Preisfrage

[pulslaser]

Hat jemand eine logische Erklärung dafür was in einem CW-Resonator mit Nd:Yag physikalisch passiert wenn der Kristall über die Sättiging hinaus gepumpt wird?

Didi

[Dr.Ulli]

Was soll da passieren? Das Pumplicht rauscht durch....

Sättigung heisst ja, das alle vorhandenen Atome angeregt sind - also kann das überschüssige Pump-Licht nicht mehr absorbiert werden (und eventuell Schaden anrichten????).

Nachtrag: Der Laserkristall wird dann also transparent für das Pumplicht.
Dieser Effekt wird ja auch bei "passiven Güteschaltern" ausgenutzt.

[pulslaser]

Mich würde interessieren, wie der Resonator drauf reagiert, was passiert mit der Oszillation bzw. Ausgangsleistung. Ich hab bei meinem DPSS etwas festgestellt und wollte mal die Physiker unter euch zu dem Thema hören. Ich habe die Hoffnung, meine Feststellung deckt sich mit euren Erklärungen.

Didi

[Dr.Ulli]

Das einzige was mir sonst noch einfällt: Wenn es zuviel Pumplicht wird (aber dann schon arg), kommt es natürlich auch zu einer stärkeren Erwärmung das Laserkristalls etc...

Was hast du denn festgestellt?

[pulslaser]

Ich habe festgestellt, dass dann der Oszillator nicht mehr schwingt. Die Leistung bricht sofort zusammen. Die Erklärung dafür ist ganz einfach: Elektronen, die sich auf dem höheren Niveau befinden, geben ja nur Photonen ab wenn sie auf ein niedrigeres Niveau zurückfallen. Wenn die Pumpleistung zu hoch wird, können diese Elektronen nicht mehr zurückfallen sondern werden sofort wieder hochgeschubst. Daher bleibt auch der Lawineneffekt aus.

So hat es mir ein Entwickler von Trumpf- Laser erklärt.

Didi

[Dr.Ulli]

Da muss aber dann schon eine Menge Pumplicht da sein....
Aber was ich mich dabei frage: Das Pumplicht kann ja nur vom Grundniveau ins Laserniveau pumpen...also muss ja was zum wieder raufpumpen im Grundniveau da sein...Also muss doch das Laserniveau wieder "entvölkert" werden...(wenn man mal die ganzen anderen Niveaus ausser Betracht lässt). So sollte sich doch ein dynamisches Gleichgewicht einstellen...
Verständlich wird das erst dann, wenn die Elektronen von einem Niveau oberhalb des Laserniveaus kommen und dieses sehr langlebig ist...dann werden die Laserniveau-Elektronen wieder hochgepumpt....ohne erst lasern zu können.
Oder hab ich jetzt nen Denkfehler?

[goamarty]

Die Erklärung von Trumpf scheint mir falsch.

Wenn die Elektronen angeregt sind, dann können sie kein Licht der Pumpwellenlänge mehr absorbieren, sie müssen zurückfallen und 1064nm Licht abgeben, je schneller sie dann wieder angeregt werden, umso stärker wird die Laseremission. Für diese sind keine Elektronen im Grundzustand erforderlich.
Kann ein Elektron im Nd nach Absorbtion eines 808nm Photons doch noch eines absorbieren und damit auf ein noch höheres Niveau gelangen? Ich denke nicht, sonst könnte man die nötige Besetzingsinversion/Laserschwelle sowieso nicht erreichen. Insbesondere könnte man dann einen Nd Laser niemals axial Pumpen, an der Eintrittsseite des Pumplichtes hat man immer überschüssiges Pumplicht, es muß ja über die ganze aktive Länge des Stabes absorbiert werden. Dort würde ja dann dieses überhöhte Niveau angeregt, wenn es existiert.

In einem Scheibenlaser mit 0,2mm Stärke wird das Pumplicht 16mal auf den Kristall gerichtet und von seiner verspiegelten Rückseite wieder reflektiert, bis es vollständig absorbiert ist.

Der Effekt muß einen anderen Grund haben.

[pulslaser]

Ich hatte mir gedacht, es liegt vieleicht daran, dass die opt. Achse des Laserstrahls nicht genau durch die Mitte des Pumplichtspots trifft. Wenn man nun die Pumpleistung erhöht bildet sich ja bekanntlich eine thermische Linse. Läuft nun die Achse ausser der Mitte dieser Linse wird durch die erhöhung der Pumpleistung (sprich stärkere Krümmung der Linse) die Achse stärker gebrochen und somit wird der Resonator verstimmt, das heisst der intracavity Laserstrahl trifft nun nicht mehr genau 90° auf die Spiegel.

