DE19521943A1 - Festkörperlaservorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaservorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Festkörperlaser, die als laseraktives Medium Kristalle oder Gläser enthalten, gehören wegen ihres relativ einfa­ chen Aufbaus und der hohen erzielbaren Leistung zu den in der Praxis wichtigsten Lasertypen.

Sie werden mit Lampen verschiedener Gasfüllung und Bauart, Leuchtdioden oder mit Lasern - etwa Halbleiterlasern - ge­ pumpt, wobei die Pumplichtquelle so zu wählen ist, daß der Hauptanteil der emittierten Strahlung im Spektralbereich der Absorptionsbanden des Lasermediums liegt. Aus diesem Grund kann der Einsatz von im nahen Infrarot (NIR) emit­ tierenden, durch entsprechende Dotierung exakt auf die Haupt-Absorptionsbanden abstimmbaren, Halbleiterlasern zum Pumpen von YAG(Yttrium-Aluminium-Granat)-Festkörperlasern aus energetischer Sicht sehr effizient sein. Hiermit wird eine Pumplichtausnutzung (ausgedrückt durch die sogenannte "slope efficiency" - vgl. dazu die Ausführungen weiter un­ ten) von 70 bis weit über 90% erreicht. Diese Pumplicht­ quellen finden daher in den sogenannten DPSS(Diode Pumped Solid-State)-Laseranordnungen zunehmende Verbreitung.

Der zunehmende Einsatz und die künftig zu erwartenden aus­ gezeichneten Marktchancen des miniaturisierten DPSS-YAG- Lasers resultieren auch aus der grundsätzlich bestehenden Möglichkeit, damit bei einfachem Aufbau hohe Leistungen im Impuls betrieb bei hoher Folgefrequenz wie auch im konti­ nuierlichen Betrieb und ein nahezu ideal Gauß′sches Strahlprofil zu erreichen.

Bei longitudinal gepumpten DPSS-Lasern wird die Pumpstrah­ lung aus einem Leistungs-Laserdiodenarray kollinear zur optischen Resonatorachse des Festkörperlasers durch den hinteren Resonatorspiegel in das aktive Verstärkungsmedium bzw. den Festkörperlaserkristall eingekoppelt.

Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze den Aufbau eines sol­ chen longitudinal gepumpten DPSS-Lasers. Die Strahlung P einer (beispielsweise im nahen Infrarot=NIR arbeitenden) Pump-Laserdiode 1 wird über eine (hier aus zwei Bikonvex­ linsen 2a, 2b bestehende) Kollimationsoptik 2, die ebenso wie die Laserdiode 1 jenseits des hinteren Resonatorspie­ gels 3.1 eines Festkörperlasers angeordnet ist, durch die­ sen hindurch in einen im Emissionsbereich der Laserdiode 1 absorbierenden Festkörperlaserkristall (Verstärkungs- oder Lasermedium) 4 eingekoppelt. Dieser besteht bei den mei­ sten praktisch eingesetzten DPSS-Anordnungen aus seltenerd-dotiertem YAG (Yttrium-Aluminium-Granat). Die NIR-Pumpstrahlung erzeugt dort eine Festkörperlaserstrah­ lung L, die zwischen dem hinteren Resonatorspiegel 3 und einem vorderen, teildurchlässigen Resonatorspiegel 3.2 mehrfach reflektiert und schließlich durch den letzteren aus gekoppelt wird.

Derartige longitudinal gepumpte DPSS-Laser sind beispiels­ weise - in verschiedenen Modifikationen des oben beschrie­ benen Prinzips, speziell hinsichtlich der Einkopplung der Pumpstrahlung - aus EP 0 358 410 A2, DE 41 01 403 A1 oder US 5 022 043 bekannt. Es ist - etwa aus der erstgenannten Druckschrift - auch bekannt, aus der ebenfalls im nahen Infrarot liegenden Festkörperlaserstrahlung durch einen in­ trakavitär angeordneten Frequenzverdopplerkristall sicht­ bares Licht zu erzeugen.

Die Transferoptik der Pumplichtquelle(n) ist so auszule­ gen, daß eine weitgehende Kongruenz zwischen der Pumpmode und der zwischen den Resonatorspiegeln schwingenden trans­ versalen Grundmode (TEM₀₀) des Festkörperlasers erreicht wird.

Mit solchen Anordnungen lassen sich mit geringem Aufwand und niedriger Pumpleistung hohe Pumpleistungsdichten im laseraktiven Material erzeugen, woraus sich eine niedrige Schwelleistung und ein hoher Gesamtwirkungsgrad ergeben.

Bereits bei geringen Pumpleistungsdichten treten jedoch thermische Effekte auf, insbesondere das sogenannte "thermal lensing", die unkontrollierte Bildung von linsen­ artig wirkenden Brechzahlgradienten-Bereichen, und ggfs. auch die Ausbildung von doppelbrechenden Bereichen im La­ serkörper. Diese Effekte können zu einer starken Ver­ schlechterung der Strahlqualität (insbesondere der Geome­ trie des Strahlquerschnitts) führen und den Einsatzbereich einer vorgegebenen Resonatorgeometrie stark einschränken.

