Multi-Watt DPSS Nd:YAG SHG Laser

[NiklasH]

Hallo liebe Lichtbastler,

momentan arbeite ich an einem Aufbau, der mithilfe einer 20W 808nm CS-Mount Diode einen kleinen Nd:YAG Stab quer pumpt und die entstehenden 1064nm mit einem KTP-Kristall intrakavitär verdoppelt.
In diesem Thread hier haben wir (bzw. tun es immer noch) die Konstantstromversorgung diskutiert: https://www.deinlaserforum.de/forum/ind ... yag-laser/

Hier möchte ich etwas näher auf den Resonator und das entsprechende Design eingehen (zwecks meiner Dokumentaton aber auch zur Präsentation für euch ). Unten sind schonmal ein paar Fotos des Aufbaus auf dem optischen Breadboard. Es handelt sich um einen V-förmigen Resonator mit einem Auskoppler (plan HR1064 HT532) an der Spitze und zwei HRs (45cmcc HR1064 HR532) an den Enden. Der KTP ist 3x3x3,5mm und entsprechend beschichtet. Davon habe ich übrigens noch ein paar, wenn wer welche braucht, kann ich die zu Eigenkosten für Forenmitglieder abgeben Die Pumpdiode soll mit einem TEC-Modul temperaturgeregelt und für die maximale Wellenlängenanpassung an den Stab stabilisiert werden. Der KTP wird über einen Widerstand ebenfalls kontrolliert tempariert. Laut Ebay-Verkäufer sollten mit dem richtigen Aufbau 1-2W 532nm möglich sein. Mal sehen, ob ich da ran komme
Der prinzipielle Aufbau ist auch unten in einem Bild gezeigt, ich habe aber keinen Polarizer oder Q-Switch. Entsprechend der Spiegelradien sind die Armlängen aber anders. Beide sind bei mir im Aufbau 22cm. Damit ergibt eine entsprechende Stabilität des Resonators, aber der KTP kann leider im Nebenarm nicht im Fokuspunkt des Spiegels liegen. Ich habe schon ein paar mW bei ersten Versuchen gesehen, ohne richtige Temperaturregelung und knapp über Schwellstrom, siehe unten.
Aber, wie gesagt, es wäre schöner, wenn der KTP im Fokus läge. Da wäre meine Frage: Wenn man den Resonator so wie im Schema angegeben auslegen würde, wäre der Resonator doch gar nicht mehr stabil, oder? Wie kann das funktionieren?


LG
Niklas

EDIT: Zweite Frage: Kann ich die Frequenzverdopplung ohne Polarizer genauso effizient durchführen, wie mit?

[Death]

Wenn ich das doch jetzt richtig verstehe, dann ist dein Aufbau ja jetzt dafür da, um die 1064 inne zu halten, wenn ich das mal so salopp sagen darf.

Bei meinem Tattoo Laser isses so, da kommt der KTP einfach per Schraubaufsatz in den Output und ich krieg 532nm und so wie ich das jetzt sehe, kommen auch noch 1064 raus. Ansonsten ist das eine ganz normale Resonanz von einem ND:YAG

Und dann kümmere ich mich mal darum, das du auch einen Q-Switch mit Treiber bekommst, dann kannste schick pulsen

[NiklasH]

Ja, genau so funktioniert das Intrakavitäre Verdopplung ist bei meinem Aufbau viel effizienter, da die Intensität im Resonator deutlich höher ist, als sie außerhalb wäre. Was ich meine, ist die Stabilität des Resonators: Wenn man einen gefalteten Resonator mit planem Faltspiegel hat, kann man sich das Ganze (von der Stabilität her) auch als linearen Resonator mit einem Spiegelabstand gleich der Summe der beiden Armlängen vorstellen. Hier wäre das also ein konfokaler Resonator, da bei Endspiegel konkav sind. Diese Resonatoren sind nur stabil, wenn der Abstand kleiner oder gleich der Summe der Fokuslängen der Spiegel ist. Jetzt haben die beiden Spiegel im Bild eine Summe von Fokuslängen gleich 35cm, aber die Resonatorlänge ist 55cm, also erheblich größer. Nach meinem Verständnis müsste ein solcher Resonator instabil sein und dürfte somit nicht funktionieren. Aber anscheinend tut er das ja, weshalb ich irgendwo einen Fehler im Kopf haben muss..

Bezüglich des Q-Switches: Das wäre natürlich mega cool, da auch noch Pulse rausholen zu können Ich hatte vor, das mit einem sättigbaren Absorber (dünner Cr:Yag Kristall) zu machen, aber keine Ahnung wo ich den herbekommen würde.. Von daher, wenn du es schon anbietest, nehme ich das gerne an Aber erstmal muss ich das aufbauen, optimieren und temperaturregeln.. Ein paar mW zu q-Switchen lohnt sich ja nicht

[Death]

Ah, dankeschön für die Erklärung

Da ich ja nicht studiert habe, kann ich mir jetzt nur erklären ( mit meinem kleinen Verständnis von Optik ) und mit meinen Worten ausgedrückt :

Es funktioniert trotzdem, weil ein Teil des Lichtstromes trotz der unterschiedlichen Armlänge " mittig " bleibt in der Resonanzstrecke. Oder anders ausgedrückt ... er läuft, aber nicht optimal ausgenutzt und mit erheblichen Verlusten.

