DE3829812A1 - Festkoerperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser dessen laseraktives Material plattenförmig ist.

Bei Festkörperlasern werden Teilchen des aktiven Materials mit elektromagnetischer Strahlung angeregt, so daß Laserlicht­ emission möglich ist. Dabei erwärmt sich das aktive Material und die entstehende Wärme muß an die Umgebung abgegeben werden. Zwischen dem Entstehungsort der Wärme und deren Abgabeort treten Temperaturunterschiede auf und die dadurch verursachten Wärmespannungen belasten das aktive Material. Die Belastbarkeit des aktiven Materials ist jedoch insbesondere dann begrenzt, wenn Gläser und Kristalle eingesetzt werden. Zur Verringerung der thermischen Belastungen ist es aus der GB 21 86 421 A bekannt, die Kühloberflächen zu vergrößern und deren Abstand von deren inneren Bereichen des aktiven Materials von der Oberfläche zu verringern sowie die Pumpzeit eines vorgegebenen Volumens zu verringern und das Pumpen und Kühlen zum Erreichen einer bestimmten Leistung auf größere Volumen des aktiven Materials zu verteilen, indem bestimmte Bereiche des aktiven Materials nacheinander gepumpt werden. Das aktive Material ist in Form von Stangen oder Platten vorhanden, die in Längsrich­ tung mit Bohrungen für Kühlmittel versehen sind. Das aktive Material ist nur mit erhöhtem Aufwand in die dafür erforder­ liche Form zu bringen und außerdem ist das abschnittsweise Be­ strahlen des aktiven Materials mit Pumplicht an unterschied­ lichen Stellen nur mit vergleichsweise aufwendigen Mitteln zu bewerkstelligen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser mit einfachen Mitteln für vergleichsweise große Leistungen und für gute Strahlqualität zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Laserstrahl eine Vielzahl von unterschiedlich angeordneten Strahlengang­ abschnitten in etwa strahlstarkem plattenförmigem laseraktivem Material aufweist.

Von Bedeutung für die Erfindung ist die Ausbildung des Laserstrahls mit unterschiedlich angeordneten Strahlengangab­ schnitten, so daß das Laserlicht über die gepumpten Bereiche des aktiven Materials verteilt angeordnet ist. Diese Anordnung wird in Abstimmung auf die jeweils vorliegende Geometrie der Platte durch geeignete Anordnung der Resonatorendspiegel zur Laserstrahlführung in herkömmlicher Weise erreicht. Darüber hinaus ist aber auch von Bedeutung, daß die Stärke bzw. Dicke des plattenförmigen laseraktiven Materials optimal gewählt ist, nämlich etwa strahlstark. In diesem Fall ist die Plattendicke bezüglich des Temperaturgradienten optimiert, also bezüglich der Temperaturdifferenz je Längeneinheit, und die Wärmeabfuhr ist so hoch wie möglich, so daß die Temperaturerhöhung im aktivem Material minimal gehalten werden kann.

Eine vorteilhafte Ausnutzung plattenförmigen Werkstoffs zur Erzielung größerer Leistungen in Festkörperlasern ergibt sich, wenn das laseraktive Material eine sechseckige Platte ist, zwischen deren Schmalflächen die Strahlengangabschnitte im Sinne eines zwischen einer Eintrittsstelle und einer Austritts­ stelle gelegenen ununterbrochenen Strahlengangs des Laser­ strahls angeordnet sind.

Durch diese Formgebung der Platte wird es ermöglicht, den gesamten Plattenbereich mit einem dichten Netz von Strahlen­ gangabschnitten zu belegen und zugleich die erforderliche Länge des gesamten Strahlengangs für hohe mittlere Leistung zu erreichen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Lasers ist es, wenn das laseraktive Material aus mehreren, mit Abstand zueinander angeordneten Plattenkörpern besteht, die jeweils einen Strahlengangabschnitt aufweisen, und daß alle Strahlengangab­ schnitte mit mindestens einem Sammelspiegel zusammengefaßt sind.