Speziell bei der longitudinal gepumpten Konfiguration wirft auch die Geometrie des Laserdioden-Pumpstrahls, des­ sen Querschnitt eine Höhe um 1 µm und eine Breite im Be­ reich von 50 bis 500 µm hat, Probleme auf. Diese Strahlung läßt sich schlecht über größere Abstände in den Festkör­ perlaserkristall abbilden - was jedoch zur Erzielung einer geringen Pumpstrahldivergenz und damit eines hohen Wir­ kungsgrades des Pumplichtes und eines geringen Anteils hö­ herer Moden wünschenswert wäre.

In DE 41 01 403 wird vorgeschlagen, die Pump-Laserdiode sehr nahe am Festkörperlaserkristall anzuordnen, und diesem einen sehr geringen Querschnitt zu geben, so daß das Pumplicht (mindestens in Richtung einer Achse) zwischen den Begrenzungsflächen des Festkörperlasermediums mit ge­ ringer Strahldivergenz geführt wird. Hierdurch wird jedoch das nutzbare Volumen des aktiven Lasermediums zwangsläufig verkleinert, und die erzielbare Laserleistung ist begrenzt. Zudem zeigen sich im kleinen Wirkvolumen die oben erwähnten thermischen Effekte in aller Deutlichkeit.

Bei US 5 022 043 wird die Pumpstrahlung über ein Licht­ leitfaserbündel eingekoppelt, bei dem sich verjüngende Fa­ sern mit an den Lichtaustrittsquerschnitt des Pumplasers angepaßtem Lichteintrittsquerschnitt eingesetzt werden.

Dies ist eine aufwendige und kostspielige Lösung, die für breite Anwendungen von DPSS-Lasern nicht in Frage kommt.

Dasselbe gilt für langbrennweitige Kollimationsoptiken, die zudem die Realisierung miniaturisierter Anordnungen erheblich erschweren.

Eine sehr einfache Lösung zur Beeinflussung des Pump­ strahlquerschnitts stellen die herkömmlichen Modenblenden dar - bei ihrem Einsatz geht jedoch unvermeidlich ein An­ teil von 20-50% des Pumplichtes verloren, was natürlich den Gesamtwirkungsrad entsprechend verschlechtert bzw. - bei vorgegebener Ausgangsleistung - die Kosten für die Pumplichtquellen erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper­ laservorrichtung der eingangs genannten Gattung anzugeben, die bei einfachem und kostengünstigem Aufbau eine gute Strahlqualität auch im Bereich hoher Leistungen liefert.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, im Festkörperla­ serkristall eine intrinsische "Kollimationsoptik" (speziell eine konkave torische oder annähernde Zylinder­ linse) zu erzeugen, die den Pumpstrahlquerschnitt im la­ seraktiven Medium mit ähnlichem Effekt wie eine externe langbrennweitige Kollimationsoptik oder Modenblende beein­ flußt, ohne daß sie deren Nachteile hätte.

Dieser Effekt wird erfindungsgemäß durch gezielte lokale Steuerung der Wärmeableitung über den Umfang des Laserkri­ stalls über einen geeignet geformten und angebrachten Wär­ mediffusor und/oder lokale Kühlung und/oder Zusatzheizung erreicht, wodurch im Querschnitt des Laserkörpers, d. h. senkrecht zur Strahllaufrichtung, ein Brechzahlfeld in Ge­ stalt der gewünschten Optik, d. h. einer torischen bzw. Zy­ linderlinse mit negativer Brechkraft, aufgebaut wird.

Infolge der Wirkung der genannten Temperatureinstellmit­ tel, durch die sich im Laserkörper im Betriebszustand ein linsenförmiges Brechzahlfeld mit vorbestimmter Geometrie ausbildet, wird eine im Laserkörper beim Pumpen mittels einer Lichtquelle mit langgestrecktem Strahlquerschnitt spontan und unkontrolliert auf thermischem Wege ausgebil­ dete konvexe torische oder Zylinderlinse derart kompen­ siert, daß sich resultierend ein im wesentlichen rota­ tionssymmetrisches Brechzahlfeld ausbildet. Dieses führt dann auch zu einem im wesentlichen rotationssymmetrischen und Gauß′schen Strahlprofil der im Festkörperlaserstab ge­ nerierten Laserstrahlung.

Der Wärmediffusor bzw. die Kühlung (und/oder die ggfs. vorgesehene Steuerheizung) sind in Anpassung an die übli­ cherweise als Pumplichtquellen eingesetzten Halbleiterla­ ser mit langgestreckter, annähernd rechteckförmiger Strahlaustrittsfläche bevorzugt wie folgt ausgebildet: In einer senkrecht zur Längsachse des Laserkristalls liegen­ den Ebene sind in Umfangsrichtung abwechselnd zwei Ab­ schnitte mit höherem und zwei Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bzw. mit höherer/niedrigerer Um­ fangstemperatur vorgesehen. Die Abschnitte mit höherem und diejenigen mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand (bzw. mit höherer/niedrigerer Umfangstemperatur) liegen einander jeweils gegenüber, wobei die Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bzw. niedrigerer Temperatur senk­ recht zur Richtung der längeren Erstreckung des Pumplicht­ querschnitts der Pumplichtquelle angeordnet sind.