Oder noch anders ausgedrückt :

Da staunt der Laie und der Fachmann wundert sich

[Death]

Dann noch zur zweite Frage: Kann ich die Frequenzverdopplung ohne Polarizer genauso effizient durchführen, wie mit?

Also ich hab nur Polarisation bei den BeamCombinern vom CO2 Laser hier ( benötigt polarisierte Laserröhren ). Ansonsten hab ich mit meinen Aufbauten auch noch nicht polarisiert.

Jetzt kann ich mir natürlich vorstellen, dass sobald du den polarizer einbaust, die Resonanz mit deinen unterschiedlichen Armlängen inne Binsen geht und dann dein Aufbau aufhört zu lasern ?.

Bedeutet das dann für deinen Aufbau, dass das dann ein Gütegeschalteter ( weil dann polarisierter ) YAG wäre ?

Ich hab immer gedacht, sobald der Q-Switch inne ist, dann ist der Gütegeschaltet ?

[NiklasH]

Okay ich habe nochmal die Bücher gewälzt und auch Sam von Sams laserfaq gefragt. Ich habe die Spiegelradien mit den Fokuslängen verwechselt. Bei der Stabilität des Resonators geht es um Summe der Radien nicht der der Fokuslängen. Dann passt alles. Ich füge hier mal Sams Antwort ein, der hat es super formuliert:

1. The resonator is stable if L is less than the smaller of (r1,r2).
2. The resonator is stable if L is between the larger of (r1,r2) and (r1 + r2).
This one has r1=25cm and r2=50cm so r1+r2=75cm and it would be (2) where the total length is around 55 cm with the fold mirror being planar not having any effect. ~Sam

Damit wäre Frage 1 beantwortet.
Zur Frage 2: Es geht darum, welche Art von Phase-Matching im KTP gemacht werden muss. Um mal RP-Photonics zu zitieren:

Concerning polarization and phase matching, there are different options:
A type I phase-matched frequency doubler may be used within a laser with polarized emission.
A type II phase-matched frequency doubler is suitable for a laser with unpolarized emission.

Ich bin mir noch nicht sicher, ob mein KTP Typ 1 oder Typ 2 oder beides kann. Muss ich mal schauen. Vielleicht überdenke ich das Ganze auch zu viel
Bezüglich deiner Punkte, Michael: Ein Polarisierer im Resonator (z.B. eine Brewsterplatte) sorgt dafür, dass emittiertes Licht, dass nicht richtig zum Polarisierer polarisiert ist, enorme Verluste im Resonator erfährt. Korrekt polarisiertes Licht kann den Polarisierer ungehindert passieren und wird durch die stimulierte Emission verstärkt, womit der Strahl polarisiert wird. Für die Resonanz ist das erstmal kein Problem. Aber, wie man im Zitat oben sieht, beeinflusst das die Frequenzverdopplung.
Noch ein wichtiger Punkt: Es gibt akustooptische Modulatoren, die den Strahl schon selber polarisieren, aber das machen nicht alle. Gütegeschaltet heißt dann nicht automatisch polarisiert. Aber: Ja, sobald der Q-Switch drin ist und richtig läuft, ist der Laser gütegeschaltet

[Death]

Dankeschön

[VDX]

... hmmm ... ich habe ja noch den kleinen, mit einer 25W-Laserdiode gepumpten, NdYAG-Laser mit einem AOM/Q-switch drin ... und irgendwo hatte ich auch noch ein paar von einem Fori selbergezogene KTP-Kristalle -- sollte ich da evtl. auch mal was ausprobieren?

Hab' auch noch ein paar AOM's mit Treibern und auch einen etwas "abgehobenen" PLL-Generator (war auch aus einem AOM-Projekt) - was noch fehlt, wäre ein Resonator-Aufbau bzw. die Endspiegel dafür.

Ich wollte aber erst mal was in Richtung Rubin- oder Farbstoff-Laser ausprobieren - dafür hätte ich noch zwei Rubin-Stäbe und auch eine größere Rubin-Kugel ... oder "Fluoreszenz"-Glas, das mit UV angeregt stark gelb fluoresziert (und Plexiglas mit Gelb-Orange Fluoreszenz für evtl. einen Scheibenlaser) ... und auch noch jede Menge Fluorescein-Pulver, was neben Rhodamin6G auch noch für einen gepulsten Farbstoff-Laser geeignet sein soll

Viktor

[NiklasH]

Ja.. Die Möglichkeiten sind endlos Nur die Zeit..
Also bezüglich des Fluoresceins, auch wenn es hier nicht reinpasst: In reinem Ethanol gelöst in einer Quarzglasküvette kann ich persönlich bezeugen, dass es lasert, wenn man es mit einem Stickstofflaser (auf eine Linie fokussiert) transversal pumpt

Bezüglich des KTP: Ja, pobier das gerne aus Wichtig ist halt, neben dem Material selber, dass der Kristall entsprechend poliert und beschichtet ist, wenn der intrakavitär verwendet wird. Wenn man einfach ein wenig grün will kann man sicherlich auch mit nem gepulsten Yag auf den unpolierten Kristall schießen.. Ist dann halt extrem ineffizient.

