nicht mehr.

Ein wesentlicher Vorteil von Yb besteht darin, dass es in Glas eingebettet werden kann, das sich sowohl zu Fasern als auch zu Scheiben formen lässt. Faserlaser haben jedoch den Vorteil, dass sie optomechanisch robust sind und nicht aus der Ausrichtung geraten können. Diese Leistungsskalierbarkeit ist der Grund, warum Yb-Faserlaser wie der Coherent Monaco neue Leistungsstandards für Femtosekundenlaser setzen. Und ihre inhärente Zuverlässigkeit ist der Grund, warum sie für vielfältige und anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt werden.

Effiziente Diode Laserpumpen den CO₂-Fußabdruck

Yb-Laser sind aus zwei Gründen elektrisch effizienter als manche anderen Festkörperlaser. Erstens werden die Diode , die Strom in Licht umwandeln, zum direkten Pumpen der mit Yb dotierten Faser verwendet, ohne Zwischenschritt, der andernfalls den elektrischen Gesamtwirkungsgrad verringern könnte. Zudem ist der Quantendefekt – die Differenz zwischen der Wellenlänge Diode Wellenlänge 976 nm) und der Wellenlänge der Yb-Faser Wellenlänge 1030 bis 1070 nm) – relativ gering. Die durch den Quantendefekt repräsentierte Energie geht als Wärme verloren, weshalb solche kleinen Werte sehr wünschenswert sind.

Anwendungen von Yb-Lasern

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

Multiphotonen

Laser mit geringer Leistung und einer Durchschnittsleistung von wenigen Watt werden hauptsächlich in wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt. Hier ist der Yb-Laser in einem Ein-Gehäuse-Format mit einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) integriert, um eine Wellenlänge Ausgangsleistung zu liefern. Ein Beispiel hierfür ist der Chameleon NX. Die mit Abstand größte Anwendung für diese abstimmbaren Quellen ist Multiphotonen , die hochauflösende 3D-Bilder für die Neurowissenschaften, die intravitale Bildgebung und die translationale Forschung im Bereich von Echtzeit-Biopsien (möglicherweise intraoperativ) liefert. 

Zu den Yb-Lasern mit höherer Leistung (im zweistelligen Wattbereich) gehören die Monaco . Die Infrarotversionen eignen sich sowohl für wissenschaftliche als auch für industrielle Anwendungen. Die wichtigsten wissenschaftlichen Anwendungen liegen in den Neurowissenschaften, wo der Monaco mit einem abstimmbaren optischer parametrischer Verstärker dem Opera F kombiniert Monaco , der eine Pulsbreite von nur 50 fs erzeugt. Der Wellenlänge Ausgang wird sowohl für die Drei-Photonen-Bildgebung als auch für die optogenetische Zwei-Photonen-Photostimulation genutzt. 

Präzision bearbeitung

Die industriell einsetzbare Monaco macht die einzigartigen Vorteile der FS-Laserbearbeitung für eine wachsende Zahl von Anwendungen Präzision nutzbar. Die Infrarotmodelle – Monaco – eignen sich für Anwendungen wie das Schneiden und Schweißen von Glas, das Schneiden von dünnen Materialien und Folien sowie medizinisches Gerät , z. B. Stents und TAVR-Instrumente. 

Die Modelle Monaco bieten umweltfreundliche Leistung und eignen sich daher besonders für Anwendungen in der Materialbearbeitung, wie beispielsweise das Schneiden und Bohren von Polymeren, das Schneiden von flexiblen Leiterplatten und IC-Gehäusen, das Vereinzeln von Siliziumwafern, medizinisches Gerät , das Schneiden dünner Metallfolien sowie das Texturieren

Die 345-nm-UV-Strahlung des Monaco wird zur Materialbearbeitung von Flex-Komponenten sowie zum Schneiden einer Vielzahl von Materialien ohne thermische Nebeneffekte eingesetzt: OLED-Module, Halbleiter , Dünnschichten, Folien und Touch-Sensoren für Displays.