Bei den genannten Halbleiterlasern (oder anderen Pump­ lichtquellen mit nicht rotationssymmetrischem Strahlquer­ schnitt) bildet sich bei gleichmäßiger Wärmeabführung über die Umfangsfläche des Laserkristalls ein Isothermenfeld und in dessen Folge ein Brechzahlfeld heraus, das annä­ hernd die Gestalt einer bikonvexen torischen oder Zylin­ derlinse hat. Der o.g. Wärmediffusor (Kühlkörper) und/oder die aktive Kühlung/Steuerheizung führt nun zu einer in Um­ fangsrichtung ungleichmäßigen Wärmeabführung derart, daß eine gezielte Verformung des Isothermen- und damit Brech­ zahlfeldes erfolgt.

Insbesondere kann damit einer intrinsischen bikonvexen Zy­ linderlinse eine - ebenfalls thermische - konkave Zylin­ derlinse mit gleicher Achsenrichtung oder (alternativ) ei­ ne weitere konvexe Zylinderlinse mit zur "primären" Linse senkrechter Achsenorientierung überlagert werden. Bei ide­ alisierter Betrachtung würde sich im ersteren Falle die Brechwirkung einer planparallelen Platte und im letzte­ ren Falle diejenige einer sphärischen Linse ergeben - in der Praxis wird sich in beiden Fällen annähernd die Wir­ kung einer sphärischen Linse einstellen.

Eine geeignete Anordnung zur Wärmeableitung umfaßt minde­ stens einen metallischen Wärmeleitkörper mit Vorsprüngen und Aussparungen, wobei die Vorsprünge dem Laserkristall zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, so daß sie die Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bilden, während die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper und somit die Ab­ schnitte mit höherem Wärmeübergangswiderstand bilden.

Hierzu weisen die Vorsprünge jeweils eine dem Laserkörper zugewandte Fläche auf, die zur Umfangsfläche des Laserkör­ pers korrespondierend geformt ist; speziell bei einem zylindrischen Laserstab haben die Vorsprünge jeweils eine der zylindrischen Gestalt des Laserkörpers angepaßte Zy­ linderabschnittsfläche.

Alternativ oder zusätzlich zum Wärmeleitkörper kann eine aktive, insbesondere elektrisch betriebene, Kühlvorrich­ tung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers in Abständen angeordneten Kühlelementen oder -bereichen vorgesehen sein, oder es kann - in quasi umgekehrter Positions- Zuordnung zum Laserkristall - eine elektrisch betriebene Steuerheizung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (1) in Abständen angeordneten Heizelementen oder -bereichen vorgesehen sein.

Falls (ungeachtet des höheren Aufwandes) eine aktive T- Steuerung vorgenommen werden soll, bietet sich als eine besonders zweckmäßige und leicht steuerbare Anordnung eine elektrisch betriebene, nach dem Peltier-Effekt arbei­ tende Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des La­ serkörpers abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizberei­ chen an.

In diesem Fall ist eine Verarbeitungseinrichtung vorgese­ hen, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der akti­ ven Steuerheiz- und/oder Kühlvorrichtung verbunden ist und über die ein vorbestimmtes Temperaturprofil senkrecht zur Richtung der Längsachse des Laserkristalls eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.

Zur selbsttätigen Optimierung der Laserstrahlprofils kann eine mit einem Eingang der Verarbeitungseinrichtung ver­ bundene Lichtaufnehmereinheit zur Erfassung des Strahlpro­ fils des erzeugten Laserstrahls als Steuergröße für das Temperaturprofil vorgesehen sein. Hier hat die Verarbei­ tungseinrichtung natürlich auch die Verarbeitung der Strahlprofildaten - konkret als Vergleich mit einem vorge­ gegeben Sollprofil - zu leisten.

In einem kostengünstig realisierbaren Gesamtaufbau sind mindestens der Laserkristall mit dem Resonator und die Anordnung zur Wärmeableitung und/oder die aktive Kühlvor­ richtung bzw. Steuerheizung als zusammenhängende kompakte Baugruppe auf einem Trägerelement aufgebaut. Ein in Bezug auf die mechanische Langzeitstabilität und im Hinblick auf die thermischen Belastungen im Betrieb des Lasers vorteil­ hafter und aus kommerziell verfügbaren Bauteilen kosten­ günstig realisierbarer Aufbau zeichnet sich dadurch aus, daß der Laserkörper mit dem Resonator auf einer zweifach kaskadierten Peltierelementanordnung, speziell mit Al₂O₃-Grundplatte als Trägerelement, montiert ist. Die Montage kann - bei entsprechender konstruktiver Gestaltung des Laserkristalls und der optischen Bauteile - durch Auflöten oder wärmeleitfähiges Aufkleben erfolgen.

