De Yb:YAG laser

De Yb:YAG laser
Steven Thys
1. Inleiding
In het kader van het vak H245: Optische communicatie en lasers kregen we een opdracht
omtrent Yb:YAG lasers. Dit zijn vaste stof lasers die gebruik maken van het YAG kristal.
Tot in de jaren ’60 werden lampen gebruikt als stralingsbronnen om vaste stof lasers op
te pompen. Het nadeel van lampen is dat deze licht uitstralen over een veel te breed
spectrum en dat daarom de efficiëntie klein is. Omdat diode lasers (die rechtstreeks
electrische stroom in licht omzetten) smalbandiger zijn, kunnen hiermee hogere
efficiënties bereikt worden. Op dit moment is de Nd:YAG laser de meest gebruikte YAG
laser voor gemiddeld tot hoge vermogens. In de nabije toekomst zou deze situatie kunnen
veranderen omwille van de technische ontwikkelingen op het gebied van pomptechnieken
met behulp van diodes. Deze nieuwe technieken zorgen ervoor dat hogere
pompvermogens bereikt worden. Dergelijke pompvermogens zijn nodig voor Yb-YAG
lasers [1]. We zullen in dit werkje eerst de eigenschappen en de specifieke voordelen van
het YAG kristal en het Yb3+-ion bespreken. Vervolgens zullen we de verschillende
mechanismen bespreken die aangewend worden om electronen naar hogere
energieniveaus op te pompen. Daarna zullen we even kort het spiegelsysteem bespreken.
Als gevolg van de straling van de pompdiodes zal er ook warmte ontwikkeld worden.
Koeling is dus noodzakelijk en zullen we bespreken in paragraaf 5. Tenslotte zetten we
nog eens de voordelen van de Yb:YAG laser op een rijtje.
2. Materialen
2.1 Het YAG-kristal
Het meest gebruikte kristal in HAP DPSSL (high-average-power, diode-pumped, solidstate lasers) is het YAG (yttrium-aluminium-granaat) kristal. Dit kristal heeft de beste
thermische eigenschappen zoals bijvoorbeeld een hoge thermische geleidbaarheid.
Verder heeft dit kristal een grote breukweerstand. Om deze redenen is YAG het meest
gebruikte kristal voor HAP DPSSL toepassingen. Dit kristal gaat men voor gebruik in
lasers eerst nog doperen met ionen. Zoals in de inleiding vermeld worden tot voor kort
bijna uitsluitend Nd3+-ionen gebruikt voor het doperen. Doperen met het Yb3+-ion blijkt
echter bijkomende voordelen in te houden.
2.2 Het Yb3+-ion
Yb:YAG bezit enkele eigenschappen die dit materiaal uiterst geschikt maken voor het
gebruik als laserkristal van hoge kwaliteit:
1

Het quantum defect bij dit kristal is kleiner dan het quantum defect bij Nd:YAG.
Omwille van dit effect blijft de optische efficiëntie bij deze laatste beperkt tot
76%. Door het groot aantal energieniveaus in de buurt van het laserniveau (zie
figuur 1) zal deze efficiëntie nog dalen tot 68%. Wanneer er veel nabij gelegen
energieniveaus zijn, zullen er immers nog veel electronen naar lagere niveaus
vervallen en naar hogere niveaus converteren. Dit wil zeggen dat we hier met een
warmteproduktie van 32% zitten. Het energieschema van Yb:YAG daarentegen is
veel eenvoudiger. Het quantum defect blijft hier beperkt. Dit leidt tot een optische
efficiëntie van 91%. Deze zal bovendien niet verminderd worden door verval of
conversie van electronen naar andere niveaus. Bij Yb:YAG is er dus maar een
warmteproduktie van 9%. [2]
Figuur 1: Schema energieniveaus

Bovendien is het mogelijk om doperingsgehaltes tot 30% Yb te halen (zie figuur
2), in plaats van 1.5% Nd. Hoe hoger het doperingsgehalte, hoe hoger de
efficiëntie en hoe kleiner de absorptielengtes zijn. Dit laat toe om de lengte van
het kristal te verkleinen en zo meer compacte structuren te bekomen (zie figuur
3). Ook de thermische gradiënt binnenin het kristal zal afnemen. [2]
2
Figuur 2: Verschillende doperingsniveaus
Figuur 3: Optische efficientie

Verder heeft Yb:YAG een absorptieband van ongeveer 18 nm rond 940 nm (zie
figuur 4). Dit is breder dan bij Nd:YAG (<2 nm rond 808 nm). Dit heeft twee
belangrijke voordelen: een absorptieband van 18 nm maakt het Yb:YAG systeem
minder afhankelijk van de golflengte van de pompdiodes. Het andere voordeel is
dat pompen op 940 nm het gebruik van InGaAs diodes toelaat. Deze diodes zijn
meer robuust en hebben een langere levensduur dan de AlGaAs diodes die bij
Nd:YAG gebruikt worden. [1]
3
Figuur 4: Absorptie spectrum voor Yb:YAG en Nd:YAG


Ook zal de Yb:YAG laser bij eenzelfde excitatie vier maal langer stralen dan een
Nd:YAG laser. Daarom kan men met deze laser hogere energiepulsen opwekken.
