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Keramische Laserwerkstoffe

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Laser sind Verstärker von Lichtwellen, die Strahlung von sehr hoher Intensität in einem engen Frequenzbereich scharf gebündelt abgeben können. Dazu wird im Laserwerkstoff von außen, beispielsweise durch eine Entladungslampe, optisch angeregte Emission getriggert, indem Elektronen der laseraktiven Komponente im Werkstoff auf höhere Energieniveaus angehoben werden und beim Zurückfallen auf tiefere Niveaus Strahlung emittieren. Dieser Vorgang wird Pumpen genannt. Hierzu bedarf es eines Dotierungselements als laseraktive Komponente in der Werkstoffmatrix. Bei Festkörperlasern sind dies überwiegend Ionen der Elemente Neodym, Erbium, Praseodym, Ytterbium und Titan, die jeweils auf einer oder mehreren Wellenlängen emittieren.

Beschrieben wurde der Lasereffekt bereits von A. Einstein (1916), der experimentelle Nachweis des Prinzips gelang 12 Jahre später. Doch erst 1960 wurde der erste funktionsfähige Laser in einem Labor gebaut, ein Festkörperlaser auf Basis des Minerals Rubin mit Dotierungselement Chrom mit extrem geringer Energieausbeute. Es folgte die Erforschung und Weiterentwicklung von Gas- und flüssigen Farbstofflasern, da Festkörper nicht in für technische Anwendungen ausreichender optischer Qualität und Leistungsfähigkeit herstellbar waren.

Erst um 1980, als es möglich wurde, hochwertige optische Einkristalle in reproduzierbarer Qualität zu züchten, rückten Festkörperlaser wieder ernsthaft in den Fokus des Interesses. Schnell wurden dadurch einerseits durchstimmbare Laser, bei denen über einen breiten Wellenlängenbereich hinweg exakt eine gewünschte Wellenlänge angefahren werden kann, andererseits breitbandige Laser mit extrem kurzen Pulsdauern im Piko- und Femtosekundenbereich realisierbar. Inzwischen sind Festkörperlaser neben CO2-Lasern die häufigsten in der Industrie zur Materialbearbeitung eingesetzten Laser, z.B. zum Schweißen, Löten, Trennen/Schneiden, Bohren, Oberflächenhärten oder -reinigen. Sie sind aber auch in der Medizintechnik, der Nachrichtenübertragung oder in Laserpointern zu finden.

Keramische Laserwerkstoffe, allen voran die YAG-Materialien (Yttrium-Aluminium-Granat), haben in den letzten Jahren enorme Fortschritte bezüglich Leistung und Energieausbeute erfahren und ermöglichen seit kurzem auch im kommerziellen Bereich den Bau von Lasern mit über 100 Kilowatt Leistung bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikrometern. Darüber hinaus zeigen die keramischen, also durch Sintern aus Pulvern hergestellten polykristallinen Werkstoffe zunehmend gleichwertige oder gar bessere Lasereigenschaften als die entsprechenden einkristallinen Materialien, die i.d.R. aufwendig aus der Schmelze gezogen werden müssen. Damit schwindet zunehmend ein lange Zeit gültiger Vorteil von Einkristallen, nämlich das Fehlen von (optisch störenden) Korngrenzen. Zu den inhärenten Nachteilen von Einkristallen gehören schon immer optische Inhomogenitäten, die auf produktionsbedingten mechanischen Verspannungen im Einkristall beruhen, sowie die Segregationsneigung des Dotierungsmaterials aus der Festkörpermatrix. Durch optimierte Ausgangspulver und Sinterverfahren können keramische Werkstoffe inzwischen so hochwertig hergestellt werden, dass sie auch deutlich weniger Leerstellen im Kristallgitter aufweisen, die Licht streuen und zur Wärmeerzeugung im Laser beitragen können, als entsprechende Einkristalle. Sie sind also teilweise in optisch reinerer Form realisierbar.

