Diodengepumpte Festkörperlasersysteme (DPSS)

Das Verstärkermedium sollte sich nach der erforderlichen Wellenlänge, dem Pulsenergiebereich und der Wiederholrate richten. Die Patara-PIV-Familie verwendet Nd:YAG bei 532 nm für 100 oder 200 W pro Oszillator, mit Pulsen von 10 oder 20 mJ bei einem Referenzwert von 10 kHz. Die Nd:YLF-Optionen arbeiten bei 527 nm und liefern 30, 40 oder 50 mJ pro Oszillator bei einem Referenzwert von 1 kHz. Gigashot HE verwendet Nd:YLF für 10 J bei 1053 nm oder 5 J bei 527 nm, während Gigashot L Nd:YAG bei 1064, 532 oder 355 nm nutzt. In der Praxis sollte zunächst die Ausgangswellenlänge gewählt und anschließend die erforderliche Energie, Wiederholrate und Kompatibilität der nachgelagerten optischen Beschichtungen bestätigt werden.

Wählen Sie die Pulsenergie anhand der Wechselwirkungsschwelle oder des Beleuchtungsbedarfs und legen Sie anschließend die Wiederholrate entsprechend der Prozessgeschwindigkeit und dem verfügbaren thermischen Budget fest. GS-10000-QMI liefert 10 J bei 20 Hz, GSL-012-QTU dagegen mehr als 125 mJ bei 100 Hz und IK-016-QTG liefert 1,8 mJ bei 9 kHz. Die PIV-Familie deckt 10 bis 50 mJ pro Oszillator ab und kann je nach Modell vom Einzelimpuls bis zu 50 kHz betrieben werden, wobei die Pulsenergie mit steigender Rate abnimmt. Eine höhere Durchschnittsleistung erhöht den Kühl- und Infrastrukturbedarf auch dann, wenn die einzelnen Pulse kleiner sind. Die endgültige Auswahl erfordert daher die gleichzeitige Prüfung von Spitzenenergie, Durchschnittsleistung, Erwärmung des Zielobjekts, Detektortiming und verfügbarer Kühlmittelkapazität.

Die PA-Dual-Oszillator-Plattform ist die dedizierte PIV-Option, da sie über eine gemeinsame Strahlkombinationseinheit zwei unabhängig gesteuerte Pulse erzeugt. Die Konfiguration PA-050-QMGF-PIV liefert 50 mJ pro Oszillator bei 527 nm und einer Referenzrate von 1 kHz; der Betrieb ist vom Einzelimpuls bis 5 kHz möglich. Die Impuls-zu-Impuls-Stabilität pro Oszillator ist mit unter 0,5 % rms angegeben, die Ausgangsstabilität über acht Stunden mit unter 1 % rms, was eine gleichmäßige Lichtblattbeleuchtung unterstützt. Jeder Oszillator kann intern oder extern getriggert werden, sodass sich der Pulsabstand an Partikelgeschwindigkeit und Kameratiming anpassen lässt. Im Integrationsdesign sollten zudem Triggerpegel, Latenz, Jitter, optische Überlappung und der erforderliche Verzögerungsbereich mit der finalen Reglerkonfiguration verifiziert werden.

Kennwerte zur Strahlqualität sollten erst verglichen werden, nachdem die erforderliche Strahlform festgelegt wurde. IK-016-QTG ist ein TEM00-System mit einem M²-Wert unter 1,3, einem Strahldurchmesser unter 0,9 mm und einer Divergenz von 1,7 mrad, was sich für fokussierte Mikrobearbeitung eignet. Für GSL-012-QTU sind M² unter 5, eine Divergenz unter 1,0 mrad und ein Ausgangsstrahl von 5,5 ± 1 mm angegeben, während Gigashot HE statt einer TEM00-Spezifikation ein 22-mm-Flat-Top-Profil im Nahfeld verwendet. Die Nd:YLF-PIV-Varianten sind multimode mit M² unter 25 und einer Gesamtöffnungswinkel-Divergenz unter 8 mrad, bieten jedoch eine Impuls-zu-Impuls-Stabilität von unter 0,5 % rms. Diese Kennwerte spiegeln unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte wider; ein niedrigerer M²-Wert ist daher nicht grundsätzlich vorzuziehen.