Bei dieser Ausgestaltung des Lasers ist von Bedeutung, daß die vielzähligen Strahlengangabschnitte nicht sämtlich in einer einzigen Platte angeordnet sind, sondern jeweils einen separaten Plattenkörper haben und optisch zusammengefaßt werden. Es liegt eine Parallelschaltung der Strahlengangab­ schnitte mit optischem Sammler vor. Der wesentliche Vorteil bei dieser Ausbildung des plattenförmigen Materials ist die hohe Wärmeabfuhr nach allen Seiten, unbehindert durch angrenzende Schichten aktiven Materials, was zu einer optimalen Kühlung führt und vor allem auch zu einfachen Formen des plattenför­ migen Materials. Dieses ist infolgedessen preiswert herzu­ stellen. Darüber hinaus ist das plattenförmige Material einfach in vorteilhaften Geometrien anzuordnen.

Eine vorteilhafte Geometrie liegt vor, wenn die Platten­ körper um eine Mittelachse herum gruppiert, an ihren einen, auf gleicher Achshöhe gelegenen Enden verspiegelt und an ihren anderen Enden optisch an den einen Austrittsstrahl bildenden Sammelspiegel angeschlossen sind.

Bei einer solchen Anordnung der Plattenkörper ergibt sich im Falle des gleichen Abstands der Plattenkörper von der Mittelachse eine kreisringförmige Verteilung der Strahlengangab­ schnitte, so daß infolgedessen vorteilhafterweise ein kreis­ ringförmige Querschnitte aufweisender Sammelspiegel verwendet werden kann, um den Austrittsstrahl zu bilden. Ein solcher Spiegel ist z. B. der sogenannte Axicon-Spiegel.

Der Austrittsstrahl passiert einen für alle Strahlengang­ abschnitte wirksamen teiltransparenten Resonatorendspiegel, so daß sich der Laseraufbau bzw. der Resonatoraufbau entsprechend vereinfacht. Zugleich kann dieser Resonatorendspiegel zum Abdichten der dem Austrittsstrahl zur Verfügung stehenden Austrittsöffnung des Sammelspiegels dienen.

Der Laser ist so ausgebildet, daß als Pumplichtquellen Hochfrequenzgasentladungslampen und/oder Halbleiter-Laserlicht­ quellen mit direkt und/oder über Spiegel auf die Plattenkörper strahlendem Licht vorhanden sind.

Mit derartigen Lichtquellen kann die erforderliche Energie zur Anregung des aktiven Materials in ausreichendem Maße zur Verfügung gestellt werden. Die Spiegel gestatten die bei der jeweiligen Anordnung der Plattenkörper erforderliche gewünschte gerichtete Zuleitung des Pumplichts und/oder sie reflektieren nicht direkt auf das aktive Material gestrahltes Licht, um ein energiereicheres Pumpen ohne Verluste durch übermäßige Fehl­ strahlung zu erreichen.

Vorteilhafterweise sind die Plattenkörper in einer Küh­ lungsströmungskammer angeordnet, in der Kühlmittel für eine wirkungsvolle Entfernung der entstehenden Wärme sorgt. In diesem Fall ist es für eine optimale Kühlung des aktiven Materials von Vorteil, wenn die Plattenkörper zwischen einem bedarfsweise Kühlströmungsdurchbrechungen aufweisenden Innenspiegelrohr und einem bedarfsweise Kühlströmungsdurch­ brechungen aufweisenden Außenspiegelrohr angeordnet sind.

Die Spiegelrohre sind einfache und wirksame Reflektoren für zwischen die Plattenkörper eingestrahltes Pumplicht und die bedarfsweise vorgesehenen Kühlströmungsdurchbrechungen gestatten eine wirkungsvolle Umströmung der benachbarten Plattenkörper.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein Teil des laserak­ tiven Materials durch frequenzverdoppelnden Werkstoff gebildet, durch den insbesondere sichtbares Licht erreicht wird, welches aufgrund seiner kürzeren Wellenlänge besser zu verarbeiten ist. Es kann beispielsweise besser fokussiert oder in nachgeschal­ teten Optikeinrichtungen verarbeitet werden.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf plattenförmiges laseraktives Material,

Fig. 2 eine um 90° gedrehte Ansicht A der Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Lasers mit plattenförmigem aktivem Material, und

