DE60001565T2

DE60001565T2 - Laser-klemmvorrichtung und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60001565T2
Application number: DE60001565T
Authority: DE
Inventors: Robert Armstrong; Yan Liao; John Miller; Ronald Walker
Original assignee: GSI Lumonics Inc Canada
Current assignee: GSI Lumonics Inc Canada
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: US6385220B1; CA2371126A1; AU4279200A; EP1183756A1; WO2000064016A1; EP1183756B1; DE60001565D1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Festkörperlaser und insbesondere auf eine Klemmvorrichtung und ein Verfahren für ein Festkörper-Lasermedium, das eine thermische Fokussierung und Depolarisierung der Laserstrahlung abschwächt, die in dem Medium des Festkörperlasers angeregt wird.

Hintergrund-Technik

Allgemein liegt das Problem bei Lasersystemen in der Erzielung einer Leistung, die so hoch wie möglich ist und ebenfalls in der Aufrechterhaltung einer stabilen Laserleistung über einen breiten Leistungsbereich (d. h. von niedriger zu hoher Leistung). Von der Laserleistung abhängige Linseneffekte oder durch die Temperatur induzierte Veränderungen in dem Brechungsindex des Lasermaterials, die eine Störung des Laserstrahles hervorrufen, wenn er durch das Lasermaterial verläuft, sind ein Haupthindernis gewesen bei der Erzielung eines stabilen Laserbetriebs über einen breiten Leistungsbereich. Typischerweise sind Festkörperlaser entworfen, um bei einer einzigen Betriebsleistung zu arbeiten, so dass eine konstante Pumpleistung und konstante Temperaturen beibehalten werden, wodurch die thermisch induzierten Effekte auf das Lasermaterial stabilisiert werden. Viele heutige Laseranwendungen erfordern jedoch, dass eine durch den Anwender gesteuerte variable Ausgangsleistung verfügbar ist, um die Funktionalität des Lasers zu verbessern.
Laser mit Scheiben oder dünnen Platten sind im Stand der Technik vorgeschlagen worden, die sich wenigstens teilweise mit diesem Problem befassen (s. z.B. US-PT 5,553,088, ausgegeben am 03. September 1996).
Der Vorteil von Lasersystemen mit Scheiben oder dünnen Platten liegt darin, dass der Festkörper mit einer hohen Pumpleistung gepumpt werden kann, da die sich hierbei ergebende Wärme auf ein festes Kühlelement über eine Kühlfläche an einer oder beiden Seiten übertragen werden kann. Der in dem Festkörper gebildete Temperaturgradient führt nicht zu einem negativen Einfluss auf die Strahlqualität des Laser-Strahlungsfeldes bei hoher Pumpleistung, da das Laser-Strahlungsfeld ungefähr parallel zu dem Temperaturgradienten in dem Festkörper fortschreitet, so dass das Laser-Strahlungsfeld den gleichen Temperaturgradienten in allen Querschnittsbereichen "sieht". Zusammenfassend kann die Verwendung eines am Ende gekühlten Lasermaterials mit der Geometrie einer Scheibe oder dünnen Platte im Prinzip zu verminderten thermischen Linsenverwerfungen führen.
In der Praxis werden jedoch weiter nicht-verstärkte Festkörper- Laservorrichtungen (einschließlich Lasermedien mit einer Scheibe, Platte und Stange) weiterhin durch thermische Effekte beeinträchtigt, wenn sie bei breiten Leistungsbereichen gepumpt werden (d. h. von niedriger zu hoher Leistung).