Vor 50 Jahren wurde über den ersten Keramiklaser berichtet, er basierte auf Kalziumfluorid. Diese mit Dy (Dysproposium) dotierte polykristalline CaF2-Keramik, kurz Dy:CaF2, erbrachte eine Leistung von wenigen Milliwatt und hatte eine extrem schlechte Energieausbeute. Vor gut 40 Jahren wurde der erste oxidkeramische Laser gebaut, ebenfalls mit extrem schlechter Energieausbeute. Es handelte sich dabei um eine mit Nd (Neodym) dotierte Thoriumoxid-haltige Yttriumoxid-Keramik. Vor 20 Jahren wurde der erste keramische Nd:YAG-Laser präsentiert, der bereits eine recht gute Energieausbeute von ca. 28% erreichte. Dieser Wert entspracht seinerzeit dem eines Nd:YAG-Einkristall-Lasers. Im Jahr 2002 wurde erstmals mit einem keramischen Nd:YAG-Laser eine Leistung von 1 kW überschritten, die Effizienz lag bei 42%. Im Bereich der Ultrakurzpuls-Laser haben sich Yb-dotierte (Ytterbium) Scandiumoxidkeramiken hervorgetan. Werden diese mit Yb-dotierten Yttriumoxidkeramiken hintereinandergeschaltet, lassen sich Pulsweiten von ca. 50 Femtosekunden erreichen.

In den letzten 10 Jahren entwickelten sich auch die nicht-oxidischen Festkörperlaser weiter. Beispiele hierfür sind Yb-dotierte Calziumfluorid-Strontiumfluorid-Keramiken, deren Effizienz bei fast 50% liegt, sowie inzwischen kommerzialisierte Cr-dotierte (Chrom) Zinkselenidkeramiken. Typische keramische Cr:ZnSe-Laser sind zwischen ca. 2 und 2,8 Mikrometern Wellenlänge durchstimmbar und haben eine Ausgangsleistung von 15 Watt.

Ein großes Hindernis auf dem Weg zu höheren Leistungen ist die Temperaturentwicklung im Laserwerkstoff. Sie führt zu starker Streuung der Strahlung im Lasermedium, was wiederum zu weiterer Erwärmung führt, und die Strahlintensität und -qualität erheblich mindert. Daher müssen bislang die meisten Laser teils aufwändig gekühlt werden. Ein erster vielversprechender Ansatz, die Selbsterwärmung zu verringern, ist mit der Herstellung von Kompositmaterialien gelungen. Auf der Basis von YAG wurden keramische Festkörperlaser gesintert, die aus alternierenden Schichten dotierten (Nd:YAG) und reinen YAG´s bestehen. Das undotierte Material führt Wärme deutlich besser ab und dient dem Laser als inhärente Wärmesenke. Ein weiterer sehr junger Ansatz ist die Untersuchung so genannter Sesquioxide, in diesem Falle Oxide von Seltenerdelementen wie Yttrium, Scandium oder Lutetium, auf ihre Eigenschaften als Lasermatrixwerkstoff. Diese Oxide haben per se eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als etwa YAG. So wurde beispielsweise ein Yb-dotierter Lutetiumoxid-Laser mit einer typischen Leistung von ca. 15 Watt und einer sehr hohen Effizienz von über 70% vorgestellt.

Im Bereich der Höchstleistungslaser geht es inzwischen mehr um die Konfiguration der Laser, also um Design, Aufbau und die Anordnung einzelner Komponenten zueinander, als um die Optimierung der Werkstoffe selbst. Auf diese Weise konnte schon 2009 gezeigt werden, dass mit YAG-Lasern Leistungen von über 100 Kilowatt realisierbar sind. Es ist aufgrund der bisherigen Entwicklungen zu erwarten, dass keramische Laser in naher Zukunft Einkristall-Laser zunehmend vom Markt verdrängen.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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