Die kompakte Baugruppe umfaßt zweckmäßigerweise zugleich einen Temperaturfühler zur Erfassung ihrer jeweiligen Be­ triebstemperatur und ggfs. eine mit dessen Ausgang verbun­ dene Regeleinheit (die jedoch auch separat angeordnet sein kann), mit deren Ausgang die oben erwähnte oder auch eine einfach nur der Grund-Temperierung der Baugruppe dienen­ de Kühl- und ggfs. auch Steuerheizvorrichtung zur Steue­ rung des Temperaturprofils der Baugruppe verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Detailskizze zu einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Festkörperlaservorrichtung in perspekti­ vischer Darstellung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze des Aufbaus eines longitudinal gepumpten DPSS-Lasers in Längsschnittdarstellung,

Fig. 3a und 3b Skizzen des Pumpstrahlverlaufes in einem mit einer Laserdiode mit langgestreckter Lichtaustritts­ fläche longitudinal gepumpten DPSS-Laser im Längsschnitt in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen,

Fig. 4a und 4b Skizzen der Querschnittsgestalt des Isothermenfeldes (annähernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung) in einem herkömmlichen DPSS-Laser bzw. ei­ nem solchen mit einer Kühlanordnung nach Fig. 1,

Fig. 5a bis 5c schematische Darstellungen zu weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Festkörperlaser­ vorrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Gesamtan­ sicht einer longitudinal gepumpten Festkörperlaservorrich­ tung nach einer Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Meß- und Steuerschaltung für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung und

Fig. 8 eine (qualitative) grafische Darstellung der Lei­ stungsdynamik- und Strahldivergenzeigenschaften einer erfindungsgemäß aufgebauten gegenüber einer herkömmlichen DPSS-Laservorrichtung.

Fig. 1 ist eine Detailskizze des zylindrischen Nd:YAG- Laserstabes 4 einer DPSS-Laservorrichtung in Art der in Fig. 2 gezeigten und oben beschriebenen Grundanordnung mit einem metallischen Kühlkörper 5, der aus zwei den Laser­ stab umschließenden Teilen 5.1 und 5.2 besteht.

Wie in der Figur gut zu erkennen ist, hat der untere Teil 5.1 des Kühlkörpers im Querschnitt annähernd die Gestalt eines auf dem Kopf stehenden "T" und eine konkav ausgear­ beitete nach oben weisende Fläche 5.1a, deren Krümmung derjenigen des Laserstabes 4 angepaßt ist. Auf dieser Flä­ che liegt der Laserstab in gutem thermischem Kontakt auf. Der obere Teil 5.2 des Kühlkörpers hat eine annähernd M- förmige Querschnittsgestalt und eine konkav ausgearbeitete nach unten weisende Fläche 5.2a, deren Krümmung ebenfalls derjenigen des Laserstabes angepaßt ist. Mit dieser Fläche liegt das Teil 5.2 in gutem thermischem Kontakt auf dem Laserstab 4 auf. Weiterhin liegt das Teil 5.2 mit den In­ nenseiten 5.2b und der Basis 5.2c der Schenkel des "M" auf dem Teil 5.1 auf und steht hier auch in gutem thermischem Kontakt mit diesem.

Fig. 3a und 3b zeigen skizzenartig den Pumpstrahlverlauf in einem mit einer Laserdiode 1 mit langgestreckter Licht­ austrittsfläche 1a longitudinal gepumpten DPSS-Laser mit Nd:YAG-Laserstab 4 im Längsschnitt in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen, und zwar Fig. 3a in der Ebene der größeren Längserstreckung der Lichtaustrittsfläche 1a (xy-Ebene) und Fig. 3b in der Ebene der kleineren Längs­ erstreckung (xz-Ebene). Zwei Plankonvexlinsen 2a′, 2b′ symbolisieren hier die optischen Elemente zur Fokussierung des Pumpstrahls. Die Längsachse bzw. optische Achse A der Anordnung (x-Achse) ist strichpunktiert gezeichnet, die - idealisierten - Strahlbegrenzungslinien sind als dünne Li­ nien gezeichnet. Es ist zu erkennen, daß die Lichtaus­ trittsfläche 1a der im objektseitigen Brennpunkt der Plan­ konvexlinse 2a angeordneten Pumpstrahlquelle 1 im bildsei­ tigen Brennpunkt der zweiten Plankonvexlinse 2b′ ein ent­ sprechend langgestrecktes Abbild I im Inneren des Laser­ stabes 4 hat. In praxi liegt die Strahltaille einige Mil­ limeter vor der hinteren Stirnfläche des Laserstabes und hat Abmessungen von beispielsweise 12×125 µm.

Das einfallende und großenteils absorbierte Pumplicht be­ wirkt eine Erwärmung des Lasermediums, die im Bereich der größten Strahldichte - d. h. in dem dem Abbild I entspre­ chenden Bereich des Laserstabes - am stärksten ist.

Fig. 4a und 4b sind Skizzen der Querschnittsgestalt des sich demgemäß ergebenden Isothermenfeldes IT_a bzw. IT_b (annähernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung, mithin der Ebene des Abbildes I) in einem herkömmlichen DPSS-Laser bzw. einem solchen mit einer Kühlanordnung nach Fig. 1. Im der waagerechten Mittenebene des Laserstabes 4 befindet sich jeweils das Abbild I des Lichtaustrittsquer­ schnitts der Pumpdiode bzw. des Pumplasers, und um dieses herum sind jeweils vier Isothermenlinien skizziert.