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Vorgabe einer Laser-Klemmvorrichtung und einem Verfahren für ein Lasermaterial in einem Festkörperlaser, das eine verminderte thermomechanische Verwerfung des Lasermaterials und demzufolge eine verminderte Verwerfung eines Ausgangs-Laserstrahles besitzt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Vorgabe einer Laser-Klemmvorrichtung und eines Verfahrens für ein Lasermaterial innerhalb eines Festkörperlasers, das einen Strahl mit hoher Qualität erzeugt, der in der Beugung begrenzt ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Vorgabe einer Laser-Klemmvorrichtung und eines Verfahrens für ein Lasermaterial innerhalb eines Festkörperlasers, das eine verminderte optische und Polarisationsverwerfung aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Vorgabe einer Laser-Klemmvorrichtung und eines Verfahrens für ein Lasermaterial innerhalb eines Festkörperlasers, das weniger empfindlich auf Materialbruch und mechanische Verwerfung ist, aufgrund der Beanspruchung durch große thermische Gradienten, die durch eine erhöhte Pumpleistung hervorgerufen werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Vorgabe einer Laser-Klemmvorrichtung und eines Verfahrens für ein Lasermaterial innerhalb eines Festkörperlasers, das die Einwirkungen der durch das Pumpen induzierten Erwärmung des Lasermaterials auf die Eigenschaften des Laser-Ausgangsstrahles reduziert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laser- Klemmsystem für ein Lasermedium in einem Festkörperlaser vorgesehen, welches umfasst:
a) ein erstes Element, hergestellt aus einem wärmeleitfähigen Material;
b) ein zweites Element, das aufgebaut ist, um einem Laser- Pumpstrahl einen im wesentlichen ungedämpften Durchgang zu gestatten, wobei das Lasermedium zwischen und in Kontakt mit dem ersten und zweiten Element angeordnet ist; und
c) eine Einrichtung zum Anlegen von Druck an das Lasermedium durch die ersten und zweiten Elemente, um eine thermische Deformation des Lasermediums zu verhindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Dünnplatten-Laser vorgesehen, der umfasst:
a) ein Festkörper-Lasermedium, das als eine dünne Platte konfiguriert ist;
b) zwei wärmeleitende Elemente, die das Festkörper-Lasermedium zwischen sich aufnehmen, wobei die zwei wärmeleitenden Elemente allgemein jeweils mit einer Fläche von einem Paar gegenüberliegender Flächen des Festkörper-Lasermediums übereinstimmen, um die Wärmeübertragung von dem Festkörper-Lasermedium zu den zwei wärmeleitenden Elementen zu erleichtern;
c) wobei wenigstens eines der wärmeleitenden Elemente optisch transparent ist, um Pumplicht von einer Quelle zu dem Festkörper-Lasermedium zu übertragen; und
d) eine kraftanlegende Einrichtung zum Anlegen von Druck an die wärmeleitenden Elemente, um das Festkörper-Lasermedium an einer mechanischen Deformation unter Pumpbedingungen zu hindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung eines Ausgangssignales eines Lasers mit einem Festkörper-Lasermedium vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
a) Pumpen des Festkörper-Lasermediums durch wenigstens eines von zwei wärmeleitenden Elementen, wobei ein wärmeleitendes Element in thermischem Kontakt mit jedem von zwei allgemein gegenüberliegenden Flächen des Festkörper-Lasermediums angeordnet ist;
b) Entfernung von Wärme von dem Festkörper-Lasermedium über die zwei wärmeleitenden Elemente; und
c) Anlegen von Druck an die wärmeleitenden Elemente, um das Festkörper-Lasermedium daran zu hindern, sich mechanisch unter Pumpbedingungen zu deformieren, um die thermische Fokussierung und Depolarisierung des mit Laserstrahlung angeregten Festkörper-Lasermediums abzuschwächen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung sei im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Festkörper-Laser-Klemmvorrichtung für ein Lasermedium mit der Geometrie eines Scheibentyps zeigt;
Fig. 2A einen vergrößerten Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Scheibenlasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2B einen Querschnitt der Wärmesenke und des in Fig. 1 gezeigten Druckkörpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3A eine Variation des ersten Ausführungsbeispiels bezüglich des Druckkörpers zeigt, der eine Öffnung zur Anregung des Lasermediums besitzt;
Fig. 3B eine Veränderung des ersten Ausführungsbeispieles bezüglich der Kühlung des Scheibenlasers durch die Einführung eines Kühlkanals in der Wärmesenke von Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Scheibenlaser-Klemmvorrichtung für ein Lasermedium mit der Geometrie vom Scheibentyp zeigt;
Fig. 5A ein Diagramm der thermischen Fokussierleistung (in Dioptern) eines Scheiben-Lasermediums zeigt, das mit einem Druck zwischen 0 und 4.500 kPa zusammengedrückt wird;
Fig. 5B ein Diagramm der gemessenen thermischen Linsen- Brennweite eines Scheiben-Lasermediums zeigt, das mit einem Druck zwischen 10 MPa und 1 GPa zusammengedrückt worden ist;
Fig. 6A + 6B schematische Darstellungen der Deformation des Scheiben-Lasermediums zeigen bei nicht-geklemmten und geklemmten Bedingungen, wobei Fig. 6B schematisch mit einer größeren Vergrößerung veranschaulicht ist, um zu zeigen, dass das geklemmte Scheiben-Lasermedium beträchtlich weniger deformiert ist als die nicht-geklemmte Scheibe;
Fig. 7 ein Diagramm der gemessenen thermischen Linsen- Brennweite eines 5 · 5 · 0,4 mm³ Nd:YVO4-Scheibenlasers zeigt, der mit Drücken zwischen 0-1,37 GPa (0-200 kPSI) zusammengedrückt wird, wobei parallel und senkrecht zur Polarisationsrichtung gemessen wird;
Fig. 8A,8B grafische Darstellungen der OPD (optische Wegdifferenz) für einen freien Scheibenlaser und einen geklemmten Scheibenlaser entsprechend zeigen;
Fig. 9A,9B eine alternative Klemmvorrichtung der vorliegenden Erfindung für einen Laser mit Stangengeometrie zeigen; und
Fig. 10 eine alternative Klemmvorrichtung der vorliegenden Erfindung für einen Laser mit Plattengeometrie zeigt.