Fig. 4 die Ansicht B in Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 liegt plattenförmiges laseraktives Material 10 in Gestalt einer hexagonalartigen, sechseckigen Platte 14 vor, welche sich zwischen zwei Resonatorendspiegeln 29, 22 befindet, zwischen denen sich der Strahlengang 18 des Lasers ausbildet. Der Strahlengang 18 ist außerhalb des laseraktiven Materials 10 durch Pfeile 18′ dargestellt. Der Endspiegel 22 ist teiltrans­ parent, so daß vom Festkörperlaser ein Laserstrahl 12 abgegeben wird. Aufgrund der Anordnung der Endspiegel 29, 22 hat das aktive Material 10 eine Eintrittsstelle 16 und eine Austritts­ stelle 17 im Bereich der Schmalflächen 15 des Materials 10, dessen Dicke d aus Fig. 2 ersichtlich ist. Aus dieser Darstel­ lung ist auch ersichtlich, daß der Laserstrahl 12′ im aktiven Material 10 etwa plattenstark ist. Die Plattenstärke ist also auf den Strahl abgestimmt bzw. umgekehrt, so daß sich eine Optimierungder Plattendicke für die Wärmeabfuhr im Sinne eines möglichst großen Temperaturgradienten ergibt, was eine minimale Aufheizung des aktiven Materials zur Folge hat.

Andererseits sind die Strahlengangabschnitte 13 des gesamten im aktivem Material 10 verlaufenden Strahlengangs 18 gemäß Fig. 1 großflächig in der Platte 14 gleichmäßig verteilt angeordnet, wobei die Reflexionen der Strahlengangabschnitte an Schmalflächen 15 erfolgen, die bedarfsweise zumindest an den Reflexionsstellen verspiegelt sind. An den Knotenstellen der Strahlengangabschnitte ergibt sich eine besonders wirkungsvolle Ausnutzung des aktivierten Materials, das durch die gleich­ mäßige großflächige Verteilung der Knotenstellen über die Plattenfläche entsprechend stark ausgenutzt wird.

Die Anregung des aktiven Materials 10 erfolgt durch Pump­ lichtquellen 31. Diese sind schematisch als Dioden bzw. Halb­ leiter-Laserlichtquellen angedeutet, welche die Platte 14 beid­ seitig bestrahlen.

Ein Teil des aktiven Materials 10 ist durch frequenzver­ doppelnden Werkstoff 10′ ersetzt, so daß der Laser sichtbares Licht abgibt. Beispielsweise wird lediglich grünes Licht ausge­ koppelt, welches gegenüber dem infraroten Licht eine höhere Frequenz hat und allgemein besser zu verarbeiten ist.

Als aktives Material 10 bzw. als frequenzverdoppelnder Werkstoff 10′ kommen beispielsweise dotierte Gläser und Kristalle infrage, die sich für den Einsatz im Hochleistungs­ betrieb bewährt haben.

Bei dem in den Fig. 3, 4 dargestellten Festkörperlaser be­ steht das plattenförmige laseraktive Material 10 aus einer Vielzahl von Plattenkörpern 19, die mit Abstand a zueinander gemäß Fig. 4 kreisringförmig angeordnet sind. Es ergibt sich eine radiale Ausrichtung der Plattenkörper 19 um die Mittel­ achse 21 herum, wobei alle Plattenkörper 19 denselben Abstand a voneinander haben, wie auch denselben radialen Abstand r von der Mittelachse 21. Alle Plattenkörper 19 sind auf demselben Längenabschnitt der Mittelachse 21 angeordnet, so daß sie auf gleicher Höhe gelegene Enden 19′ einerseits und 19′′ anderer­ seits haben. Durch diese in jeder Hinsicht symmetrische Anordnung der Plattenkörper 19 wird eine kompakte Bauform erreicht, in der durch entsprechende Anordnung der Pumplicht­ quellen eine gleichmäßige Belastung aller Plattenkörper 19 erreicht wird. Es versteht sich, daß davon abweichende Anordnungen aktiven Materials gewählt werden können, wenn dies zweckmäßig erscheint, z. B. im Hinblick auf die Ausbildung der Pumplichtquellen und deren Spiegel.