[VDX]

... die KTP's sind noch "roh" - also nicht geschnitten/poliert oder beschichtet.

Wegen Farbstoff-Laser und UV-Anregung -- ich hab' ja noch den "Nitromite LN103" mit 337nm UV und 400kW-Pulsen, der ja genau für solche Farbstofflaser-Anregung entwickelt wurde

Viktor

[NiklasH]

Liebe Leute,

hier gebe ich jetzt mal ein Update zu dem DPSS Projekt. Ich habe einen Prof aus meiner Uni gefragt und tatsächlich ist die Konversionseffizienz höher, wenn der Strahl polarisiert ist. Daher habe ich eine Brewsterplatte besorgt und in den Resonator eingesetzt. Den Resonator habe ich übrigens deutlich vereinfacht: Jetzt ist es ein konzentrischer Resonator mit dem KTP in der der Mitte und dem Nd:YAG Stab davor. Die Spiegel haben einen Radius von 10cm, der Resonator ist etwa 18.5cm lang und damit rechnerisch stabil. Ein Spiegel ist HR1064+532, der andere ist HR1064, HT532. Natürlich ist der KTP der Auskoppelseite zugewandt, sodass das grüne Licht nicht durch den NdYAG Stab muss.
Den Aufbau findet ihr im Anhang, da kommt jetzt deutlich mehr Leistung raus. Leider kann ich aber Leistungen in dem Bereich nicht messen, daher kann ich das nur auf zwischen 500-800mW schätzen, aber wie gesagt, das könnte auch daneben liegen. Ein Faktor war das Brewsterfenster, aber auch, dass ich den KTP seltsam angewinkelt habe, der Inzidenzwinkel auf den KTP ist nicht 90°, so wie ich anfangs gedacht hätte. So kommt viel viel mehr Leistung raus. Vielleicht ist der komisch geschnitten? Der ist jetzt so weit angewinkelt, wie der Halter es erlaubt. Vielleicht ändere ich den Halter um den noch mehr anzuwinkeln, auch wenn ich seltsam finde, dass das nötig ist.

Ich denke, so langsam kann ich in Richtung Q-Switching denken, aber ich bin mir nicht sicher, ob der Resonator lang genug ist, um einen aktiven Q-Switch einzubauen. Der Cr:YAG, den ich noch vom großen YAG habe, geht nicht, zu viel Absorbtion. Mal schauen, hab auch noch andere Spiegel, aber dann passts nicht mehr in das Modul hier rein.

Aber insgesamt macht es Fortschritte Ich habe nur die Heizleistung der Diode überschätzt und die Kühlleistung des Heatsinks unterschätzt.. Nach ca. 20-30 Minuten kann der TEC die Diode nicht mehr unter 30 Grad halten.

LG
Niklas

[VDX]

... cool!

Viktor

[Hatschi]

Halli Hallo

Sehr schön!

Das Pelztier scheint doch groß genug, da wird eher das Problem sein das du zu wenig Abwärme wegbekommst.
Ich habe da vor Jahren einmal einen in der Längsachse justierbaren KTP/LBO Halter mit eigenem Peltier konstruiert.
Damals sind gerade Peltiers mit Loch in der Mitte auf den Makt gekommen, also perfekt dafür nicht unter, sonder in Längsachse montiert zu werden.

Hatschi

[Death]

Ganz ganz toll

Niklas, da fällt mir ein, ich wollte dir ja noch was zusammenstellen

[NiklasH]

Hallo zusammen,

@Hatschi ich denke auch, dass die Abwärme das Problem ist. Wenn das Gehäuse noch kühl ist, schafft das Pelztier das ohne Probleme. Übrigens, ich habe überlegt, ob ich den KTP mit einem TEC oder Widerstand beheize, hab mich letztendlich für einen Widerstand entschieden. Einfacher und günstiger, aber natürlich keine Kühlmöglichkeit.

@Michael Das ist total lieb von dir! Aber keine Hektik, ich optimiere das Setup ja noch. Wenn du magst, kann ich dir einen von den 3x3x3.5mm KTPs als Gegenleistung schicken Die sind ja nicht so einfach zu finden.

[VDX]

Hi Niklas,

... wenn der Michael den KTP nicht braucht -- meinereiner hätte da ggf. auch Interesse

Viktor

[Death]

Tauschen halten wir mal fest. Mit dem Viktor kann ich immer noch feilschen, falls ich den doch nicht brauche

[VDX]