Skalierung gepulster Stablaser hoher Brillanz von Nicklaus,  Kolja

Skalierung gepulster Stablaser hoher Brillanz

Thema dieser Dissertation ist die Skalierbarkeit der mittleren Leistung gepulster Stablaser hoher Brillanz. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf Nd:YAG als aktivem Medium und der Erzeugung einer mittleren Leistung im Kilowattbereich, einer Pulsleistung von einigen Megawatt, und Pulsdauern von einigen Nanosekunden bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität. Die optischen und thermooptischen Eigenschaften von Nd:YAG Stablasermedien werden theoretisch sowie experimentell an einem Laserresonator und zwei Laserverstärkern untersucht.
Die Skalierung der mittleren Leistung unter Beibehaltung der Brillanz ist ausschlaggebend begrenzt durch die thermisch induzierten Effekte, der thermisch induzierten Linse, der thermisch induzierten Doppelbrechung und der Abberationen höherer Ordnungen der thermischen Linse, die maßgeblich durch Pumpleistungsverteilung und die Temperaturabhängigkeit der Materialparameter entstehen. Für die Analyse der thermisch induzierten Effekte wird – nach Kenntnis des Autors – erstmals ein vollständig analytisches Modell entwickelt, mit dem der Einfluss rotationssymmetrischer Pumpleistungsverteilungen auf die thermisch induzierte Linse unter Berücksichtigung der Doppelbrechung sowie der Temperaturabhängigkeit der Änderung des Brechungsindexes und der Wärmeleitfähigkeit, untersucht wird.
Die thermisch induzierte Doppelbrechung stellt die erste Limitierung bei der Skalierung der mittleren Leistung dar. Die Minimierung der hierdurch hervorgerufenen Depolarisation und Strahlqualitätsdegradation ist essentiell für die Realisierung von Systemen mit mittleren Leistungen im Kilowatt-Bereich. Ausgehend von bekannten Anordnungen werden zwei Anordnungen vorgestellt, die die Kompensation der Doppelbrechung mit möglichst geringer Flächenbelastung durch einen symmetrischen Strahlengang in den Laserstäben auch bei starken thermischen Linsen ermöglichen. Sie zeigen auch bei Vorhandensein von Aberrationen höherer Ordnung eine gute Kompensation der Doppelbrechung.
Zur Verringerung der Aberrationen höherer Ordnung werden statische optische Anordnungen mit sphärischen und asphärischen Elementen theoretisch und zum Teil experimentell untersucht.
Neben den thermisch induzierten Limitierungen ist die Skalierung der Pulsenergie bzw. der Pulsverstärkung in Stablasern begrenzt durch optische Zerstörschwellen, nichtlineare Selbstfokussierung und verstärkte spontane Emission. Die spezifischen Grenzen der Skalierung hängen hierbei vom Modenprofil, den geometrischen Daten des Laserstabes sowie des gesamten optischen Aufbaus ab und werden am Beispiel der entwickelten Laserverstärker betrachtet.
Die auf Basis der theoretischen Untersuchungen entwickelten Laserverstärker für den Einsatz in der laserbasierten EUV-Lithographie erreichen mit einer mittleren Leistung von bis zu 1,36 kW, einer Pulsenergie von bis zu 420 mJ bei einer Pulsdauer von 5 ns, Parameter, die weit über den Stand der Technik hinausgehen. Bei der technischen Umsetzung werden hierbei Lösungen für die Unterdrückung der ASE, des parasitären Laserns, des Auftretens von Luftdurchbrüchen sowie thermischer Störung und Materialzerstörung durch Streustrahlung gefunden.
Die Skalierbarkeit gepulster Stablaser mit Nanosekunden Pulsdauer, einer mittleren Leistung im Kilowatt-Bereich und nahezu beugungsbegrenztem Ausgangssignal kann nachgewiesen werden und eine weitere Steigerung der mittleren Leistung von 3−4 kW auf Basis der hier eingesetzten Industrielaserplattform erscheint erreichbar.
Alternative Lasergeometrien, wie die Scheiben-, Slab-, und mit Einschränkungen auch die Fasergeometrie werden hinsichtlich ihres Potentials, in Zukunft vergleichbar hochbrillante, industrietaugliche Strahlquellen mit Nanosekunden Pulsdauer und mittlerer Leistung im Kilowattbereich zu ermöglichen, mit der Stabgeometrie verglichen.

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