In Fig. 4a, d. h. in einem Laserstab ohne Kühlkörper (bzw. - was in der Figur nicht gezeigt ist - mit einem als rota­ tionssymmetrisch anzusehenden Kühlkörper), haben diese an­ nähernd die Gestalt relativ flacher Ellipsen. Das räumli­ che Isothermenfeld hat mithin langgestreckt ellipsoidale oder torusförmige Gestalt. Demgegenüber ist in Fig. 4b, d. h. bei Vorsehen eines Kühlkörpers 5 in Art des in Fig. 1 gezeigten, eine im Ergebnis der in vertikaler Richtung größeren Wärmeableitung als in horizontaler Richtung nahe­ zu kreisförmig verformte Gestalt der Isothermen zu erken­ nen. Das T-Feld im Laserstab ist mithin annäherend rota­ tionssymmetrisch zur Längsachse A.

Da das T-Feld aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Bre­ chungsindex ein in etwa gestaltgleiches Brechzahlfeld er­ zeugt, liegt bei den Verhältnissen gemäß Fig. 4a im Laser­ stab 4 ein Brechzahlfeld vor, das auf einen in Richtung der Längsachse A verlaufenden Lichtstrahl wie eine torische Linse oder - in grober Näherung - wie eine Zylinderlinse wirkt, während das T-Feld gemäß Fig. 4b die optische Wir­ kung einer sphärischen Linse ausübt. Achsenversetzte Strah­ len erfahren daher im Falle der Fig. 4a eine weit größere und vor allem stärker positionsabhängige Ablenkung als un­ ter den thermischen Verhältnissen der Fig. 4b.

Dies betrifft natürlich auch die im Lasermedium generier­ ten achsenversetzten Laserstrahlen, so daß bei der Anord­ nung nach Fig. 4b bzw. Fig. 1 eine wesentliche verringerte Strahldivergenz und verringerter Astigmatismus der erzeug­ ten Laserstrahlung auftritt und gleichzeitig ein effizien­ ter Laserbetrieb auch noch bei höheren Pumpleistungen mög­ lich ist.

Dies ist in den Kurven der grafischen Darstellung der Fig. 8 qualitativ gezeigt: Die obere durchgezogene Linie ver­ deutlicht den Verlauf der Strahldivergenz bzw. des Astig­ matismus (DIV/AST) - in Abhängigkeit von der Pumpleistung - für eine Laservorrichtung ohne die erfindungsgemäßen Merkmale, die obere gestrichelte Linie den mit der Erfin­ dung erreichten Verlauf. Es ist zu erkennen, daß der Qua­ litätsgewinn gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung mit der Pumpleistung zunimmt; die meßbaren Divergenzen und re­ sultierenden streng gaußförmigen, kreisrunden Strahlpro­ file sind kaum von denen eines - DPSS-Lasern ansonsten deutlich überlegenen - HeNe-Lasers unterscheidbar.

Die unteren Kurven (POUT) der Fig. 8 zeigen qualitativ die erreichbare Ausgangsleistung im Vergleich der erfin­ dungsgemäßen (gestrichelte Linie) mit der herkömmlichen Anordnung (durchgezogene Linie). Im Ergebnis der Erfindung ist der Laser um bis zu 20 bis 50% höheren Werten der Pum­ pleistung effizient betreibbar und eine höhere Ausgangs­ leistung und in der Folge ein erheblicher Kostenvorteil realisierbar.

Den optischen Effekt, der mit der erfindungsgemäßen Anord­ nung erreicht wird, kann man sich als denjenigen einer in­ trinsischen thermischen Zylinderlinse vorstellen, die be­ wußt dem stark asymmetrischen (ebenfalls als eine - unge­ wollte - Zylinderlinse wirkenden) Brechzahlfeld infolge des langgestreckten Pumpstrahlquerschnitts überlagert wird. Diese Zylinderlinsen haben in gewissem Umfang selbstregelnde Eigenschaften, da sich bei steigender ein­ getragener Leistung wegen der konstanten Wärmeleitfähig­ keit des optischen Materials die Isothermen (und damit die Linien bzw. Flächen gleicher Brechzahl) verdichten und da­ mit die Brennweite verringert wird.

Infolge der in gewissem Maße selbstregelnden Eigenschaften der intrinsischen thermischen Zylinderlinsen können minia­ turisierte DPSS-Laser, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, in einem weiten Dynamikbereich effizient und mit gu­ ter Strahlqualität betrieben werden.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen in schematischen Darstellun­ gen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fest­ körperlaservorrichtung, bei denen anstelle des rein passiv wirkenden Kühlkörpers, wie er in der Anordnung nach Fig. 1 zum Einsatz kam, aktive Kühlelemente eingesetzt werden.

Fig. 5a zeigt den zylindrischen Laserstab 4 in einen Kühl­ körper 5′ eingebettet, der der Einfachheit halber als Kör­ per mit der äußeren Form eines quadratischen Prismas ge­ zeigt ist, das eine hohlzylindrische Ausnehmung 5a′ für den Laserstab aufweist. Im oberen und unteren Bereich der Ausnehmung ist jeweils ein flächiges Kühlelement 5b′ und 5c′ in den Kühlkörper eingebettet, das in den entspre­ chenden Bereichen an der Umfangsfläche des eingelegten La­ serstabes 4 anliegt und dort im Betrieb eine aktive Kühl­ wirkung ausübt, die der (passiven) Wärmeableitwirkung des Kühlkörpers überlagert ist.

