Femtosekunden-b:YAG-Scheibenlaser

Erst kürzlich wurde es möglich, leistungsskalierbare direkt diodengepumpte Hochleistungsfestkörperlaser zu bauen, indem das neue Scheibenlaserkonzept angewandt wird. Mit diesem Aufbau können auch Quasi-Drei-Niveau- Systeme wie YB:YAG mit hohem Wirkungsgrad und gleichzeitig beugungsbegrenzter Strahlqualität zum Einsatz gebracht werden. Zusätzlich erlaubt Yb:YAG aufgrund seiner Fluoreszenzbandbreite in einem idealen modenverkoppelten Aufbau die Erzeugung von 100-fs-Impulsen. Dabei erscheint Kerr-Linsen-Modenverkopplung zusammen mit Spiegel-Dispersionskontrolle als einzige Technik mit der Leistungsskalierbarkeit kompatibel. Daher werden in diesem Projekt ein mit 30 W und ein mit 60 W diodengepumpter Resonator vorgeschlagen, die Impulse von ~ 150 fs Dauer und ~ 100 MHz Repetitionsrate mit Durchschnittsleistungen von 10 W bzw. 20 W, Impulsenergien von 0,1 mu-J bzw. 0,2 mu-J und Spitzenleistungen von der Größenordnung von 1 MW erzeugen. Dieser erste Schritt in Richtung Hochleistungs-Femtosekundenlaser erzeugt somit bereits ungefähr 30 mal mehr Durchschnittsleistung als andere gegenwärtig verwendete Resonatoren mit vergleichbarer Impulsdauer. die beugungsbegrenzte Strahlqualität wird eine Fokussierung zu höchsten Intensitäten der Größenordnung TW/cm erlauben. Infolge seines modularen Konzeptes kann der vorgeschlagene Aufbau zu einem Resonator- Regenerativer-Verstärker-System unter Benützung derselben Pumpmodule umgebaut werden, das auf die Erzeugung von ~ 0,5 mu-J pro Impuls mit ~ 200 fs Dauer bei ~ 10 kHz Repetitionsrate hin spezifiziert ist und damit das Gebiet von PW/cm ansteuert. Ein derartiges diodegepumptes Hochleistungs-Femtosekunden-Lasersytem, das kompakt, effizient und auf lange Sicht auch ökonomisch ist, wird neue Anwendungsmöglichkeiten erschließen, die in einem weiten Bereich von Wissenschaft bis hin zum neu etablierten Gebiet der "Femtosekundenmaterialbearbeitung" liegen, und eine Reihe derartiger angewandter Experimente wird im zweiten Projektteil durchgeführt werden.

Das FWF-Projekt "Femtosekunden-Yb:YAG-Scheibenlaser" hatte einen neuen, innovativen Lasertyp zur Erzeugung von Femtosekundenlaserimpulsen mit hoher Durchschnittsleistung zum Ziel. Zum Zeitpunkt seiner Einreichung war dieses Projekt eines der ersten, das die steigende Bedeutung von Femtosekundenlaserimpulsen in der Materialbearbeitung erkannte und dafür einen neuen Lasertyp entwickeln sollte. Die Vorteile dieser Technik liegen in der Möglichkeit der Präzisionsbearbeitung jeglicher Materialien, auch größter Härte und höchsten Schmelzpunktes. Weiters in der berührungslosen Bearbeitung, die besonders bei biologischer Weichsubstanz von Bedeutung ist, und schließlich auch in der Materialbearbeitung mit geringstmöglicher thermischer und akustischer Schockeinwirkung auf das verbleibende Material, was im anorganischen wie organischen Anwendungsfall von Bedeutung ist. Man denke z.B. an die Bearbeitung von Zahnhartsubstanz ("Laserbohren" mit Femtosekunden, wo geringst-mögliche Wärmeeinwirkung bei möglichst hoher Abtraggeschwindigkeit gewünscht ist, etwas was der Einsatz bisheriger Laser im Dentalbereich kaum erfüllt). Die Projektdurchführung beruhte auf einer Kooperation mit der Universität Stuttgart, wo Herr Dr. Giesen einen Dauerstrahlhochleistungslaser auf Basis Yb:YAG-Scheibenlaser entwickelt hatte. Der Projektleiter war der weltweit erste, der die Kombination mit der Erzeugung ultrakurzer Impulse als äußerst nützlich erkannte. Leider gab es in der Durchführung vielfältiger technologischer Schritte viele Ver-zögerungen, die außerhalb der möglichen Einflußname der Projektleitung waren, sodaß der Projektfortschritt zurückblieb, wenn auch richtige und beachtete Verbesserungsschritte gesetzt wurden. Auch bei Lasern gibt es alternative Methoden, z.B. der Erzeugung von Femtosekun-denimpulsen. In dieser Hinsicht überholten uns Kollegen der ETH Zürich, die in analoger Form mit einem alternativen Modulationsprinzip mit der Stuttgarter Gruppe kooperierten und schließlich als erste den bahnbrechenden Erfolg für sich buchen konnten. Die wissenschaftliche Anerkennung war gewaltig! Aus heutiger Sicht stellt die Züricher Variante die bessere Methode der Realisierung des Yb:YAG- Femtosekundenscheibenlasers dar, die noch viel Beachtung finden wird. Dieses Projekt mußte aus Gründen des Zeitablaufes vor einer Realisierung der geforderten Meilensteine beendet werden. Trotzdem kann man namhafte Erfolge nennen: 1. Der vorgeschlagene Lasertyp erweist sich als der erfolgreichste für diese Kategorie der Pulserzeugung. 2. Detailverbesserungen im Resonatoraufbau fanden internationale Anerkennung, belegt in einer Anzahl von zusammenfassenden Artikeln. 3. In vielen Vorträgen wurde erfolgreich für die Femtosekundentechnik in der Materialbearbeitung geworben. Das führte u.a. zu spezifischen Entwicklungen in der österreichischen Industrie (z.B. Dentallasertechnik). Kleine, junge österreichische Laserunternehmen wurden beflügelt, in diese Richtung weiter zu entwickeln.