Mikromaterialbearbeitung ohne merkliche Wärmeeinflüsse, bei denen das Material bereits ablatiert wird, bevor sich die Wärme im Material verteilt, erfordert kurze Laserimpulse im Piko- und Femtosekundenbereich mit über 10 µJ Energie. Für Impulse dieser Energie waren bisher aufwändige und damit meist kostspielige Systeme aus Oszillator und Verstärker notwendig. Mit modengekoppelten Scheibenlasern lassen sich diese Parameter nun direkt erreichen.

Die Scheibenlasertechnologie, basierend auf einem flächig gekühlten, sehr dünnen Verstärkungsmedium, weist sehr geringe pumpleistungsabhängige Verformungen desselben auf und ist gut über die Fläche leistungsskalierbar. Zudem sind ungewollte nichtlineare Effekte, speziell im Impulsbetrieb, bei Scheibenlasern verschwindend, was in Kombination mit einem sättigbaren Halbleiterabsorberspiegel (engl. Semiconductor Saturable Absorber Mirror, SESAM) diese hohen Impulsenergien direkt aus modengekoppelten Oszillatoren erlaubt.


Mit zwei Konzepten, beide basierend auf Yb:YAG-Scheibenmaterialien, wurden vor Beginn der vorliegenden Arbeit erstmals die für viele Materialbearbeitungsanwendungen nötigen Impulsenergien von über 10 µJ erreicht. Ein Konzept verringerte die limitierenden Nichtlinearitäten der Luft, indem der Resonator mit Helium geflutet wurde, während das andere Konzept die resonatorinterne Leistung verringerte. Dazu wurde die Verstärkung mit mehreren Scheibenübergängen in einer aktiven Mehrfachabbildung (englisch Active Mulipass Cell, AMC) pro Resonatorumlauf gesteigert und die Auskoppelrate auf über 60% erhöht.

Mit einer AMC waren die bisher höchsten Impulsenergien von bis zu 25,9 µJ möglich. Die höchsten erreichbaren modengekoppelten Ausgangsleistungen, mit Yb:Lu₂O₃ als Scheibenmaterial, waren bisher 141 W.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein modengekoppelter Oszillator, mit Ausgangsleistungen von 145,2 W und Impulsenergien von 41,4 µJ bei einer Impulslänge von 1120 fs gezeigt. Dieser basiert auf dem AMC-Konzept und operiert in Luft.

Das AMC-Konzept scheint ideal zum gleichzeitigen Erreichen hoher Ausgangsleistungen und Impulsenergien geeignet. Dieser Oszillator weist eine Repetitionsrate von 3,51 MHz und eine Resonatorlänge von 42,7 m auf. Zum Starten und Stabilisieren der Modenkopplung diente ein SESAM.
Zudem werden erste Skalierungsversuche des AMC-Konzepts auf niedrigere Repetitionsraten von 2,57 MHz und Impulsenergien von 31,7 µJ präsentiert.
Mit diesen Oszillatoren ergeben sich interessante Anwendungen im der Bereich nichtlineare Frequenzkonversion und vor allem im Bereich der Materialbearbeitung.

Mit Pikosekundenimpulsen ist es möglich, Materialien wie Metalle und Halbleiter mit minimaler Schmelzphase abzutragen. In diesem Zusammenhang werden Ablationsergebnisse mit kaum sichtbarem Wärmeeintrag bei verschiedenen Verfahrgeschwindigkeiten, Repetitionsraten und auf verschiedenen Materialien vorgestellt.


Effiziente Frequenzkonversion der hochenergetischen Oszillatorimpulse ist wegen der bandbreitelimitierten ultrakurzen Impulse mit sehr hohen Spitzenleistungen möglich. Es werden Frequenzverdopplung zu 515 nm Wellenlänge mit 70% Effizienz und Frequenzverdreifachung zu 343 nm Wellenlänge mit 34% Effizienz gezeigt.
Des Weiteren wird eine lineare Verstärkungseinheit, basieren auf einer AMC, präsentiert. Diese erlaubt 50 W Eingangsleistung auf 193 W zu verstärken.


