Ultrakurzpuls-Strahlquellen

UKP-Laser mit dynamischer Reprate

Zur Steigerung des Durchsatzes in der Materialbearbeitung werden seit einigen Jahren sehr erfolgreich hochrepetierende UKP-Laser mit Wiederholraten im MHz-Bereich in Verbindung mit sehr schnellen Ablenkeinheiten wie z.B. Polygonscannern eingesetzt. Eine interessante Alternative zu den sich allmĂ€hlich etablierenden Polygonscannern stellen neuartige resonante Scanner dar. Durch diese „oszilliert“ der Laserstrahl alternierend zwischen zwei Umkehrpunkten ĂŒber das WerkstĂŒck und erreicht dadurch vor allem im Nulldurchgang sehr hohe Ablenkgeschwindigkeiten, womit potentiell noch höhere Wiederholraten möglich werden. Zu den Umkehrpunkten hin verlangsamt sich die Ablenkung jedoch kontinuierlich und so stark, dass es bei Verwendung einer konstanten Wiederholrate zu einem immer grĂ¶ĂŸeren ImpulsĂŒberlapp und im schlimmsten Fall zu EinbrĂ€nden auf dem WerkstĂŒck kommt. Dies verhinderte in der Vergangenheit die sinnvolle Anwendung von resonanten Scannern. Durch die Verwendung von Lasersystemen mit stufenlos variabler Wiederholrate lĂ€sst sich dieser Effekt jedoch exakt kompensieren. Die Wiederholrate muss dabei nur permanent auf die momentane Ablenkgeschwindigkeit des Scanners synchronisiert sein, womit zu jeder Zeit ein konstanter ImpulsĂŒberlapp beibehalten wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht auch die Optimierung anderer Anwendungsbereiche wie z.B. das Laserdrehen, wo aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser des WerkstĂŒcks und der konstanten Drehgeschwindigkeit teilweise stark unterschiedliche OberflĂ€chenbahngeschwindigkeiten auftreten.

Die Einstellung der Wiederholrate basiert bei modengekoppelten UKP-Strahlquellen auf dem Prinzip des Pulse-Pickings. Dadurch werden jedoch nur ganzzahlige TeilungsverhĂ€ltnisse der fundamentalen Wiederholrate erreichbar. Da die Fundamentalrate typischer Festkörper- und Faserlaser im Bereich zwischen 20 MHz und 100 MHz liegt, liegen die resultierenden Wiederholrate im MHz-Bereich sehr weit auseinander (vgl. Abb. 1). Um eine annĂ€hernd kontinuierliche Verteilung in diesem Bereich zu erhalten, muss die fundamentale Wiederholrate drastisch erhöht und die Schaltzeit des Pickers drastisch verringert werden. Von unserem Partner Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz Institut fĂŒr Höchstfrequenz in Berlin wurde daher eine neuartige, halbleiterbasierte Strahlquelle entwickelt, deren Fundamentalrate bei 4 GHz liegt und deren Picker eine Schaltzeit von etwa 200 ps aufweist. Dadurch werden ultrakurze Impulse im MHz-Bereich mit nahezu beliebiger Wiederholrate bereitgestellt.

Die fĂŒr die Materialbearbeitung nötige VerstĂ€rkung der Impulse aus den Halbleiterkomponenten wurde in unserem Haus realisiert und basiert unter anderem auf der FaserverstĂ€rkertechnologie. Es sind Ausgangsleistungen von bis zu 200 W erreichbar, wobei nach der nichtlinearen Frequenzkonversion in den grĂŒnen Spektralbereich noch immer 130 W bereitstehen. Dieses Lasersystem ermöglicht nun erstmalig die ultraschnelle und nahezu kontinuierliche Anpassung der Wiederholrate wĂ€hrend des Betriebs. Abbildung 2 zeigt z.B. die Messung einer sinusförmigen Variation der Wiederholrate zwischen 5 MHz und 10 MHz mit einer Variationsfrequenz von 8 kHz bzw. 32 kHz. Zur besseren Übersicht ist jeweils nur jeder 10. Impuls gezeigt. Da die EinzelimpulsverstĂ€rkung abhĂ€ngig von der SĂ€ttigung und diese wiederum abhĂ€ngig von der Wiederholrate ist, kommt es zu einer Schwankung der Impulsenergie. Diese Schwankung fĂ€llt aufgrund der TrĂ€gheit des aktiven Mediums bei hohen Variationsfrequenzen geringer aus. Die restliche Schwankung kann durch eine passive Laserenergiekontrolle kompensiert werden.

plot showing the relation of the effective repetition rate dependant on the fundamental repetition rate when doing pulse-picking

Abbildung 1: Erreichbare effektive Wiederholraten durch Pulse-Picking bei unterschiedlichen fundamentalen Wiederholraten

variation of pulse repetition rate between 5 and 10 MHJz

Abbildung 2: Sinusförmige Variation der Wiederholrate zwischen 5 MHz und 10 MHz bei einer Variationsfrequenz von 8 kHz bzw. 32 kHz. Zur besseren Übersicht ist nur 10. Impuls gezeigt.