Zur Anregung des aktiven Materials 10 sind als Pumplicht­ quellen beispielsweise Hochfrequenzgasentladungslampen 23 schematisch dargestellt, die zwischen bzw. auf die Platten­ körper 19 wie eingezeichnet strahlen. Als Hochfrequenzgasend­ ladungslampen 23 kommen beispielsweise Krypton- oder Xenon­ lampen infrage. Derartige Lampen 23 sind beispielsweise stab­ förmig und entsprechend der Länge der Plattenkörper 19 lang be­ messen. Damit auch radial nach außen abgestrahltes Licht zum Pumpen des aktiven Materials 10 benutzt wird, sind Spiegel 25 vorhanden, welche die Teilung der Plattenkörper 19 aufweisen, jedoch um eine halbe Teilung versetzt sind. Infolge ihrer halbkreisartigen Ausgestaltung, wobei die einander benachbarten Kanten zweier Spiegel einer Lampe 23 benachbart sind, reflek­ tieren sie von einer Lampe 23 radial auswärts abgestrahltes Licht in einer gewünschten gleichmäßigen Verteilung in die Zwischenräume der Plattenkörper 19 bzw. auf diese selbst. Diese Reflexionsstrahlen sind beispielsweise gestrichelt dargestellt. Auch hier können andersartig ausgestaltete Reflektoren benutzt werden, um die Strahlungsverteilung zu beeinflussen. Die Spiegel 25 bilden ein Außenspiegelrohr 27.

Radial innerhalb zwischen den Plattenkörper 19 ist ein Innenspiegelrohr 28 angeordnet, das als Zylinderrohr gestaltet ist und den Plattenkörper 19 dicht benachbart ist bzw. diese trägt. Das Innenspiegelrohr 28 bildet in Zusammenwirken mit dem Außenspiegelrohr 27 eine Lichtfalle für das Pumplicht und zugleich einen Ringraum, auf dessen Bedeutung weiter unten eingegangen wird.

Anstelle von Hochfrequenzgasentladungslampen 23 können auch Halbleiter-Laserlichtquellen 24 verwendet werden, sogenannte Dioden, die aufgrund ihrer geringen Abmessungen zwischen den Plattenkörpern 19 angeordnet sind und wie angegeben direkt auf die Breitflächen der Plattenkörper 19 strahlen. Gemäß Fig. 3 ist eine Vielzahl von Lichtquellen 24 über die Länge der Plattenkörper 19 mit gleichmäßigem Abstand verteilt. Jede Lichtquelle 24 erzeugt einen Strahlfleck 24′ und die Vielzahl aller Strahlflecke ergibt die gestrichelt dargestellte bestrahlte Fläche 32 des Plattenkörpers 19.

Es ist ersichtlich, daß es zu einer optimalen intensiven Bestrahlung der Plattenkörper 19 kommt, die daraufhin den in Fig. 3 unten dargestellten Strahlengangabschnitt 13 ausbilden. Diese Ausbildung erfolgt im Resonator des Festkörperlasers, der von den Resonatorendspiegeln 22, 29 gebildet ist. Der End­ spiegel 29 wird durch die Summe aller Spiegelschichten 29′ an den Enden 19′ der Plattenkörper 16 gebildet, während der Resonatorendspiegel 22 teiltransparent für einen Austritts­ strahl 12 des Sammelspiegels 20 ist, der die einzelnen Strahlengangabschnitte der Plattenkörper 19 optisch zusammen­ faßt.

Die den Enden 19′ gegenüberliegenden Enden 19′′ sind einem Sammelspiegel 20 benachbart. Der Sammelspiegel 20 ist ent­ sprechend der Ausgestaltung bzw. Anordnung der Plattenkörper 19 gemäß Fig. 4 entsprechend kreisringförmig ausgebildet, und zwar mit einem Hohlkonus 33, der die aus den Plattenkörpern 19 herrührenden Strahlengangabschnitte auf einen Innenkonus 34 reflektiert, von dem aus der gebündelte Laserstrahl als Austrittsstrahl 12 durch eine Öffnung 35 des Außenkonus 33 und den teiltransparenten Resonatorendspiegel 22 abgestrahlt wird. Letztere verschließt die Öffnung 35 des Sammelspiegels 20 und wird von diesem getragen.