Es werden alle grundlegenden physikalischen Zusammenhänge zum verwendeten Modenkopplungsmechanismus erklärt und verschiedene Limitierungen zu hohen und niedrigen Leistungen hin besprochen. Es wird auf die physikalischen Eigenschaften von Laserscheiben eingegangen. Diese werden einem Konzeptvergleich im Hinblick auf die Erzeugung ultrakurzer Impulse mit hoher Energie unterzogen. Zudem werden die Vorzüge und Limitierungen des AMC-Konzepts eingehend besprochen. Die Eigenschaften von SESAMs, ihre Charakterisierung und konzeptionelle Verbesserungen werden gezeigt.


Eine umfassende Diskussion der Limitierungen weiterer Leistungs- und Impulsenergieskalierungen zeigt, dass noch Skalierungen der Ausgangsleistungen und Impulsenergien möglich sind, was viele interessante Einsatzmöglichkeiten erwarten lässt.

Micromachining with negligible heat affects, where the material is ablated before the heat spreads across the material requires Laser pulses with pico- to femtosecond length and energies above 10 µJ. To generate these pulse energies expensive and complex master oscillator power amplifiers were required so far.

With mode-locked thin-disks lasers these pulse energies can be obtained directly from oscillators. The thin-disk laser technology is based on a surface cooled very thin gain medium. Thin-disk lasers show very little thermal lensing and are power scalable by increasing the beam sizes. Additionally unwanted nonlinear effects during pulsing are very low for disk lasers. In combination with semiconductor saturable absorber mirrors (SESAM) they allow for high pulse energies directly from unamplified mode-locked oscillators.


Two concepts, both based on Yb:YAG as disk material, allowed for pulse energies above 10 µJ, needed for many micromachining applications. One concept decreased the limiting nonlinear effects from air with helium purging of the resonator. The other concept decreased these nonlinearities by reducing the intra-cavity power. To achieve this the gain per resonator round-trip was increased with many thin-disk passes in a so called active mulipass cell (AMC). This allowed for output coupling ratios of 60% and above.

Using an AMC the previously highest energies directly from mode-locked oscillators of 25.9 µJ were possible. The previously highest possible output powers of mode-locked oscillators were 141 W based on an Yb:Lu₂O₃ thin-disk material.


This thesis describes a mode-locked oscillator with output powers of 145.2 W and pulse energies of 41.4 µJ at a pulse length of 1120 fs, based on the AMC concept operated in ambient atmosphere. The AMC concept seems to be ideal for simultaneously obtaining high average powers and high pulse energies. The shown oscillator has a repetition rate of 3.51 MHz and a resonator length of 42.7 m. To start and stabilize the mode-locking a SESAM is used.


Additionally first scaling experiments of the AMC concept to lower repetition rates of 2.57 MHz at pulse energies of 31.7 µJ are presented.
All these oscillators allow for new applications in the field of nonlinear frequency conversion and in the field of material processing. Picosecond pulses enable ablation of materials like metals and semiconductors with negligible molten material. In this context ablation results with negligible heat affects with different scanning speeds, repetition rates and on different materials are shown.


Efficient frequency conversion of the highly energetic oscillator pulses is possible due to the bandwidth limited ultrashort pulses with high peak powers. Frequency doubling to 515 nm wavelength with 70% efficiency and frequency tripling to 343 nm wavelength with 34% efficiency are shown.
Furthermore a linear amplification stage based on an AMC is presented. This linear amplification stage allows to amplify 50 W input power to 193 W output power.


The used mode-locking technique and the underlying physics are explained and limitations for low and high output powers are shown. The physics of thin-disks is detailed and a concept comparison with regard to generation of ultrashort laser pulses is done. Moreover the advantages and limitation of the AMC concept are evaluated. Conceptual improvements, properties and characterization of SESAMs are shown.


A comprehensive discussion on the limits of further power and pulse energy scaling show, that higher output powers and pulse energies should be possible. One can expect many interesting application possibilities for mode-locked thin-disk lasers.