Nd:YAG-Laser - Begriffsdefinition und Funktionsweise

Ein Nd:YAG Laser ist ein Festkörperlaser, dessen Hauptemissionslinie im nahen Infrarot bei 1064nm liegt. Der Wirtskristall ist Yttrium-Aluminium-Granat. Typisch werden 0,5% - 3% der Yttrium Atome durch Neodym ersetzt (= "Dotierung"). Dieser Lasertyp wurde 1964 in den Bell Laboratories entwickelt. Er zählt neben den CO2- und den Faserlasern zu den am weitesten verbreiteten Lasertypen für die industrielle Materialbearbeitung.

Die Anregung erfolgt für Laser mit mittlerer Ausgangsleistung bis etwa 100 Watt über Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 808nm (diodengepumpte Laser). Dabei werden die Neodym Atome elektronisch angeregt, d.h. deren Elektronen gelangen durch Absorption des Pumplichtes auf höhere Energieniveaus. Die in den angeregten Atomen gespeicherte Energie wird durch stimulierte Emission wieder freigesetzt.

In der Realisierung eines Festkörpers als Lasermedium liegt meistens die größte technologische Herausforderung: Dieser Festkörper muss hochrein aber gezielt dotiert und am besten monokristallin vorliegen. Außerdem soll er zugeführte Energie mit möglichst hoher Effizienz umsetzen und somit Verlustwärme minimieren. Ein Festkörperlaser kann sich bei hoher Pumpleistung durch die eigene Verstärkung zerstören. Daher muss das Lasermedium einer möglichst hohen Energiedichte standhalten können.

Die Schreibweise Nd:YAG bedeutet, dass in einem Yttrium-Aluminium-Granat Kristall (chemisch: Y3Al5O12) Yttrium (chem. Symbol: Y) Ionen durch Neodym (chem. Symbol: Nd) Ionen ersetzt wurden. Beim Nd:YAG Laser liegt die Dotierung (der Ersetzungsgrad) zwischen 0,5% - 3%. Je höher der Dotierungsgrad desto höher wird auch die Laserleistung, desto geringer wird aber die Strahlqualität. Dieser Zielkonflikt ist für alle Laser gültig.

Die Energiezufuhr erfolgt optisch, d.h. der Nd:YAG Kristall wird beleuchtet. Dabei werden die Neodym Ionen (Nd3+) elektronisch angeregt. Als Pumpquellen kommen Krypton-Bogenlampen, Halogenlampen, Xenon-Blitzlampen, Leuchtdioden oder Laserdioden zum Einsatz.

Letztere sind kurz gesagt geeignete Leuchtdioden, deren Grenzflächen so verspiegelt wurden, dass sie einen Resonator bilden. Laserdioden sind also elektrisch gepumpte und extrem kompakte Halbleiterlaser (diese sind eine Untergruppe der Festkörperlaser). Der hohe Wirkungsgrad der Dioden (damit sind ab jetzt LEDs und Laserdioden bezeichnet) selbst, die exakte Ansteuermöglichkeit und die im Vergleich zu Lampen weitaus größere Lebensdauer haben die Verbreitung des Nd:YAG Lasers stark forciert und die bisher verwendeten Lampen-Pumpquellen zumindest im unteren Leistungsbereich verdrängt.

Der optische Wirkungsgrad gibt das Verhältnis von abgestrahlter Laserleistung zu zugeführter Lichtleistung an. Während dieser für lampengepumpte YAG Laser nur etwa 2-4% beträgt, erreichen diodengepumpte Systeme optische Wirkungsgrade zwischen 30-50%. Die geringere Verlustwärme der diodengepumpten Systeme erhöht die Lebensdauer des Kristalls und vermindert den Kühlungsaufwand. Darüberhinaus ermöglichen sie im Pulsbetrieb (z.B. Q-switch) höhere Repetitionsraten (Anzahl der Pulse pro Sekunde) und Pulsspitzenleistungen.

Neuere scheibenförmige Resonatorgeometrien („Disc-“ oder „Scheibenlaser“ und „Slab Laser“) verdrängen zunehmend „klassische“ zylindrische Nd:YAG Stäbe („laser rods“), wobei der Durchmesser des Zylinders viel kleiner als die Länge ist. Daher haben diese Stäbe eine weit geringere Oberfläche als eine Scheibe (d.h. Durchmesser ist viel größer als die Dicke) gleichen Volumens. Zylinderförmige Resonatorstäbe (englisch "rods") sind daher viel schwerer zu kühlen. Da bei Scheibenlasern die Wärme wesentlich effizienter als bei Rod-Lasern abgeführt werden kann, sind auch höhere Pumpleistungen, die letztlich zu höheren Laserleistungen führen, möglich. Derzeit stehen Nd:YAG mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung über 10 kW im industriellen Einsatz.

Die Wellenlänge des Nd:YAG Lasers ist fast genau 10 mal geringer als die des CO2 Lasers (1,064 Mikrometer im Vergleich zu 10,6 Mikrometer). Die kürzere Wellenlänge erlaubt wesentlich kleinere Foci und damit höhere Intensitäten bei gleicher Leistung im Vergleich zu CO2 Lasern. Für Metallbearbeitung ist dies - und die von Metallen stärker absorbierte kürzere Wellenlänge - vorteilhaft.

Der Nd:YAG Laser im Bereich Markieren und Kennzeichnen:

Weiters kann das vom Nd:YAG Laser abgestrahlte Licht (nahes Infrarot) in einer Glasfaser geführt werden, wodurch die Integration in viele Maschinen wie z.B. Schweißroboter erleichtert wird. Wirtschaftlich vorteilhaft ist darüberhinaus, dass kostengünstige optische Elemente aus Quarzglas verwendet werden können. Neben der Laserbeschriftung werden Nd:YAG-Laser hauptsächlich für das Laserschweißen, -schneiden und für Mikrobearbeitung eingesetzt.

Nachteilig sind relativ hohe Investitionskosten und geringere Strahlqualität bei sehr hohen Leistungen.

Die vom Nd:YAG Laser emittierte Wellenlänge läßt sich mittels nichtlinearer Kristalle relativ effizient halbieren, d.h. die Frequenz des Laserlichtes wird verdoppelt. Dadurch erhält man sichtbares grünes Licht mit einer Wellenlänge von 1064nm / 2 = 532nm. Frequenzverdreifachung bzw. Wellenlängendrittelung führt zur UV Emission mit 1064nm / 3 = 355nm. Diese Wellenlänge ermöglicht die Beschriftung von so gut wie allen Kunststoffen.

Weitere Anwendungsbereich des Nd:YAG Lasers liegen in der Forschung, der optischen Strömungstechnik, dem Entfernen von Tätowierungen sowie als Blendwaffe im militärischen Bereich. 

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