Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Lasers im Jahr 1960 durch
T.H. Maiman ist das Gebiet der Laserphysik stark expandiert. Die Entdeckung
und Weiterentwicklung unterschiedlichster Lasermaterialien führte zu einem weiten Anwendungsbereich, dass sich von Medizin über Materialbearbeitung bis hin zur Telekommunikation erstreckt.
Im Bereich der Mikrobearbeitung hat sich der Laser als sehr nützliches Instrument erwiesen. Durch seine Flexibilität und seiner Fähigkeit nahezu jedes Material bearbeiten zu können, ist sein Einsatzgebiet scheinbar grenzenlos.
Aufgrund seiner Bearbeitung ist es möglich, die Effektivität von Bauteilen zu erhöhen. So erfahren Oberflächen nach einer Strukturierung mit dem Laser eine Verbesserung ihrer tribologischen Eigenschaft.
Ein Gebiet, in dem zunehmend geforscht wird, ist das Laserritzen von Solarzellen. Mit herkömmlichen Methoden getrennte Solarzellen weisen durch lokale Kurzschlüsse Wirkungsgradverluste bis zu 30 % auf. Das neuartige Laserritzverfahren für mono- und polykristalline Silicium-Wafer ermöglicht eine saubere und kostengünstigere Separierung.
Eines der ersten Anwendungen in der Mikrobearbeitung ist das Bohren von Löchern.
Mit Durchmessern von weniger als 20 μm ist diese Applikation für die Herstellung
von Druckerdüsen oder Mikro-Filtern unverzichtbar geworden.
Auch im kommerziellen Bereich hat sich der Laser etabliert. Eine Laseranlage zum
Beschriften und Markieren von Oberflächen gehört heutzutage zur Standard-Ausrüstung wenn es darum geht, hohe Durchsatzraten zu erzielen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Lasersystem für die Mikrobearbeitung
2.1 Aufbau des Lasersystems
2.2 Erzeugung ultrakurzer Laserpulse
2.2.1 Modenkopplung
2.2.1.1 Passive Modenkopplung
2.2.1.2 Sättigbarer Absorberspiegel
2.3 Strahlengang im Laser
2.3.1 Optische Komponenten im Strahlengang
2.3.2 Verlauf der Laserstrahlung im Laser
2.4 Steuerung
3. Charakterisierung von Laserstrahlen
3.1 Methode zur Messung des Strahldurchmessers
3.2 Bestimmung der Beugungsmaßzahl M²
3.3 Fokussierung der Laserstrahlung
4. Autokorrelator
4.1 Autokorrelation eines Signals
4.2 Optische Autokorrelation
4.3 Nichtlineare Optik
4.3.1 Wellengleichung der nichtlinearen Optik
4.3.2 Polarisation bei hohen Feldstärken
4.3.3 Die Suszeptibilität für Effekte 2. Ordnung
4.3.4 Phasenanpassung
4.3.5 Realisierung der Phasenanpassung
5. Aufbau des Autokorrelators
5.1 Optiken und Detektor
5.2 Nichtlinearer Kristall
6. Experimentelle Ergebnisse
6.1 Messung der Energiedichte
6.2 Messung der Beugungsmaßzahl M²
6.3 Messung der Laserpulslänge
7. Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit dem Aufbau und der Charakterisierung eines Lasersystems für die Mikrobearbeitung sowie der Bestimmung der Laserpulslänge mithilfe eines selbst aufgebauten Autokorrelators.
- Erzeugung und Verstärkung von ultrakurzen Laserpulsen mittels Modenkopplung.
- Theoretische Grundlagen der nichtlinearen Optik und Phasenanpassung.
- Charakterisierung der Strahlqualität (Bestimmung der Beugungsmaßzahl M²).
- Methodik zur Messung der Pulsdauer durch Intensitätsautokorrelation.
Auszug aus dem Buch
4.3 Nichtlineare Optik
Die Ausbreitung von Licht in Materie wird durch die beiden frequenzabhängigen Konstanten, die Brechzahl n und den Absorptionsgrad α, beschrieben. In der linearen Optik sind diese Größen unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichts. Daraus folgen zwei wichtige Prinzipien der linearen Optik:
Das Superpositionsprinzip, welches besagt, dass sich die Lichtwellen gegenseitig nicht beeinflussen und ungestört überlagern.
