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Merkmale von 2-µm-Lasern

Merkmale von 2-µm-Lasern

Laser mit einer Wellenlänge von 2 µm haben sich in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt und bieten eine hohe Effizienz, Stabilität und Benutzerfreundlichkeit. 2-µm-Laser sind aufgrund ihrer einzigartigen Absorptionseigenschaften ideal für hochpräzise Anwendungen wie die Laserchirurgie und die Kunststoffbearbeitung geeignet, da sie sehr kleine und präzise Schnitte sowohl in biologischem Gewebe als auch in Kunststoffen mit minimaler lokaler Erwärmung erzeugen können. Durch ihre charakteristische Absorption sind die 2-µm-Laser für bestimmte Anwendungen vorteilhafter als 1-µm-Laser.

Laserdesign

Die ersten 2-µm-Laser waren sehr große, teure, mit Flüssigstickstoff gekühlte Geräte. Heute gibt es 2-µm-Diodenlaser mit 30 mm Länge und Faserlaser, die noch kleiner sind. Aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit und ihres breiten Bereichs an Energieabgabe, der sowohl den gepulsten als auch den Dauerstrichmodus (CW) umfasst, werden 2-µm-Laser die Effizienz verbessern und neue Verfahren in verschiedenen Anwendungen ermöglichen. Fortschritte in der Technik senken die Kosten und verringern die Größe, während sie gleichzeitig die Leistung verbessern. Manche Forscher entwickeln Komponenten aus optischen Fasern, was die Kosten drastisch senken kann.

Laserbetrieb, Elemente und Leistung

Für 2-µm-Laser haben sich zwei seltene Erden für die Laser-Dotierungbewährt, die sowohl für den Dauerstrich- als auch für den gepulsten Laserbetrieb eine hohe Leistung liefern: Thulium (Tm3+) und Holmium (Ho3+). Die Ionen dieser Elemente erreichen die Laseremission in vielen verschiedenen Wirtskristallen und -glasfasern (siehe Tabelle 1). Für den Dauerstrichbetrieb erwiesen sich Thulium-Laser als die bessere Option, während sich Holmium aufgrund der höheren Verstärkung der Holmium-dotierten Kristalle für gepulste und Q-Switch-Laser als besser erwies. Thulium-Laser sind auch deshalb vorteilhaft, weil die Ionen mit handelsüblichen Laserdioden um 800 nm angeregt werden können, während Holmium nur mit einer 1,9-µm-Pumpquelle angeregt werden kann.

2-µm-Laser mit mittleren Leistungen um 100 W sind ideal für eine Reihe von industriellen Prozessen. Tabelle 1 zeigt die von Thulium-dotierten Lasern erreichten Leistungen und Tabelle 2 die von Holmium-dotierten Lasern erreichten Leistungen.

Laserwirtmaterial Pumpwellenlänge (nm)

Emissions-
wellenlänge (nm)

CW-Ausgangsleistung (W) Steigungseffizienz (%)
YAG 805 2013 115 52
YAG 800 2013 120 Nicht angegeben
YLF 792 1910 55 49
YLF 790 1912 148 32,6
LuO3 796 2070 1,5 61
Germanat 800 1900 64 68
Quarzglasfaser 793 2050 110 55
Quarzglasfaser 1567 1940 415 60
Quarzglasfaser 790 2040 885 49,2
Tabelle 1: Veröffentlichte Ausgangsleistungen, Pumpwellenlängen und Emissionswellenlängen für Thulium-dotierte Laser im Dauerstrichbetrieb (Scholle et al., 2010).
Laserwirtmaterial Pumpquelle Pumpwellenlänge (µm) Emissions-wellenlänge (nm) CW-Ausgangsleistung (W) Pulsenergie (mJ) Steigungs-effizienz (%)
Ho:YAG Tm:YL 1,95 2090 1,6 Nicht angegeben 21
Ho:YAG Tm:YLF 1,9 2090 Nicht angegeben 50 Nicht angegeben
Ho:YAG Tm-Faser 1,905 2097 6,4 Nicht angegeben 80
Ho:YLF Tm-Faser 1,94 2050 43 40 42
Ho:YAG Tm-Faser 1,908 2100 10 15 52
Ho:YAG Tm:YLF 1,908 2090 9,4 Nicht angegeben 40
Ho:YAG Tm:YLF 1,91 2100 14 Nicht angegeben 16
Ho:YAG Diode 1,91 2120 40 3,5 57
Ho:YAF Tm-Faser 1,94 2065 12,4 10,9 47
Ho:YAG Tm-Faser 1,908 2090 18,7 Nicht angegeben 80
Tabelle 2: Veröffentlichte Ausgangsleistungen, Pumpwellenlängen und Emissionswellenlängen für Thulium-dotierte Laser (Scholle et al., 2010). 