Tenslotte hebben we de belangrijkste eigenschappen van het Yb:YAG kristal
samengevat in tabel 1 [5].
Tabel 1: Basiseigenschappen van Yb:YAG
Chemical Formula
Yb: Y3Al5O12
Crystal Structure
Cubic
Lattice constants
12.01 Å
Melting Point
1970o C
Density
4.56 g/cm2
Mhos Hardness
8.5
Dopant
5-30% Yb
Thermal Expansion Coefficient
7.8*10-6/K,0-250o C
Thermal Conductivity
14W.s/m/k at 20o C
Loss Coefficient
0.003 cm-1
Index of Refraction
1.82
dn/dY
9*10-5/o C
Lasing Wavelength
1030 nm, 1050 nm
Fluorescence Lifetime
1.2 ms
Emission Cross Section
2.2*10-20 cm2
Pump Wavelength
0.9-1.0 m
Absorption band about pump wavelength 18 nm
4
3. Pompmechanismen
3.1 Diode side pumped
Bij side pumped lasers zijn de laser diodes die moeten zorgen voor het pomplicht radiaal
rond de caviteit geplaatst (zie figuur 5), net zoals bij pompmechanismen die gebruik
maken van lampen. Met zulke configuraties kunnen hoge vermogens bereikt worden,
hoger dan bij andere excitatiemechanismen. De caviteit bij side pumped Yb:YAG lasers
bestaat uit een staaf en twee mantels. De buitenste mantel staat in voor het pompen, de
binnenste voor koeling. Het pomplicht wordt door drie kleine, gelijkmatig verspreide,
anti-reflecterende vensters door de buitenste mantel geleid. De rest van deze mantel is
bekleed met hoog reflecterend materiaal. Zo kan men ervoor zorgen dat het diodelicht
meermaals door de staaf gaat [4]. Indien de hoog reflecterende laag niet aanwezig is,
worden te weinig electronen geëxciteerd. Het pomplicht gaat immers transversaal door de
resonator en zou zonder de hoog reflecterende mantel maar een beperkte afstand door het
kristal afleggen. Om de positie van de laserdiodes en de vensters te optimaliseren kan
men gebruik maken van algoritmen [3]. Het nadeel van deze excitatiemethode is echter
dat ze niet kan gebruikt worden voor te korte staven.
Figuur 5: side pumping mechanisme
3.2 Diode end pumped
We hebben reeds vermeld dat we door het YAG kristal hoger te doperen met Yb3+-ionen
de lengte van de caviteit kleiner kunnen maken. Als we deze lengte te klein maken
kunnen we geen side pumping meer toepassen omdat het oppervlak van het kristal te
klein wordt en zo niet genoeg energie kunnen leveren aan het kristal. Als we dergelijke
compacte lasers willen bekomen, moeten we overgaan naar een ander
excitatiemechanisme, namelijk het diode end pumped mechanisme. Hierbij stuurt men
het diodelicht in longitudinale richting doorheen het kristal. Het struikelblok bij de
ontwikkeling van diode end pumped systemen is de lage effectieve straling van de
laserdiodes in de richting van de voorkant van het laserkristal. Deze lage effectieve
straling volgt uit de grote divergentiehoek van het stralingspatroon van de rij diodes. Bij
Yb:YAG lasers heeft men grote pompvermogens nodig en kunnen dergelijke verliezen
niet toegestaan worden. We zullen in wat hierop volgt twee technieken bespreken om dit
5
probleem op te lossen. Deze technieken zijn recent ontwikkeld, vandaar dat Yb:YAG
slechts sinds kort de concurrentie kan aangaan met de Nd:YAG.
3.2.1 End pumping met lens duct
De bedoeling van de lens duct is de straling van de diodes op een efficiënte wijze over te
brengen naar de voorkant van het kristal. Als we hiervoor een gewone lens zouden
gebruiken en werken met coherent licht dan kunnen we het licht focusseren in het
brandpunt van de lens. De brandpuntsafstand wordt gegeven door:
n
lr
(1)
n 1
met r de kromtestraal van de lens en n de brekingsindex van de lens. Wij hebben hier
echter te maken met een niet-coherente lichtbundel. Deze kunnen we niet perfect
focusseren met behulp van een gewone lens. Dit is de reden waarom een lens duct
gebruikt wordt (zie figuur 6). Deze is gemaakt van optisch transparant materiaal en moet
ervoor zorgen dat er zoveel mogelijk licht aan de ingang van het kristal afgeleverd wordt.
