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Polykristalline YAG

Polykristalline YAG-Keramik für die Serienfertigung

Polycrystalline YAG Grain Structure

Hochreine Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG)-Keramiken ermöglichen die Entwicklung von Festkörperlasern mit hoher Leistung, die für zahlreiche Technologien von entscheidender Bedeutung sind.

CoorsTek entwickelt hochmoderne transparente YAG-Optokeramiken, die viele der Hindernisse von Einkristall-YAG überwinden und eine optimale Leistung bieten.

Die Einführung von YAG-Lasern ist durch deren Komplexität und kostenintensive Herstellungsverfahren etwas eingeschränkt. Ein Einkristallmaterial (auch als monokristallines Material bezeichnet) weist ein kontinuierliches Kristallgitter auf, das bis zu den Rändern des Musters ungebrochen ist und keine Korngrenzen hat.

LiDAR Keramikmaterial

Passive Q-Switch

Um eine ähnliche Kornstruktur zu erreichen, werden CoorsTek YAG-Keramiken unter Verwendung eines stark kontrollierten Sinterverfahrens verarbeitet, um eine Einkristalltransparenz in polykristallinen Materialien zu erreichen.

 

ANWENDUNGSBEREICHE VON POLYKRISTALLINEN YAG

YAG-Laserkristalle weisen außergewöhnliche optische Eigenschaften auf und bieten eine erhebliche Laserleistung für zahlreiche Anwendungen, wie zum Beispiel:

Dermatologie
YAG-Lasermedien werden in einer Vielzahl dermatologischer Anwendungen eingesetzt, einschließlich der Behandlung von vaskulären Bereichen mit benignen pigmentierten Läsionen (Tätowierungen) sowie Sarkomen und Hauttumoren.

Ophthalmologie
YAG-Lasermedien werden für verschiedene ophthalmische Anwendungen eingesetzt. Sie werden üblicherweise zur Behandlung der Trübung der hinteren Linsenkapsel nach einer Kataraktoperation, zur Bildung einer peripheren Iridotomie bei Patienten mit engen Kammerwinkeln oder Winkelverschluss aufgrund von Glaukomen sowie in zahlreichen anderen Anwendungen verwendet. 

Industrielle Markierung und Bearbeitung
YAG-Laserkristalle werden in einer Vielzahl industrieller Markierungs- und Bearbeitungsanwendungen eingesetzt, wie beim Schneiden und Schweißen von Halbleitern und Stahl. Sie werden auch zum Gravieren und Ätzen verschiedener Metalle und Kunststoffe sowie bei der Innenmarkierung von transparentem Acryl oder Glas verwendet.

Laserentfernungsmesser und Lasermarkierer
Nd:YAG-Lasermedien werden üblicherweise für die Entfernungsmessung und Telemetrie mit hoher Leistungsfähigkeit für Militär, Luft- und Raumfahrt sowie vielen weiteren Anwendungen eingesetzt.

Abstands- und Geschwindigkeitsmessung
Effiziente, skalierbare LiDAR-Systemdesigns verwenden „passive Q-Switch“-Laser mit YAG-Kristallen. Abstands- und Geschwindigkeitssensoren (LiDAR = Light detection and ranging) werden allgemein als wesentliche Technologie für hochmoderne Fahrassistenzsysteme (ADAS = Advanced Driver Assistance Systems) und selbstfahrende Fahrzeugtechnologien eingesetzt.

NACHTEILE VON EINKRISTALL-YAG-MATERIALIEN

Unter Verwendung einer als Czochralski-Verfahren bezeichneten Methode werden Einkristallmaterialien hergestellt, wenn die entsprechende Mineralienkombination unter bestimmten physikalischen und chemischen Bedingungen vorliegt. Das Einkristall-Herstellungsverfahren ist sehr zeitaufwendig und schwer zu skalieren. Das Vorhandensein einiger Unvollkommenheiten kann dazu führen, dass große Teile des Kristalls nicht verwendet werden können.

Es gibt auch erhebliche Einschränkungen in Bezug auf die Dotierung. Beim Aufbringen von Dotierstoffen auf Einkristalle werden diese im Verlauf des Wachstums häufig abgestoßen, wodurch sich die Schmelzzusammensetzung ändert, was einen inhomogenen Dotierungsgrad des Kristalls zur Folge hat.

 

VORTEILE VON POLYKRISTALLINEN YAG-MATERIALIEN

Im Vergleich zur Anwendungsleistung von Einkristallmaterialien bietet die polykristalline Herstellung von YAG-Lasermedien zahlreiche Vorteile, wie zum Beispiel:

  • Bessere Kontrolle der optischen Eigenschaften aufgrund höherer Konzentrationen und Homogenität der Dotierstoffe
  • Höhere Produktionserträge durch bessere Verfahrenskontrolle und Wiederholbarkeit
  • Vereinfachter Schliff und einfachere Sekundärbearbeitung durch endkonturnahe Formgebungsverfahren
  • Höhere mechanische Belastbarkeit für hohe Stoßfestigkeit und Haltbarkeit
  • Ein leicht skalierbares Fertigungsverfahren


Polykristalline YAG-Lasermedien bieten im Vergleich zu Einkristallmedien eindeutige Wirkungsgrade und ermöglichen neuartige, bislang nicht erzielte Lösungen.

 

Der Vorteil von CoorsTek

Höhere maximale Dotierstoffniveaus

Bessere Kontrolle des Dotierstoffniveaus

Höhere Bruchzähigkeit

Serienfertigung

Absorberbindung

Einfachkristall-YAG

Ausgangswert

± 0,1 %

1,8 MPA m1/2

Eingeschränkte Skalierbarkeit

Diffusionsbindung von separat hergestellten Komponenten

CoorsTek Polykristalline YAG

Bis zu > 3x Einfachkristall

± 0,01 %

4-9 MPa m1/2

Leicht skalierbar

Als monolithisch mitverarbeitet

Cr:YAG and Nd:YAG

 

Das bekannteste Laserverstärkungsmedium (Kristall) für Laseranwendungen ist zweifellos Neodym-dotiertes YAG (Nd:YAG). Zusätzlich zu seiner Skalierbarkeit und erheblichen Produktionsleistung bietet keramisches Nd:YAG eine vergleichbare Anwendungsleistung wie Einkristallmaterialien.

CoorsTek bietet eine Auswahl an einstellbaren Absorbermaterialien an, darunter Cr:YAG-Keramik, V: YAG-Keramik und Ce:LuAG-Keramik. Die verschiedenen Absorbermaterialien werden entsprechend der Laserwellenlänge ausgewählt.

 

Abbildung: Cr:YAG (linke Seite),
Nd:YAG (rechte Seite)

WARUM COORSTEK?

Im Laufe seiner 110-jährigen Geschichte war CoorsTek stets führend in der Entwicklung hochwertiger technischer Keramiklösungen. Mit über 400 firmeneigenen Materialformulierungen sowie Forschungs- und Entwicklungszentren sowie Produktionsstätten auf drei Kontinenten und zahlreichen Möglichkeiten zur Formgebung, Brennung und Veredelung verfügt CoorsTek über einen beispiellosen Erfahrungsschatz in Bezug auf Keramiken.

V:YAG and Nd:YAG

Abbildung: Nd:YAG-Lasermedium (Rückseite) und V:YAG-sättigbarer Absorber (Vorderseite)