Um die bei Pumpen und durch die Laserstrahl in den Plattenkörper 19 entstehende Wärme möglichst wirkungsvoll abzuführen, ist das aktive Material in einer Kühlströmungs­ kammer 26 angeordnet. Deren Gehäuse 36 besitzt eine Zufluß­ öffnung 37, in die das Kühlmittel, nämlich ein Fluid, bei­ spielsweise Gas, in Pfeilrichtung eintritt. Der Kühlmittel­ austritt erfolgt durch eine oder mehrere radial über den Umfang der Kammer 26 verteilte Strömungsaustritte 38 in Pfeilrichtung. Es ist ersichtlich, daß der Sammelspiegel 20 zur Bildung der Kammer 26 herangezogen werden kann. Die in Fig. 3 ersichtlichen Spiegelrohre 27, 28 können bedarfsweise mit Kühlströmungs­ durchbrechungen versehen werden, um dem Kühlmittel die erforderliche Querströmung zu ermöglichen. Die Kühlungsströ­ mungskammer kann aber vorteilhafterweise auch so ausgebildet sein, daß die Spiegelrohre 27, 28 selbst einen um die Platten­ körper 19 eng angeordneten Strömungskanal für hohe Durch­ strömungsgeschwindigkeiten bilden.

Auch bei dem aktiven Material 10 der Ausführungsformen der Fig. 3, 4 kann ein Teil des aktiven Materials 10 durch frequenz­ verdoppelnden Werkstoff 10′ ersetzt sein, so daß also bei­ spielsweise nur sichtbares Licht den Austrittsstrahl 12 bildet.

Für die Erfindung ist bei der radialsymmetrischen Anordnung der Plattenkörper 19 gemäß den Fig. 3, 4 von Bedeu­ tung, daß eine Phasenkoppelung stattfindet. Die elektromagne­ tischen Lichtwellen gelangen jeweils in mehrere Plattenkörper 19 und verursachen dort infolgedessen sowie infolge des für alle Plattenkörper 19 gleichmäßig gestalteten Resonators Laserstrahlung mit gleichen Kohärenzeigenschaften. Es werden höhere Leistungen ermögicht, beispielsweise mittlere Leistungen von mehr als 100 Watt. Die Strahlqualität ist infolge der Phasenkopplung gut.

Claims (9)

1. Festkörperlaser, dessen laseraktives Material plattenför­ mig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (12) eine Vielzahl von unterschiedlich an­ geordneten Strahlengangabschnitten (13) in etwa strahl­ starkem plattenförmigem laseraktivem Material (10) auf­ weist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das laseraktive Material (10) eine sechseckige Platte (14) ist, zwischen deren Schmalflächen (15) die Strahlengangabschnitte (13) im Sinne eines zwischen einer Eintrittsstelle (16) und einer Austritts­ stelle (17) gelegenen ununterbrochenen Strahlengangs (18) des Laserstrahls (12) angeordnet sind.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das laseraktive Material (10) aus mehreren, mit Abstand (a) zueinander angeordneten Platten­ körpern (19) besteht, die jeweils einen Strahlengangab­ schnitt (13) aufweisen, und daß alle Strahlengangabschnit­ te (13) mit mindestens einem Sammelspiegel (20) zusammen­ gefaßt sind.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Plattenkörper (19) um eine Mit­ telachse (21) herum gruppiert, an ihren einen, auf gleicher Achshöhe gelegenen Enden (19′) verspiegelt und an ihren anderen Enden (19′′) optisch an den einen Austritts­ strahl (12) bildenden Sammelspiegel (20) angeschlossen sind.

5. Laser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Austrittsstrahl (12) einen für alle Strahlengangabschnitte (13) wirksamen teiltransparenten Resonatorendspiegel (22) passiert.

6. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß als Pumplicht­ quellen Hochfrequenzgasentladungslampen (23) und/oder Halbleiter-Laserlichtquellen (24) mit direkt und/oder über Spiegel (z. B. 25) auf die Plattenkörper strahlendem Licht vorhanden sind.

7. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platten­ körper (19) in einer Kühlungsströmungskammer (26) angeordnet sind.

8. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Platten­ körper (19) zwischen einem bedarfsweise Kühlströmungs­ durchbrechungen aufweisenden Innenspiegelrohr (28) und einem bedarfsweise Kühlströmungsdurchbrechungen aufweisen­ den Außenspiegelrohr (27) angeordnet sind.

9. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Teil des laseraktiven Materials (10) durch frequenzverdoppelnden Werkstoff (10′) gebildet ist.