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Hallo,

ich habe kleine Probleme mit der Auslegung der Bauteile meines (zukünftigen) DPSS Nd:YAG und wollte mal nachfragen wie das denn aus physikalischer Sicht aussieht.

Vor allem interessieren mich die Zusammenhänge zwischen erreichbarer Laserleistung in Abhängigkeit von Kristallgrösse, Dotierung und Pumpleistung. Oder anders formuliert, wie gross muss denn mein Kristall überhaupt sein? Welche Dotierung ist optimal?

Mir ist natürlich klar, dass eine umfassende Darstellung der physikalischen Zusammenhänge ein Buch füllen würde. Deswegen wäre vielleicht eine Betrachtung aus physikalisch-praktischer Sicht optimal, in den Büchern finde ich nämlich für meinen Geschmack immer etwas zuviele Formeln (die sich teilweise auch jenseits meines mathematischen Horizonts befinden) und etwas wenig Informationen wie diese nun praktisch wenn man einen Laser bauen möchte anzuwenden sind.

Kleines Beispiel. Das grosse Beschaffungsproblem bei DPSS Nd:YAG ist das "D", sprich die Pumpdioden. Gehen wir davon aus, dass ich es geschafft habe, mir einen 40W@808nm Barren zu organisieren. Wie gross bei welcher Dotierung muss mein Kristall sein um diese 40W optimal umzusetzen? Bezüglich der Absorption der Pumpstrahlung, wie ist der Zusammenhang zwischen Kristalldurchmesser und Dotierung so dass meine Pumpleistung möglichst gut genutzt wird aber der Kristall auch nicht unvernünftig gross wird? Wie ist die Betriebsart (cw/puls) bei dieser Betrachtung zu berücksichtigen?

Würde mich sehr freuen wenn jemand diese Zusammenhänge etwas entmystifizieren könnte. Btw, aus rein praktischer Sicht würde ich für obige Konfiguration gefühlsmässig ein 50*5mm Kristall mit 1.1% Dotierung verwenden. Es interessiert mich natürlich brennend inwieweit ich mit dieser geschätzten Auslegung daneben liege.

Ciao
Mike

Das mit der dotierung ist gleich nach der optischen homogenität des hostmediums die komplizierteste angelegenheit beim laserdesign. Man kann sich das festkörpermedium quasi als 'eingefrorenes gas' denken. Die dotierung entspricht damit quasi dem "gasdruck" der Nd-Ionen im medium. Nun verläuft die energie-atomabstandskurve bei jedem laser aber durch ein lokales minimum, in dem die lasertätigleit stattfindet. Hat man zu viel "druck", sind die atomabstände zu gering und die nötige anregungsenergie wird schnell so hoch, daß keine lasertätigleit mehr stattfindet. Ist der "druck" zu niedrig, steigt die nötige anregungsenergie ebenfalls. Das optimum liegt im minimum dieser E-d funktion. Deswegen kann man nicht einfach die dotierung erhöhen, wenn man mehr leistung will. Je nachdem, ob der kristall für CW betrieb oder pulsbetrieb designt wurde, sieht die dotierung anders aus. Kristalle für pulsbetrieb haben i.d.R. die höhere dotierung, funktionieren dann aber auch nicht mehr so gut (wenn überhaupt) in CW.

Die größe des kristalls ist auch eher zweitrangig, denn es zählt lediglich das aktive volumen. Es bringt nichts, wenn das totvolumen mit strahlung vollgepumpt wird, denn diese wird bestenfalls in ungerichtete fluoreszenzstrahlung und wärme umgewandelt. Folglich muß man dafür sorgen, daß die pumpstrahlung im aktiven volumen absorbiert wird (die optische achse des kristalls - wo auch das aktive volumen ist - sitzt ja nicht umsonst im zweiten brennpunkt der elliptischen pumpkammer). Das totvolumen geht gegen null, wenn man das aspektverhältnis extrem erhöht und vom kristall zur faser übergeht.

Alles in allem eine sehr komplizierte angelegenheit. Ich würde es mir jedenfalls bisher nicht zutrauen, ein medium selbst designen zu wollen.