Gütegeschaltete Laser werden über zwei primäre Methoden mit Energie versorgt: kontinuierliche Wellen (CW) Pumpen oder gepulste Pumpen. Die Wahl der Pumpquelle bestimmt grundlegend die Betriebseigenschaften des Lasers, insbesondere seine Pulsrepetitionsrate.
Die Pumpmethode ist nur die halbe Miete; das Erreichen spezifischer Leistungsziele erfordert die Abstimmung der Pumpquelle mit der richtigen Resonatorgeometrie und Laserverstärkung.
Pumpmechanismen
Kontinuierliches vs. Gepulstes Pumpen
Nach den üblichen Betriebsprinzipien können gütegeschaltete Laser entweder mit einer konstanten Energiequelle (kontinuierlich) oder mit intermittierenden Energieimpulsen (gepulst) betrieben werden.
Verwendung von Blitzlampen
Für das gepulste Pumpen sind Blitzlampen eine gängige Anregungsquelle.
Diese sind besonders effektiv, wenn die Anwendung niedrige Pulsrepetitionsraten erfordert. Durch das Pulsen der Pumpquelle selbst kann das System mit dem Güteschaltmechanismus synchronisiert werden, um die Energiespeicherung und -freisetzung zu optimieren.
Optimale Pulsleistung erzielen
Die Anforderung für kurze Pulse
Gütegeschaltete Laser, wie Nd:YAG, Rubin und Alexandrit, werden für die Erzeugung von Pulsen im Nanosekundenbereich ($10^{-9}$ Sekunden) geschätzt.
Um diese extrem kurzen Dauern zu erreichen, benötigt das System zwei spezifische physikalische Eigenschaften: einen kurzen Laserresonator und hohe Laserverstärkung.
Mikrochip-Laser
Mikrochip-Laser sind ein Beispiel für die Beziehung zwischen Größe und Pulsdauer.
Da sie extrem kurze Resonatoren verwenden, können sie die kürzest möglichen Pulse erzeugen. Diese kompakte Geometrie beschränkt sie jedoch typischerweise auf die Erzeugung nur moderater Energiemengen.
Kompakte Endpumpensysteme
Für Anwendungen, die ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Leistung erfordern, sind kompakte, endgepumpte Festkörperlaser oft die überlegene Wahl.
Ihr Design ermöglicht höhere Verstärkung, wodurch sie kurze Pulsdauern (wenige Nanosekunden) mit Pulsenergien im Millijoule-Bereich kombinieren können.
Verständnis der Kompromisse
Die Grenzen von Dünnschichtlasern
Es ist entscheidend zu verstehen, dass hohe Pulsenergie nicht automatisch eine kurze Pulsdauer garantiert.
Dünnschichtlaser dienen als Hauptbeispiel für diese Einschränkung. Obwohl sie sehr hohe Pulsenergien ermöglichen, machen sie ihre relativ geringe Verstärkung ungeeignet für die Erzeugung sehr kurzer Pulse.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Die Auswahl der richtigen gütegeschalteten Konfiguration hängt vollständig davon ab, welcher Parameter – Pulsdauer oder Energie – für Ihre Anwendung am kritischsten ist.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf extrem kurzer Pulsdauer liegt: Priorisieren Sie Mikrochip-Laser, um ihre kurze Resonatorgeometrie zu nutzen, und akzeptieren Sie moderate Energiemengen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einem Gleichgewicht zwischen kurzen Pulsen und höherer Leistung liegt: Entscheiden Sie sich für kompakte, endgepumpte Festkörperlaser, die eine hohe Verstärkung nutzen, um Energie im Millijoule-Bereich mit Nanosekunden-Timing zu liefern.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf niedrigen Pulsrepetitionsraten liegt: Verwenden Sie gepulste Pumpquellen wie Blitzlampen, die speziell für diese Betriebsfrequenz optimiert sind.
Durch die Abstimmung der Pumpmethode mit den physikalischen Einschränkungen des Verstärkungsmediums stellen Sie sicher, dass der Laser genau wie erforderlich funktioniert.
Zusammenfassungstabelle:
| Pumpmethode | Primärquelle | Ideale Wiederholrate | Hauptvorteil |
|---|---|---|---|
| Kontinuierliche Welle (CW) | Laserdioden | Hohe Wiederholraten | Stabile, konstante Energieversorgung |
| Gepulstes Pumpen | Blitzlampen | Niedrige Wiederholraten | Hohe Energiespeicherung für einzelne Pulse |
| Endgepumpt | Kompakte Diodensysteme | Mittel bis Hoch | Hohe Verstärkung und Energie im Millijoule-Bereich |
| Mikrochip-Design | Integrierte Dioden | Variabel | Kürzestmögliche Nanosekundenpulse |
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