Dit wordt bekomen door middel van reflectie op de zijkanten van de duct bovenop de
lenswerking aan het ingangsoppervlak. De lens duct levert de pompstraling met meer
intensiteit en hoge efficiëntie af aan de ingang van het kristal. Het blijft echter nog steeds
onmogelijk om deze straling in een punt te focusseren. De configuratie is optimaal als het
uiteinde van de lens duct ingeschreven is in de ingang van het laserkristal. De optimale
lengte van de lens duct is niet meer gelijk aan de brandpuntsafstand gegeven door
formule (1), maar is iets korter omdat we het licht focusseren in een gebied in plaats van
in een punt. De lengte van de lens duct wordt gegeven door de volgende formule:
nd
(2)
l d  (0.92) * rd
nd  1
met rd kromtestraal en nd de brekingsindex van de lens duct.
Figuur 6: End pumping met lens duct
6
3.2.2 End pumping met behulp van sferische spiegels
Een andere methode om het pomplicht op een efficiënte manier in de caviteit te brengen
is door gebruik te maken van sferische spiegels (zie figuur 7). Deze opstelling is
ontwikkeld aan de universiteit van Stuttgart [2].
Figuur 7: End pumping met sferische spiegels
Het pomplicht wordt via een optische vezel naar een eerste sferische spiegel gebracht.
Deze sferische spiegel weerkaatst het pomplicht in de richting van het kristal. De
voorkant van het kristal is bekleed met materiaal dat het pomplicht (golflengte = 941 nm)
doorlaat, maar het laserlicht (golflengte = 1029 nm) weerkaatst. De achterzijde is bekleed
met een hoog reflecterende mantel voor alle golflengten. Het pomplicht wordt hier
gereflecteerd en verlaat de caviteit terug langs de voorkant. Dan wordt het door een
tweede sferische spiegel terug weerkaatst in de richting van het kristal. Zo zal het
pomplicht meermaals doorheen het kristal gaan. De optische efficiëntie stijgt met het
aantal doorgangen van het pomplicht door het kristal (zie figuur 8). De redenen hiervoor
zijn de volgende:
 Meervoudige doorgangen van het pomplicht vergroten de interactielengte tussen
de pomp en het kristal. Op deze manier is het net alsof het kristal 4, 8 of 16 maal
dikker is.
 Vermeerderen van het aantal doorgangen doorheen het kristal laat toe de
kristallengte te verkleinen. Op die manier verminderen we de thermische gradiënt
binnenin het kristal en verhogen we de efficiëntie.
7
Figuur 8 : Optische efficientie
Verder kunnen nog enkele verbeteringen aangebracht worden om een stevig industrieel
product te bekomen:
 Zestien doorgangen doorheen het Yb:YAG kristal zorgen ervoor dat het
pomplicht bijna volledig geabsorbeerd wordt (97%) en dat een uitstekende
optische efficiëntie bekomen wordt.
 De vier sferische spiegels kunnen vervangen worden door een enkele parabolische
spiegel. Deze opstelling is stabieler en nauwkeuriger. Verder wordt de opstelling
door het gebruik van een parabolische spiegel compacter (250*57*57 mm3).
 Verder wordt een heel goede stabiliteit van het uitgangsvermogen behaald (zie
figuur 9), zelfs zonder een terugkoppellus.
Figuur 9: Uitgangsstabiliteit
8
4. Spiegelmechanisme
4.1 Side pumped lasers
Bij dit type lasers wordt het licht langs het zijoppervlak van het kristal naar
binnengebracht. Heel de staaf (zowel voor-, zij- als achteroppervlak) is bekleed met hoog
reflecterend materiaal om zowel het pomp- als het laserlicht in de caviteit te houden. Er
worden enkel een aantal vensters in het zijoppervlak voorzien om het pomplicht door te
laten.
4.2 End pumped lasers
Bij deze lasers wordt het pomplicht aangebracht langs de voorkant van het kristal.
Daarom is deze voorkant bekleed met een materiaal dat het pomplicht met een golflengte
van ongeveer 941 nm doorlaat, maar het laserlicht met een golflengte van 1029 nm
volledig reflecteert. De zijkanten van de kristallen staaf zijn bekleed met een hoog
reflecterend materiaal om het pomplicht in het kristal te houden. De achterkant van de
staaf gaat men ook met zulk materiaal bekleden om het pomplicht en het laserlicht in het
kristal te houden.