In Fig. 5b ist als zur Anordnung nach Fig. 5a alternative Möglichkeit der aktiven Steuerung des Wärmeübergangs zwi­ schen Laserstab und Kühlkörper in räumlicher Hinsicht eine Anordnung gezeigt, bei der funktional gewissermaßen kom­ plementär zu aktiven Kühlelementen in vertikaler Anordnung ak­ tive flächige Steuerheizelemente 5d′ und 5e′ in horizonta­ ler Anordnung vorgesehen sind. Die übrigen Elemente ent­ sprechen Fig. 5a und werden hier nicht nochmals genannt.

Fig. 5c schließlich zeigt eine Anordnung, bei der beide Möglichkeiten - aktive Kühlung in der Vertikalen und akti­ ve Steuerheizung in der Horizontalen - miteinander kombi­ niert, d. h. Kühlelemente 5b′, 5c′ und Heizelemente 5d′ und 5e′ in in Umfangsrichtung des Laserstabes alternierender Folge vorgesehen sind. Dies bietet die Möglichkeit, die räumliche Verteilung des Wärmeübergangs aus dem Laserstab und damit die Gestalt des sich in seinem Inneren ausbil­ denden T- und somit auch Brechzahlfeldes (der intrinsi­ schen thermischen "Linse") noch differenzierter zu steu­ ern.

Der Kühlkörper 5′ kann in der praktischen Realisierung ei­ ne andere Gestalt haben, insbesondere auch verrippt und/oder zur Befestigung auf einem Substrat speziell aus­ gebildet sein.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer lon­ gitudinal gepumpten Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung (die optischen Elemente zur Pumpstrahlfokussierung sind in der Figur nicht gezeigt), die gemäß den Grundsätzen der Oberflächenmontagetechnolo­ gie (SMD) aufgebaut ist.

Die Anordnung von Pumpdiode bzw. -laser 11, Resonatorspie­ geln 13.1 und 13.2 und Laserstab 4 entspricht der in Fig. 2 gezeigten und weiter oben beschriebenen longitudinalen Grundanordnung und der Aufbau des Kühlkörpers 15 Fig. 1 - die gegenüber diesen Figuren veränderten Bezugsziffern sollen die spezielle Ausbildung der Elemente für die SMD- Technologie zum Ausdruck bringen.

So sind beide Resonatorspiegel 13.1, 13.2 über zweifach abgewinkelte, bei der Montage zur Justierung biegbare An­ schlußflächen ("pads" oder "legs") 13.1a, 13.1b bzw. 13.2a, 13.2b mit der lokalen Metallisierung 10a eines Trä­ gers 10 verlötet. Da bei longitudinalen Systemen durch die Kongruenz zwischen Pump- und Lasermode eine erzwungene Verstärkungsführung vorliegt, bedarf es bei diesem Laser­ typ grundsätzlich keiner weiteren verstärkungsführenden Elemente. Das Gaußprofil wird direkt gebildet.

Der Träger 10 ist durch eine zweifach kaskadierte Kühlan­ ordnung aus drei Al₂O₃-Trägerplatten 10.1, 10.2 und 10.3 und jeweils ein dazwischenliegendes Array 10.4 bzw. 10,5′ aus Peltierelementen gebildet. Eine solche Anordnung ist bei sich ändernden Umgebungstemperaturen bzw. veränderli­ chem Energieeintrag geometrisch hochgradig stabil, da durch die Kaskadierung der Peltier-Anordnungen ein selbst­ tätiger Ausgleich von Temperaturgradienten erreicht wird. Auf der Oberfläche der oberen Platte 10.1′ ist ein Tempe­ raturfühler 16 angeordnet, über den die Temperatur der La­ servorrichtung abgefühlt und mit dessen Hilfe diese ggfs. durch geeignete Ansteuerung der Peltierelemente zusätzlich geregelt werden kann.

Die Anordnung nach Fig. 6 kann in sehr ähnlichem Aufbau auch unter Einbeziehung eines Frequenzverdopplerkristalls ausgeführt sein, wobei dieser insbesondere auch mit dem vorderen Resonatorspiegel baulich integriert sein kann.

Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer elek­ trisch-thermischen Meß- und Steuerschaltung 100 zur Steue­ rung der Strahlparameter einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung.,

Ausgegangen wird von einer Kühlanordnung für den Laserkri­ stall gemäß Fig. 5c mit zwei einzeln ansteuerbaren Pel­ tierelementen 5b′ und 5c′ oberhalb bzw. unterhalb des La­ serkristalls 4 und zwei ebenfalls einzeln ansteuerbaren Heizelementen 5d′ und 5e′ zu beiden Seiten des Laserstabes.

Die Meß- und Steuerschaltung 100 umfaßt eine flächige op­ tische Sensoranordnung in Gestalt einer CCD-Matrix 101, die gegenüber der vorderen Lichtaustrittsfläche des Laser­ stabes 4 angeordnet ist derart, daß auf ihr beim Betrieb des Lasers ein Bild des Laserstrahls erzeugt wird. Die An­ zahl der Bildaufnahmeelemente der Matrix wird entsprechend den Qualitätsanforderungen an den Laserstrahl gewählt.