Augensicherheit

Wellenlängen von 2 µm sind in dem für die Augen als sicher geltenden Wellenlängenbereich enthalten, der bei 1,4 µm beginnt. Dieser Bereich gilt deshalb als sicher für das Auge, weil Laserstrahlung um 1,4 µm - 2,4 µm im Glaskörper des Auges stark absorbiert wird und nicht die Netzhaut erreicht, die für die Weiterleitung von Nervenimpulsen an das Gehirn verantwortlich ist. Außerdem ist die Intensitätsschwelle für irreversible Augenschäden im Bereich von 2 µm viel höher als bei kürzeren Wellenlängen, wie z.B. 1 µm. Auch wenn das benutzerfreundliche Design und der Schutz der Netzhaut von Vorteil sind, können 2-µm-Strahlen neben der Netzhaut auch andere Teile des Auges schädigen, so dass weiterhin alle Laser-Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen.

Kompatible optische Materialien

Optische Materialien mit guter Transmission im 2-µm-Spektralbereich haben jeweils ihre eigenen einzigartigen Vorteile, die sich für verschiedene Anwendungen eignen. Zinkselenid (ZnSe) ist wohl das bevorzugte Material für Linsen, Fenster, Auskoppler und Strahlaufweiter, die im 2-µm-Spektralbereich arbeiten, da es ein geringes Absorptionsvermögen bei infraroten Wellenlängen und eine gute Transmission im sichtbaren Bereich aufweist. Die Transmission im sichtbaren Spektrum ermöglicht die Verwendung eines sichtbaren Führungsstrahls zusammen mit einem 2-µm-Strahl. Kalziumfluorid (CaF2) ist eine weitere Substratoption für 2-µm-Laser, da seine Transmission zwischen 0,25 und 7 µm über 90% liegt, es in großen Größen verfügbar ist und billiger als ähnliche Substrate wie Bariumfluorid (BaF2) ist. Andere Substrate, die bei 2 µm transmittieren, sind Quarzglas, Germanium, Magnesiumfluorid (MgF2), N-BK7, Kaliumbromid (KBr), Saphir, Silizium, Natriumchlorid (NaCl) und klares Zinksulfid (auch bekannt als Cleartran™).

IR-Material-Vergleich
NameEigenschaften / Typische Anwendungen
Kalziumfluorid (CaF2) Geringe Absorption, hohe Homogenität des Brechungsindex
Einsatz in Spektroskopie, Halbleiterverarbeitung, gekühlte Wärmebildgebung
Quarzglas Geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient, sehr gute IR-Transmission
Einsatz in Interferometrie, Laserinstrumenten, Spektroskopie
Germanium (Ge) Hoher nd,hohe Knoop-Härte; ausgezeichnete Transmission von MWIR-FIR
Einsatz in thermischer Bildgebung, Infrarotbildgebung in rauer Umgebung
Magnesiumfluorid (MgF2) Hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient, niedriger Brechungsindex; gute Transmission von VIS-MWIR
Einsatz in Fenstern, Linsen und Polarisationsfiltern, die keine Antireflexionsbeschichtung benötigen
N-BK7 Kostengünstiges Material, funktioniert gut in sichtbaren und NIR-Anwendungen
Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung und Industrieanwendungen
Kaliumbromid (KBr) Widerstandsfähig gegen mechanische Einwirkungen, wasserlöslich, breites Transmissionsspektrum
Einsatz in FTIR-Spektroskopie
Saphir Sehr widerstandsfähig, gute IR-Transmission
Einsatz in IR-Lasersystemen, Spektroskopie und Instrumenten für raue Umgebungen
Silizium (Si) Kostengünstig, geringes Gewicht
Einsatz in Spektroskopie, MWIR-Lasersystemen, THz-Bildgebung
Natriumchlorid (NaCl) Wasserlöslich, kostengünstig, hervorragende Transmission von 250 nm bis 16 μm, empfindlich bei thermischem Schock
Einsatz in FTIR-Spektroskopie
Zinkselenid (ZnSe) Geringe Absorption, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock
CO2-Lasersysteme und thermische Bildgebung
Zinksulfid (ZnS) Ausgezeichnete Transmission von VIS-IR, härter und höhere chemische Beständigkeit als ZnSe
Einsatz in der thermischen Bildgebung
Tabelle 3: Vergleich der Eigenschaften von gängigen IR-Substraten.

Wenn Sie mehr über die vielversprechenden Anwendungen von 2-µm-Laseroptiken erfahren möchten, laden Sie die folgenden Whitepapers herunter. 

2µm Medical Laser Applications
2 µm Medical Laser Applications
Download
2µm Materials Processing Applications
2 µm Materials Processing Applications
Download

Literatur:
Scholle, Karsten, Samir Lamrini, Philipp Koopmann, and Peter Fuhrberg. "2 µm Laser Sources and Their Possible Applications." InTechOpen. InTech, 01 Feb. 2010. Web.

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