Alle vorgestellten Laserköpfe sind wassergekühlt und für einen nicht kondensierenden Betriebsbereich von 18 bis 30 °C spezifiziert, ihre Anforderungen an die Infrastruktur unterscheiden sich jedoch erheblich. Gigashot HE akzeptiert 85 bis 264 VAC, der Patara-Dual-Oszillator-Kopf benötigt 190 bis 250 VAC, und Gigashot L erfordert 120/220 VAC Drehstrom bei 30 A mit einem rackmontierten Kühler. Für PA-050 beträgt der Kühlbedarf des kombinierten Kopfes 3.000 W bei 3,5 GPM. Für die IKLWA-Installation sind mindestens 1,5 GPM beziehungsweise 5,7 Liter pro Minute, etwa 800 W Wärmeabfuhr, ein Eingangsdruck von ungefähr 49 psi und eine Temperaturregelung auf ±0,1 °C erforderlich. Ingenieure sollten Kühler, Verrohrung, Filtration, Verriegelungen und Stromverteilung dimensionieren, bevor das mechanische Layout festgelegt wird.

Externe Taktung und übergeordnete Steuerung werden unterstützt, die verfügbare Schnittstelle hängt jedoch von der jeweiligen Plattform ab. Bei Patara kann jeder Oszillator unabhängig von internen oder externen Quellen getriggert werden, was für die Steuerung des PIV-Pulspaar-Timings zentral ist. Gigashot HE verwendet eine MOPA-Architektur, kann optional mit Injection Seeding des Oszillators geliefert werden und verfügt über eine Steuerelektronik, die digitalen Fernbetrieb unterstützt. IKLWA wird als gekapselter Laserkopf geliefert, daher muss der Integrator für das bestellte System die enthaltene Antriebselektronik, Q-Switch-Steuerung, Temperaturregelung und Verriegelungsschnittstellen bestätigen. Vor der Freigabe für die Produktion sollten Triggerspannung, aktive Flanke, Latenz, zulässiger Jitter, Fehlerzustände, Kabellänge und sicheres Abschaltverhalten in der Schnittstellenspezifikation definiert werden.

Es handelt sich um Laseranlagen der Klasse IV, die nach Möglichkeit in ein technisch ausgelegtes Sicherheitsgehäuse integriert werden sollten. Verfügbare Wellenlängen umfassen Ultraviolett bei 355 nm, sichtbares Grün bei 527 und 532 nm sowie Infrarot bei 1053 und 1064 nm. Daher müssen Schutzbrillen, Sichtkarten, Sensoren und Strahlfallen passend zur tatsächlichen Konfiguration ausgewählt werden. Direkte Exposition und spiegelnde Reflexionen müssen durch verriegelte Zugänge, einen kontrollierten Shutter, Emissionsanzeige und geeignete Warnsysteme verhindert werden. Verriegelungen für Kühlung und Durchfluss sind ebenfalls wichtig, da ein Verlust des Kühlmittels Pumpdioden und Q-Switch-Komponenten beschädigen kann. Die abschließende Risikobeurteilung der Maschine muss den Normalbetrieb, die Ausrichtung, die Wartung und vorhersehbare Einzelfehlerzustände abdecken.

Ein einzelner Lebensdauerwert sollte nicht auf jedes DPSS-Lasersystem dieser Baureihe angewendet werden. Die Pumptechnologie wird so beschrieben, dass sie mehr als eine Milliarde Schüsse unterstützt, bevor eine Degradation eine Betriebsanpassung erforderlich macht, während ausgewählte Gigashot-Systeme mit einer Garantie von zwei Jahren oder 10.000 Betriebsstunden auf die Pumpdiode ausgestattet sind. Bei IKLWA kann Alterung eine schrittweise Erhöhung des Antriebsstroms erfordern, um die Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten; ein Austausch oder Upgrade kommt infrage, wenn die zulässige Stromgrenze von 30 A erreicht ist. Kühlmittelqualität, Betriebstemperatur, Einschaltdauer und optische Sauberkeit beeinflussen die praktischen Wartungsintervalle erheblich. Dokumentieren Sie Leistung, Pulsstabilität, Strom, Kühlmittelzustand und Betriebsstunden, damit sich Degradation erkennen lässt, bevor sie die Prozessfähigkeit beeinträchtigt.