Die Erklärung von Trumpf war für mich auch nicht ganz nachvollziehbar. Soviel ich weiss ist das folgendermassen: Wenn ein Laserkristall bis zur Sättigung gepumpt wird stellt sich eine Leistung ein die nicht weiter ansteigt auch nicht wenn man die Pumpleistung noch weiter erhöht aber dass die stehende Lichtwelle abreisst hab ich noch nie gehört. Muss an der Resonatorgeometrie liegen. Abhilfe schafft da nur ein richtiger Abgleich der Spiegel.

Könnte ich damit richtig liegen?

Gruß Didi

[Dr.Ulli]

"Thermische Linse" bezw. thermische Überlastung (da ist ja bei einer Blitzlampe jede Menge andere Strahlung ausser dem Pumplicht da) und Veränderung des Resonators ist eine gute Erklärung für steigende Verluste.
Außerdem denke ich, dass man ansonsten doch sowiso versucht den Kristall möglichst gesättigt zu betreiben - dafür ist ja extra der Q-Switch da...Kristall aufpumpen bis nix mehr geht und dann ab die Post....
Das geht, weil das Laserniveau ja immer das langlebigste ist, damit die Besetzungsinversion zwischen oberem und unterem Niveau erreicht werden kann...(notwendige Bedingung für einen Laser --> siehe "Ratengleichungen" , Einstein-Koeffizienten (-->Lebensdauern der Niveaus ).

EDIT: Mir ist ein (nichtlinearer) Effekt eingefallen, der nennt sich "Spectral-Hole-Burning" oder "Selbstabsorption" kenne ich aber eigentlich nur von Plasmen.(Gibt anstelle des "Peaks" eine Delle nach unten in der Linie)...muss(t) mal googlen... Wenn es sowas im Lasermedium gibt...

[pulslaser]

Hallo Dr.Ulli,

dieser Effekt tritt bei meinem DPSS auf, nicht bei meinem Lampengepumpten. Hatte den ja schon mal beschrieben. Ist der mit dem Z - Resonator der beidseitig Axial gepumpt wird. Ob der Kristall immer gesättigt betrieben wird denke ich nicht denn ich kann ja sowohl die Pulsfrequenz als auch den Pumpleistung verändern.

Ich werde meiner Idee mal nachgehen denn ich habe dieselbe Strahlquelle nochmal und da tritt der Effekt nicht auf, hab ich letztens ausprobiert.

LG Didi

[sanaia]

Hallo,

rein aus werkstoffseitiger sicht:

• absorption -> thermische linse (thermooptischer effekt) => defokussierung, divergenzänderung -> resonatorgüte sinkt -> leistung bricht ein bzw. der resonator hört überhaupt auf zu schwingen
• nichtlineare effekte: selbstfokussierung => dielektrischer zusammenbruch => mikroriß im kristallinneren ("einschuß")
  vorher ist aber warscheinlich schon die spiegelschicht pulverisiert worden.

sorry für den telegrammstil, habe aber im moment keine zeit für längere ausführungen.

[junior]

Hi!

Einen CW-Laser über die Schwellinversion hinaus zu pumpen geht nicht, weil jedes Bischen mehr an Energie, das du in den Resonator gibst sofort vom Laserprozess bis zur Laserschwelle abgeräumt wird, d.h. erst mal mehr Laser-Leistung. Das geht wie sanaia schon geschrieben hat nicht unbegrenzt, weil dein Laser entweder den langsamen Hitzetod sirbt oder in der "sudden death" Variante entweder Kristall oder Spiegel den Geist aufgeben.

Richtig sättigen kannst du einen Laserkristall nur in einem gepulsten Laser mit Q-switch.

Grüße,

Junior


PS: Habe gerade noch gelesen: du hast ja einen DPSS.
Das ist ein Sonderfall. Das Problem ist dabei, dass deine Pumpdiode nicht frequenzstabilisiert ist. Laserdioden haben die dumme Angewohnheit, dass ihre Emissionswellenlänge temperaturabhängig ist, d.h. wenn du die Diode zu weit aufdrehst fängt deine Wellenlänge an zu wandern, übliche Werte sind 0,2-0,3 nm/°C. Bei zu hohem Betriebsstrom passt dann die Wellenlänge deiner Diode nicht mehr zu dem schmalen Absorptionsfenster des Nd in dem du eigendlich pumpen müsstest und deine Leistung bricht ein.
Umgekehrt stimmt die Wellenlänge einer zu kalten Diode bei niedrigen Pumpleistungen auch nicht. Das ist neben dem nichtlinearen Verhalten des Verdopplungsprozesses (1064->532) der Haupgrund für das extrem nichtlineare Verhalten bei DPSS-Lasern.