Und zum anderen die Erhaltung der Frequenz, was bedeutet, dass bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie keine neuen Lichtfrequenzen entstehen.
Die elektrische Feldstärke E der einfallenden Lichtwelle übt auf die elastisch gebundenen Elektronen eine Kraft aus. Unter dem Einfluss dieser Kraft beginnen die Elektronen zu schwingen und strahlen ihrerseits Wellen derselben Frequenz ab. Ein schwingender Dipol ist entstanden. Die Summe aller Dipolmomente in der Volumeneinheit des Mediums wird elektrische Polarisation P genannt.
Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Polarisation und der Feldstärke: P = ε0χE
Dabei ist ε0 die elektrische Feldkonstante und χ die elektrische Suszeptibilität. Dieser Zusammenhang ist vergleichbar mit dem Hookeschen Bereich einer elastischen Feder, bei der die Auslenkung proportional zur rücktreibenden Kraft ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Vorstellung der Relevanz von Lasern in der Materialbearbeitung und Definition der Zielsetzung der Diplomarbeit.
2. Lasersystem für die Mikrobearbeitung: Beschreibung des Aufbaus, der Pulsgenerierung durch Modenkopplung und der Steuerung des verwendeten Lasersystems.
3. Charakterisierung von Laserstrahlen: Erläuterung der Methoden zur Messung der Strahlqualität und der Fokussierung des Laserstrahls.
4. Autokorrelator: Theoretische Herleitung der Autokorrelation und der nichtlinearen optischen Effekte zur Pulsdauermessung.
5. Aufbau des Autokorrelators: Darstellung der technischen Realisierung des Aufbaus zur Messung der Laserpulslänge.
6. Experimentelle Ergebnisse: Präsentation der Messergebnisse zur Energiedichte, Strahlqualität und der finalen Laserpulslänge.
7. Zusammenfassung: Abschließende Betrachtung der charakterisierten Laseranlage und deren Eignung für den Einsatz in Forschung und Lehre.
Schlüsselwörter
Laserphysik, Mikrobearbeitung, Ultrakurzpulslaser, Modenkopplung, Sättigbarer Absorberspiegel, Beugungsmaßzahl M², Autokorrelation, Nichtlineare Optik, Frequenzverdopplung, Phasenanpassung, Nd:VAN-Kristall, BBO-Kristall, Strahlqualität, Laserpulslänge.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der technischen Realisierung und Charakterisierung eines Laser-Mikrobearbeitungssystems sowie der Entwicklung eines Autokorrelators zur Messung ultrakurzer Laserpulse.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Im Zentrum stehen die Lasersystemtechnik, die Charakterisierung von Strahlparametern wie der Beugungsmaßzahl sowie die nichtlineare Optik zur Pulsdauermessung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die vollständige Inbetriebnahme und Charakterisierung der Laseranlage, um sie als einsatzbereites System für die Mikrobearbeitung und für Lehrzwecke zu etablieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommen unter anderem die Rasierklingenmethode zur Bestimmung des Strahldurchmessers sowie die Technik der Intensitätsautokorrelation zur Pulsdauermessung zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der nichtlinearen Optik, den Aufbau des Autokorrelators sowie die experimentelle Ermittlung der Strahlqualität und Pulsdauer.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Ultrakurzpulslaser, Modenkopplung, BBO-Kristall, M²-Faktor und Frequenzverdopplung.
Warum wird ein BBO-Kristall verwendet?
Der BBO-Kristall zeichnet sich durch eine hohe Zerstörschwelle und eine effiziente Frequenzverdopplung aus, was ihn ideal für den Einsatz im Autokorrelator macht.
Welche Rolle spielt die Phasenanpassung?
Die Phasenanpassung ist entscheidend für eine effiziente Konversion der Grundwelle in die 2. Harmonische, da sie die konstruktive Überlagerung der erzeugten Wellen im Kristall sicherstellt.
- Quote paper
- Dipl. Ing. (FH) Stefan Kery (Author), 2007, Aufbau und Charakterisierung eines Systems zur Mikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslaser, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/119279
