Festkörperlaser

Laserschneiden

Festkörperlaser haben kristalline oder amorphe Feststoffe als aktives Medium, die mit optisch anregbaren Atomen bzw. Ionen dotiert sind. Alle Festkörperlaser werden optisch gepumpt (z.B. mit Blitzlampen) und können kontinuierlich (englisch cw, continuous wave) oder gepulst betrieben werden. Das Wellenlängenspektrum reicht mittlerweile von Infrarot bis zur Ultravioletten Strahlung. Je nach Ausführungsform können Festkörperlaser in einem extrem weiten Leistungs- und Pulsdauerbereich betrieben werden.

Festkörperlaser haben aufgrund einer großen Anzahl an Wirts- bzw. Trägermaterialien und Formen des aktiven Mediums eine besonders große Produkt- und Parametervielfalt.

Anwendungen

Festkörperlaser sind, neben CO₂-Lasern, die am häufigsten in der industriellen Materialbearbeitung eingesetzten Laser, z.B. zum

• Schweißen
• Schneiden
• Bohren
• Gravieren
• Löten
• Härten

Weiterhin werden Festkörperlaser in der Mikrobearbeitung oder für verschiedenste Anwendungen in der Wissenschaft eingesetzt.

Im Kilowattbereich bieten Festkörperlaser (Faser- und Scheibenlaser) eine hohe Strahlqualität verbunden mit einer hohen Leistungseffizienz.

Wirts-/ Trägermaterial

Bei Festkörperlasern kommen verschiedene Materialen als Trägermaterial, auch Wirtsmaterial genannt, zum Einsatz. Dies können sein:

• Glas (Stablaser oder Faserlaser)
• Aluminiumoxid Al₂O₃ (Korund, Saphir), z. B. Rubinlaser (Chrom-Dotierung) oder Titan:Saphir-Laser (Titan-Dotierung)
• YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), z.B. Nd:YAG-Laser
• Yttrium-Vanadat (Nd-Dotierung)
• Fluoride (z.B. Yttrium lithium fluorid YLF)

Dotierungsmaterial

Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials lassen sich durch Dotierung erheblich ändern. Das Einbringen von Donatoren (Atome mit mehr Valenzelektronen als das Grundmaterial) erzeugt einen Überschuss an frei beweglichen Elektronen, wohingegen das Dotieren mit Akzeptoren (Atome mit weniger Valenzelektronen als das Grundmaterial) einen Überschuss an Löchern hervorruft. Entsprechend der Dotierung spricht man von n- oder p-Halbleitern. Die Dotierung führt zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Eine n-Dotierung verschiebt die Fermi-Energie nach oben, eine p-Dotierung nach unten. Bei sehr starker Dotierung wird die Fermi-Energie bis in das Leitungsband (bei n-Dotierung) oder das Valenzband (bei p-Dotierung) verschoben (Abb. 1.16b, c). Damit entsteht ein teilweise besetztes Band. Der Halbleiter verhält sich wie ein Metall, er ist entartet. Derartig dotierte Halbleiter werden für Diodenlaser eingesetzt.

• Chrom (z.B. im Rubinlaser, 694,3 nm (rot))
• Neodym (z.B. Nd:YAG-Laser, 1064 nm (infrarot), bzw. frequenzverdoppelt 532 nm (grün); Nd:Glas, Nd:YLF, …)
• Ytterbium (z.B. Yb:YAG-Scheibenlaser, 1030 nm (infrarot))
• Titan (z.B. Titan:Saphir-Laser, 670-1100 nm (rot-infrarot))
• Erbium (z.B. Er:YAG-Laser, 3 µm)

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