DE4132063A1 - Vorrichtung zur kuehlung von festkoerperlasern, insb. mikrokristallasern - Google Patents

Description

Beim Betrieb von Festkörper- und Halbleiterlasern ist es nötig, eine Kühlmöglichkeit vorzusehen. Für die Wirksamkeit der Kühlung ist jedoch nicht nur das verwendete Kühlsystem allein, sondern auch seine Anbin­ dung bzw. Einbindung/Einbau in das Gesamtsystem zu beachten. Frühere Vorschläge der Anmelderin hierzu sind in den deutschen Offenlegungs­ schriften DE 38 35 701 und DE 39 25 201 enthalten. Weiterhin ist ein be­ kannter Mikrokristallaser in Fig. 1 dargestellt, wobei optisch mit einer Laserdiode 1 über eine Transferoptik 2 gepumptes Festkörperlasermaterial 3 verwendet wird. Typischerweise werden bekannte Kristalle in Scheiben­ form mit einem Durchmesser von 2 bis 3 mm und einer Dicke von <1 mm verwendet, siehe z. B. die Druckschrift Owyoung, Esherick, Jahrgang 12 (1987), Seiten 999 ff. oder auch Huber, Current Topics in Material Science, Vol. 4, North Holland Publishing Comp., 1980. Aufgrund des kur­ zen Resonators emittieren solche Laser im Einmodenbetrieb. In speziellen Abwandlungen können auch andere Wellenlängen sowie abstimmbare Laser verwendet werden.

Nachteile des Standes der Technik

Mikrokristallaser werden nach dem Stand der Technik durch Halterung der Kristalle in metallischen Vorrichtungen 4, welche gleichzeitig der Hal­ terung der scheiben- oder quaderförmigen Kristalle dienen und welche na­ türlich jene Stellen weiträumig aussparen müssen, an denen die Lasermode im Kristall verläuft, gekühlt; eine andere Methode ist die direkte Kon­ taktierung eines Laserkristall-Quaders auf einer metallischen Basis, wo­ bei ebenfalls der Bereich der Lasermode ausgespart werden muß und zudem noch ungleichförmig, bedingt durch die unsymmetrische Wärmeableitung, erfolgt. Weiterhin ergibt sich ein Temperatur-Gradient zwischen Kühlhal­ terung und Laserkristall an der Stelle der Lasermode, welcher in erster Linie den Krümmungsradius eines sehr dünnen (<1 mm) Kristalles mit pla­ nen Oberflächen und somit auch den Laserresonator und dessen Stabilität bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Kühlvorrichtung für Festkör­ perlaser, insbesondere Mikrokristallaser zu schaffen, die sowohl eine gleichförmige Wärmeabfuhr als auch einen geringen Temperaturgradient und eine hohe Effizienz aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1. Aus- und Weiterbildungen der Erfindungen sind in weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen enthalten. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen bekannten Mikrokristallaser,

Fig. 2a die Temperaturverteilung über den Durchmesser der Kristallober­ fläche für den Fall, daß der Pumplicht-Fokusdurchmesser a klei­ ner als der Lasermodendurchmesser b ist,

Fig. 2b die Temperaturverteilung wie oben in umgekehrtem Falle,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 weitere Ausführungen der Erfindung.

Für eine geeignete Kühlung der dünnen Kristallscheiben oder -quader darf der Gradient in Fig. 2a zwischen der Fläche b des Kristalles, an der die Lasermode entsteht, und den kühlenden Randregionen nicht zu groß werden.

Bei schlechtem Modenüberlapp, wenn also die Pumpfläche (Pumplichtfokus) a größer als die Modenfläche b ist, ergibt sich zudem eine starke Wel­ ligkeit (Fig. 2b).

Eine Lösung dieser Problematik ist erfindungsgemäß dadurch zu erzielen, daß der Kristall auch im Bereich der Resonatormode selbst gekühlt wird, was durch ein optisch transparentes Medium erfolgt, welches andererseits eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Oberflächenqualität aufweist, um vorteilhafterweise einen guten thermischen Kontakt zum Kristallmate­ rial und zu einer Wärmesenke zu garantieren.

Eine solche Kühlvorrichtung ist jetzt dadurch realisiert worden, daß ein z. B. monolithischer Mikrokristallaser 3 mit einer sehr plan geschliffe­ nen Saphir- oder (Kunst-)Diamantplatte 5 kontaktiert wurde, welche ih­ rerseits mit einer Wärmesenke 4 in Verbindung steht (Fig. 3). Ein Saphir- oder (Kunst-)Diamant kann zum einen äußerst gut optisch poliert werden, so daß eine hohe Oberflächenplanität und -güte erzielt werden kann, zum anderen weist es eine sehr gute thermische Leitfähigkeit (0,35 W/cm C gegenüber 0,13 W/cm C bei Nd:YAG) und eine sehr hohe optische Transparenz auf. Während die Pumplicht- bzw. Laserstrahlung das Saphir­ material oder auch das (Kunst-)Diamantmaterial gut transmittieren kann, wird die auch am Ort der Lasermode entstehende Wärme abgeleitet (Fig. 4a).

Da bei nichtidealem Überlapp von Pumplicht und Lasermode auch ein nicht emittierender Teil des Laserkristalles optisch gepumpt werden kann, wel­ cher höhere thermische ßelastung aufweist als der emittierende Bereich, kann auch dieser Gradient ausgeglichen werden (Fig. 4b).

Die Saphir- bzw. (Kunst-)Diamantplatte selbst wird mit einer Wärmesenke kontaktiert, welche die Wärme möglichst symmetrisch zur Resonatormode oder zum Pumpmodenprofil ableitet. Dies kann ideal kreissymmetrisch sein (Fig. 5) oder aber auch in seiner Form dem Pumplichtprofil angepaßt wer­ den (ein z. B. elliptisches Pumpprofil wird über einen mit der Saphir- oder (Kunst-)Diamantplatte kontaktierten elliptischen Metallring mit umgekehrter Ellipsenachsenabmessung so gekühlt, daß ein kreisförmi­ ges Isothermenprofil auf dem Laserkristall entstehen kann), siehe Fig. 6 (2 bezeichnet hier die Isothermen, 1 die Pumplichtmode).

Der Laserkristall kann je nach Aufbau einseitig oder beidseitig mit sol­ chen Saphir- oder Diamantplättchen kontaktiert werden (Fig. 7). Die Aus­ dehnung des Lasermaterials im Falle einer Ausdehnung trotz Kühlung ist mit ca. 4 nm/K verschwindend gering.

Die mechanische Stabilität eines monolithischen Mikrikristallasers wird durch diese Anordnung ebenfalls erhöht, weisen diese doch typische Ab­ messungen von etwa 3 mm Durchmesser und 0,7 mm Dicke auf.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Kühlung eines Festkörper-, insbesondere Mikro­ kristallasers, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisch anregbares La­ serkristall oder ein optisch anregbares Laserglas mit einem optisch durchlässigen Festkörpermaterial hoher Wärmeleitfähigkeit auf der oder den Spiegeloberflächen des Lasers kontaktiert ist, so daß die Kühlung des Laserkristalles oder -glases mittels dieses Festkörpermaterials er­ folgt.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Festkörpermaterial Saphir verwendet wird.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Festkörpermaterial (Kunst-)Diamant verwendet wird.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermaterial seinerseits in Kontakt mit einer Wärmesenke steht, welche so geformt ist, daß sich im Bereich der Lasermode im La­ serkristall ein kreisförmiges bzw. dem Modenprofil entsprechendes Iso­ thermenprofil ausbildet.