5. Koeling
Als gevolg van de hoge stralingsintensiteit van de pompen bij Yb:YAG zal de
ontwikkelde warmte groot zijn op de plek waar het pomplicht het kristal binnenkomt.
Hierdoor ontstaan thermische spanningen en is deze plaats de meest kritische voor
breuken. Bovendien kunnen de laatste millimeters van het kristal niet gekoeld worden
door koelwater omdat er ruimte voorzien moet worden voor de o-ringen die nodig zijn
voor de constructie van de laser. Om dit probleem op te lossen zal men het uiteinde van
de kristalstaaf niet doperen, zodat er op deze plaats niets geabsorbeerd wordt. Het effect
van deze techniek kunnen we zien in figuur 10. Door het uiteinde van de kristalstaaf niet
te doperen zal de temperatuursverdeling veranderen en dit heeft twee gunstige effecten
[1]:
 De transmissie- en reflectiecoëfficiënten van het reflecterende materiaal dat
aangebracht wordt aan de voorkant van het kristal zijn temperatuursafhankelijk.
Als we de ganse staaf doperen zal de temperatuur aan de voorkant van het kristal
niet constant zijn en zal men verschillende reflectiecoëfficiënten krijgen
naargelang de plaats op het oppervlak. Als een deel van de staaf ongedopeerd
blijft, krijgen we een temperatuursverdeling aan de voorkant van het kristal die
nagenoeg uniform is.
 Verder leiden temperatuursgradiënten in het kristal ook tot thermisch
geïnduceerde spanningen. In het algemeen zijn dit trekspanningen aan het
oppervlak en drukspanningen binnenin het kristal. Trekspanningen aan het
oppervlak waar onvolmaaktheden aanwezig zijn, kunnen leiden tot breuk van de
9
kristalstaaf. Bij de staaf met het niet gedopeerde uiteinde zijn de
temperatuursgradiënten aan het oppervlak kleiner dan bij de volledig gedopeerde
staaf. Hierdoor worden de trekspanningen aan het oppervlak verminderd en zullen
er minder snel breuken optreden.
De koeling van de kristalstaaf kan gebeuren op volgende manieren:
 Ten eerste door de koelvloeistof longitudinaal langs het zijoppervlak van het
kristal te laten vloeien.
 Ten tweede kan de koeling van de staaf ook gebeuren door koelvloeistof op het
kristaloppervlak te spuiten [4].
Figuur 10: Temperatuursprofiel
6. Voordelen van Yb:YAG
Yb:YAG heeft een aantal voordelen ten opzichte van andere lasers wat betreft prestaties,
kostprijs en betrouwbaarheid van de lasers. Yb:YAG lasers hebben een betere
prijs/kwaliteit verhouding. De verminderde kost is onder andere te danken aan de minder
kritische temperatuursregeling van de gebruikte diodes. Omwille van de bredere
absorptiepiek van het Yb:YAG kristal (zie ook figuur 4), is de afstelling van de
golflengte van de pompdiodes immers minder kritisch dan bijvoorbeeld bij de Nd:YAG
laser. Bij lasers met een smalle absorptiepiek is het van groot belang dat de golflengte
van de pompdiodes exact overeenkomt met de absorptiegolflengte, omdat reeds bij kleine
10
mismatch de prestaties aanzienlijk achteruitgaan. De absorptiepiek van de Yb:YAG
lasers ligt op 940 nm, wat het gebruik van InGaAs diodes mogelijk maakt. Deze diodes
zijn gekend om hun lange levensduur. Dit verhoogt de betrouwbaarheid van de Yb:YAG
lasers. De betrouwbaarheid wordt ook vergroot door de hoge thermische geleidbaarheid
en sterkte van het materiaal. Hierdoor is het risico op breuk van het kristal minder dan bij
andere materialen, omdat we in het kristal kleinere temperatuursgradiënten krijgen.
Yb:YAG lasers zijn ook gekenmerkt door een betere efficiëntie omwille van het lage
quantum defect en omdat geëxciteerde electronen geen conversies naar hogere niveaus
zullen ondergaan. Al deze voordelen maken dat de Yb:YAG laser de plaats van de
Nd:YAG laser zal innemen in gemiddeld tot hoge vermogentoepassingen.
7. Bibliografie
[1] R. J. Beach, C. Bibeau, E. C. Honea, S. B. Sutton, Taking Average-Power, DiodePumped, Solid-State Lasers beyond the Nd3+-Ion
[2] Nanolase, Nanolase Technical Bulletin, Disklaser Tecnology, www.nanolase.com
[3] www.optics.rochester.edu
[4] David S. Sumida, Alexander A. Betin, Hans Bruesselbach, Robert Byren, Steve
Mattews, Robin Reeder and Metin S. Mangir, Diode-pumped Yb:YAG catches up with
Nd:YAG
[5] www.castech.com
11