Der Ausgang der CCD-Matrix 101 ist mit dem Eingang einer Vorverarbeitungseinheit 102 zur Störbefreiung und Signal­ pegelanpassung verbunden. Deren Ausgang ist mit einem Ein­ gang einer Vergleichereinheit 103 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Datenausgang eines Musterbildspeichers 104 verbunden ist, in dem mindestens ein vorgegebener Laser­ strahlquerschnitt gespeichert ist, der bei der Steuerung bzw. Einstellung der Laservorrichtung zugrundegelegt wer­ den soll. In der Vergleichereinheit 103 wird der reale, von der CCD-Matrix 101 aufgenommene Strahlquerschnitt mit dem Muster-Strahlquerschnitt verglichen und am Ausgang eine das Vergleichsergebnis kennzeichnende Signalfolge be­ reitgestellt. Verarbeitungsbreite und -geschwindigkeit der Einheiten 102 und 103 und die Speicherkapazität des Speichers 104 sind entsprechend der Anzahl der Bildaufnah­ meelemente der CCD-Matrix 101 gewählt.

Die das Ergebnis des Strahlvergleiches spezifizierenden Signale werden dem Dateneingang einer - beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildeten - mit dem Ausgang der Vergleichereinheit 103 verbundenen Verarbeitungsein­ heit 105 zugeführt, die weiterhin in üblicher Weise mit einem Datenspeicher (RAM) 106 und einem Programmspeicher (etwa einem EPROM) 107 verbunden ist.

Die Verarbeitungseinheit kann optional - was durch gestri­ chelte Linien dargestellt ist - auch mit dem Ausgang eines Temperaturfühlers 16 verbunden sein, so daß auch die Tem­ peratur des Laseranordnung in die Steuerung der Anordnung zur gezielten Wärmeabführung aus dem Laserstab eingeht.

In der Verarbeitungseinheit 105 wird unter Abruf eines Programms und von vorgespeicherten Daten zur Korrektur des T-Feldes im Laserkristall 1 durch Veränderung der Be­ triebsspannung der Kühlelemente 5b′, 5c′ und der Heizele­ mente 5d′, 5e′ ein Satz von Steuerdaten für die Spannungs­ versorgung der einzelnen Peltierelemente errechnet, der schließlich einer (mehrkanaligen) Spannungsversorgungsein­ heit 108 für die Kühl- und die Heizelemente zugeführt wird und eine entsprechende Einstellung der Betriebsspannungen und damit der Kühl- bzw. Heizleistungen der Elemente be­ wirkt. Dies führt zu einer räumlich differenzierten Wärme­ abfuhr über die Umfangsfläche des Laserstabes 4 und damit zu einer Einstellung der Gestalt des T-Feldes in diesem, mit der die gewünschten Laserstrahlparameter erzielt wer­ den. Hierbei muß die Gestalt des T-Feldes (und damit des Brechzahlfeldes) im Laserstab gar nicht erfaßt werden, da die Einstellung anhand der sich ergebenden Strahlform er­ folgt. Die Einstellung der Spannungsversorgungseinheit kann nach Beendigung des Einstellvorganges verriegelt wer­ den; eine Neueinstellung ist dann allenfalls erforderlich, wenn späterhin eine Verschlechterung der Strahlqualität festgestellt werden sollte.

Das Verarbeitungsprogramm für die gemessenen Strahldaten kann bei der beschriebenen Anordnung ein iteratives Pro­ gramm sein, wobei während der Einstellung laufend die ver­ änderten Strahlparamater erfaßt werden und einem nächsten Iterationsschritt zugrundegelegt werden können. Besonders vorteilhaft kann hier ein Fuzzy-Logic-Algorithmus angewen­ det werden.

Zur Darstellung der erfaßten Daten und Verarbeitungsergeb­ nisse für einen Bediener und zur Beeinflussung des Verar­ beitungsprozesses sind die genannten Komponenten weiter­ hin jeweils mit einer Anzeige- und Eingabeeinheit 109 - etwa Bildschirm und Tastatur eines herkömmlichen PC - ver­ bunden.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (18)

1. Festkörperlaservorrichtung mit einem im wesentlichen stab- oder plattenförmigen Laserkörper (4) mit einer Längsachse (A) aus einem laseraktiven Medium, einem achs­ parallel zur Längsachse angeordneten Resonator (3.1, 3.2; 13.1, 13.2) und einer im wesentlichen in Richtung der Längsachse einstrahlenden Pumplichtquelle (1) zur Anregung des laseraktiven Mediums dadurch gekennzeichnet, daß an der Umfangsfläche des Laserkörpers (4) Temperaturein­ stellmittel (5.1, 5.2; 5b′, 5c′, 5d′, 5e′) zur Einstellung eines vorbestimmten Temperaturfeldes (IT_b) senkrecht zur Richtung der Längsachse (A) im Betriebszustand der Fest­ körperlaservorrichtung derart vorgesehen sind, daß sich im Laserkörper im Betriebszustand ein thermisch induziertes intrinsisches Brechzahlfeld mit vorbestimmter linsenarti­ ger Geometrie ausbildet.

2. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Brech­ zahlfeld bei zur Längsachse rotationssymmetrischem Ener­ gieeintrag die Gestalt einer konkaven torischen oder Zy­ linderlinse aufweist.

3. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquelle (1) eine langgestreckte Strahlaustritts­ fläche (1a) aufweist und die Temperatureinstellmittel (5.1, 5.2; 5b′, 5c′, 5d′, 5e′) derart ausgebildet sind, daß das sich im gepumpten Laserkörper (4) ausbildende re­ sultierende Brechzahlfeld im wesentlichen die Gestalt ei­ ner sphärischen Linse mit einer zur Längsachse (A) paral­ lelen optischen Austrittsstrahlebene aufweist.

4. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Tempera­ tureinstellmittel eine Anordnung (5) zur Wärmeableitung vom Laserkörper an die Umgebung umfassen, die in einer senkrecht zur Längsachse (A) des Laserkörpers liegenden Ebene in Umfangsrichtung abwechselnd zwei Abschnitte mit höherem und zwei Abschnitte (5.1a, 5.2a) mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand aufweist, wobei die Abschnitte mit höherem und diejenigen mit niedrigerem Wärmeübergangs­ widerstand einander jeweils gegenüberliegen und die Ab­ schnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand senk­ recht zur Richtung der längeren Erstreckung des Strahlaus­ trittsfläche (1a) der Pumplichtquelle (1) angeordnet sind.

5. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung zur Wärmeableitung mindestens einen metallischen Wär­ meleitkörper (5) mit Vorsprüngen und Rücksprüngen umfaßt, wobei die Vorsprünge dem Laserkörper (4) zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, so daß sie die Abschnitte mit niedrigerem Wär­ meübergangswiderstnd bilden, während die Rücksprünge je­ weils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper (4) und somit die Abschnitte mit höherem Wärmeübergangswiderstand bilden.

6. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vor­ sprünge jeweils eine dem Laserkörper (4) zugewandte Fläche (5.1a, 5.2a) aufweisen, die zur Umfangsfläche des Laser­ körpers korrespondierend geformt ist.

7. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laser­ körper (4) als zylindrischer Stab ausgebildet ist und die Vorsprünge entsprechende Zylinderabschnittsfläche (5.1a, 5.2a) aufweisen.

8. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinstellmittel eine aktive Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (5b′, 5c′, 5d′, 5e′; 108) umfassen, die in einer senkrecht zur Längsachse (A) des Laserkörpers (4) liegenden Ebene in Umfangsrichtung je zwei alternierend aufeinanderfolgende Abschnitte mit höherer und mit niedri­ gerer Umfangstemperatur erzeugt, wobei die Abschnitte mit höherer und diejenigen mit niedrigerer Umfangstemperatur einander jeweils gegenüberliegen und die Abschnitte mit niedrigerer Umfangstemperatur senkrecht zur Richtung der längeren Erstreckung der Lichtaustrittsfläche (1a) swe Pumplichtquelle (1) angeordnet sind.

9. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine aktive, insbesondere elektrisch betriebene, Kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (4) in Abständen angeord­ neten Kühlelementen oder -bereichen (5b′, 5c′) vorgese­ hen ist.

10. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine, insbe­ sondere elektrisch betriebene, Heizvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (4) in Abständen angeord­ neten Heizelementen oder -bereichen (5d′, 5e′) vorgesehen ist.

11. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine elek­ trisch betriebene, insbesondere nach dem Peltier-Effekt arbeitende, Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers abwechselnd angeordneten Kühl-und Heizbe­ reichen vorgesehen ist.

12. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Laserkörper (4) ein Miniatur-Laserkristall aus Nd- oder Yb-dotiertem YAG ist.

13. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens ein longitudinal zum Laserkörper einstrahlender Halbleiterlaser (1) oder eine Halbleiter­ diode als Pumplichtquelle vorgesehen ist.

14. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Laserkörper (4) mit dem Resonator (13.1, 13.2) und der Anordnung zur Wärmeableitung (15) und/oder der aktiven Heiz- und/oder Kühlvorrichtung als zusammen­ hängende kompakte Baugruppe auf einem Trägerelement (10) aufgebaut ist.

15. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laser­ körper (4) mit dem Resonator (13.1, 13.2) auf einer zwei­ fach kaskadierten Peltierelementanordnung (10), insbeson­ dere mit Al₂O₃-Grundplatte (10.1), als Trägerelement mon­ tiert, insbesondere aufgelötet oder wärmeleitfähig aufge­ klebt, ist.

16. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitungseinrichtung (105) vorgesehen ist, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (5b′, 5c′, 5d′, 5e′) verbunden ist und über die ein vorbestimmtes Temperaturprofil senkrecht zur Richtung der Längsachse (A) des Laserkörpers (4) einge­ stellt bzw. aufrechterhalten wird.

17. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, daß eine mit ei­ nem Eingang der Verarbeitungseinrichtung (105) verbundene Lichtaufnehmereinheit (101) zur Erfassung des Strahlpro­ fils des im Laserkörper (4) erzeugten Laserstrahls als Steuergröße für das Temperaturprofil vorgesehen ist.

18. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die kompakte Baugruppe einen Temperaturfühler (16) zur Er­ fassung der Temperatur, eine mit dessen Ausgang verbundene Regeleinheit (105) und eine mit deren Ausgang verbundene Heiz-und/oder Kühleinrichtung (5b′, 5c′, 5d′, 5e′) zur Aufrechterhaltung des Temperaturprofils aufweist.