[pulslaser]

Hallo Leute, was ihr schreibt ist mir klar, Frequenzdrift über der Temperatur bei den Pumpdioden, thermische Linse -> defokussierung usw... Aber damit ihr wisst um welches System es geht hier ein paar Details. Der Resonator ist in Z Ausführung, wird beidseitig Axial über Faserdioden gepumpt. Im Resonator integriert ist ein AOM als Q-Switch sowie eine Modenblende. Dieses System wird in Markiersystemen der Serie Vektormark von Trumpf eingesetzt. Ich betreibe den Laserkopf im Originalzustand mit der dazu passenden Wasserkühlung. Mag sein, dass sich die Freqenz der Pumpdioden über der Leistung etwas verändert. Das erklärt aber nicht, dass die Leistung des Resonators bei 30A Diodenstrom schlagartig bis auf 0 zusammenbricht. Die Dioden haben bei 36A je eine Leistung von 25Watt. Die Kühlung ist so bemessen (Temperaturregelung und Durchfluss), dass unabhängig von der Pumpleistung die Pumpwellenlänge passt.

Ich denke, der Effekt ist mechanisch begründet wie Sanaia schreibt.

LG Didi

[sanaia]

genau lässt sich das schlecht klären, dazu müsste man den absorptionsgrad des kristalles bei der pumpwellenlänge und der emissionswellenlänge kennen, weiterhin wärmekapazität, wärmeleitfähigkeit und thermooptische konstante.

Bei schlechter wärmeleitfähigkeit und vergleichsweise hoher absorption (anregung von phononen) kann eine kristallkühlung die ausbildung eines brechzahlgradienten ("therm. linse") sogar noch verstärken, da dieser effekt direkt an den temperaturgradienten gekoppelt ist.

Es reicht schon eine vergleichsweise leichte optische inhomogenität, um die strahlparameter (richtung, divergenz) so zu verändern, das die cavity nicht mehr resonant ist, weil die rückkopplung nicht mehr stimmt.
Um mehr leistung rauszukitzeln muss der temperaturgradient "flach" (es ist ein 3D-temperaturfeld) gehalten werden (symetrische kühlung) und die volumenspezifische energiedichte muß klein bleiben (ausnutzung höherer moden um ein größeres kristallvolumen zu verwenden). Man könnte auch einen längeren kristall verwenden, muss dann aber seitlich pumpen und nicht axial.

Du schreibst ja selbst, der effekt tritt bei dem lampengepumpten nicht auf. Das passt zu dem was ich gerade schrieb, denn da ist der kristall symmetrisch gekühlt (liegt im wasser) und prinzipiell "koaxial" (allseitig) gepumpt. Damit bleibt der temperaturgradient "flach" und die volumenbezogene energiedichte niedrig.

Außerdem muss auch genau das volumen gepumpt werden, für welches die resonanzbedingung erfüllt ist, ansonsten stammt die emission nur aus dem volumenelement, in dem sich pumpstrahl und "zu emittierender strahl " schneiden.

[pulslaser]

Hallo, ich danke euch für eure Mühe. Das System welches ich meine hab ich hier http://laserfreak.net/forum/viewtopic.php?t=44495 vor einiger Zeit mal vorgestellt. Im 2. Bild kann man den Resonatoraufbau genauer sehen. Der Kristall sitzt in einer mit Wasser gekühlten Metallhalterung. Das Pumplicht kommt von unten und oben, wird zuvor über 90° abgelenkt. Links sind die beiden Fasern der Pumpdioden zu sehen. Der Kristall selber ist ein kleiner Würfel mit 4mm x 4mm und 5mm lang. Die Resonatorspiegel sitzen in den schwarzen Halterungen aus Metall. Ist alles recht klein deshalb muss man schon genau hinsehen um den Aufbau zu erkennen.

LG Didi

[pulslaser]

Du schreibst ja selbst, der effekt tritt bei dem lampengepumpten nicht auf. Das passt zu dem was ich gerade schrieb, denn da ist der kristall symmetrisch gekühlt (liegt im wasser) und prinzipiell "koaxial" (allseitig) gepumpt. Damit bleibt der temperaturgradient "flach" und die volumenbezogene energiedichte niedrig.

Hallo sanaia, hab beim nochmaligen lesen dieses Post's entdeckt, dass du etwas nicht ganz richtig aufgefasst hattest. Ich meinte, ich hätte noch einen 2. genau identischen DPSS bei dem die Leistung nicht einbricht.

Also ich vermute, durch verstellen der Spiegel läuft die optische Achse etwas diagonal durch den Kristall, schneidet aber in der Kristallmitte genau das Zentrum der mittigen Pumpstrahlung. Der Laserstrahl verlässt den Kristall an den Enden aber ausser der Mitte und somit auch ausser der Mitte der thermischen Linse. Wenn jetzt die thermische Linse ihre Brennweite verkürzt durch erhöhen der Pumpleistung wird der Strahl durch die veränderte Geometrie stärker gebrochen und wandert an den Spiegelflächen so, dass die Spiegel für die Strahlachse nun nicht mehr parallel liegen. So viel zur Theorie, wie die Praxis ausschaut werde ich in den nächsten Tagen versuchen herauszufinden.

Gruß Didi