Beste Weise(n) zur Ausführung der Erfindung

Im Gegensatz zu dem Linseneffekt, der durch eine radiale Temperaturverteilung in Lasermaterialien hervorgerufen wird, wie zuvor erläutert, ist entdeckt worden, dass eine thermomechanische Deformation des Lasermaterials ebenfalls zu dem Linseneffekt beitragen kann, um die maximale Ausgangsleistung zu vermindern und den Ausgangs-Leistungsbereich der stabilen Betriebsweise eines Festkörperlasers zu beschränken. Insbesondere ist ein Laser, der aus einer nicht-geklemmten dünnen Scheibe oder Platte besteht, anfällig für eine thermisch induzierte mechanische Verwertung aufgrund der nachgiebigen Natur der Scheibengeometrie. Die Verwerfung vermindert die maximale Ausgangsleistung und begrenzt den stabilen Betriebsbereich des Lasers wie zuvor erläutert.
Eine Laser-Klemmvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 veranschaulicht und schwächt die thermomechanische Deformation eines Scheibenlasers ab.
Die Scheibenlaser-Anordnung 10 umfasst einen Festkörper- Scheibenlaser 12 mit einem Kristall-Lasermaterial 13, das aus einem mit Neodym dotierten Material (z. B.) hergestellt ist, und das, wenn es bestrahlt oder gepumpt wird, eine Laserwirkung erzeugt, wie dies in näheren Einzelheiten unten erläutert wird. Angeordnet zu beiden Seiten der Scheibe 12 sind zur Aufnahme der Scheibe 12 dazwischen ein Wärmesenken-Körper 14, der aus einem geeigneten wärmeleitenden Material hergestellt ist und ein Druck-Anlegekörper 16, der aus einem geeigneten optisch transparenten Material, wie z. B. geschmolzenem Silizium, Saphir oder Diamant hergestellt ist, angeordnet. Der Druckkörper 16 ist ebenfalls vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, um den Kühleffekt der Scheibe 12 weiter zu verbessern, wie dies unten in näheren Einzelheiten erläutert wird.
Ein Wärme/thermisch-leitendes Material umfasst Metalle wie z. B. Kupfer, Messing, Aluminium und Nickel; andere Materialien wie z. B. Diamant und Siliziumcarbid; und Gold oder Nickel-beschichtete Versionen dieser Substrate.
Ein vergrößerter Querschnitt der Scheibe 12 mit einer Wärmesenken- Seite 20 und einer Druckseite 22 ist in Fig. 2A gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Wärmesenken-Seite 20 der Scheibe 12 umfasst eine Reflektorschicht 24, eine Metallschicht 26 und eine Kontaktschicht 28a. Die Druckseite 22 der Scheibe 12 umfasst eine Anti-Reflexionsschicht 30 und eine Kontaktschicht 28b. Die Kontaktschicht 28b kann aus irgendeinem Material bestehen, das transparent bei den Pump- und Laser- Wellenlängen ist, wie z. B. ein Index-Anpaßfluid. Alternativ kann die Kontaktschicht 28b weggelassen werden, wenn z. B. die Scheibe 12 optisch mit dem Druck-Anlegekörper 16 kontaktiert ist.
Die Reflektorschicht 24 ist vorzugsweise ein hochreflektierendes Beschichtungsmaterial sowohl bei der Laser- als auch der Pump- Wellenlänge. Die Metallschicht 26, vorzugsweise aus Gold oder Kupfer, wird verwendet, um den guten thermischen Kontakt zwischen dem Kristall 13 (über die Reflektorschicht 24) und die Kontaktschicht 28a aufrechtzuerhalten. Die Metallschicht 26 befindet sich in Kontakt mit der Wärmesenke 14 (über die Kontaktschicht 28a). Die Kontaktschicht 28a besteht aus einem weichen Metall wie z. B. einem Weichlot oder Indium. Die Kontaktschicht 28b auf der Druckseite 22 der Scheibe 12, die über der Anti-Reflexionsschicht 30 angeordnet ist, arbeitet in der gleichen Weise.
Um den guten thermischen Kontakt der Wärmesenke 14 und des Druckkörpers 16 mit der Scheibe 12 zu erleichtern, sind die Innenoberflächen 32 und 34 des Druckkörpers 16 und er Wärmesenke 14 entsprechend flach bearbeitet und vorzugsweise poliert, um allgemein an die entsprechenden Oberflächen der Scheibe 12 angepasst zu sein. Diese Anordnung schwächt den Auftritt von Leerräumen oder Luftspalten zwischen den Körpern 14 und 16 und der Scheibe 12 ab. Die Kontaktschichten 28a,b tragen ebenfalls bei der Auffüllung von Leerstellen dazwischen bei und verbessern hierdurch die Wärmeleitung zwischen der Scheibe 12 und den Körpern 12 und 14 noch weiter.
Die Reflexionsschicht 24, die Metallschicht 26 und die Kontaktschicht 28a für die Wärmesenkenseite 20 können ebenfalls direkt auf die Wärmesenke 14 aufgeschichtet sein, wie dies in Fig. 2B gezeigt ist, um die gleiche Gesamtvorrichtung 10 vorzugeben, wie bei der in Fig. 2A gezeigten Scheibe 12. Ferner kann die Kontaktschicht 28b der Druckseite 22 direkt auf den Druckkörper 16 aufgeschichtet sein, wie in Fig. 2B gezeigt, um die gleiche Gesamtvorrichtung 10 wie bei der in Fig. 2A gezeigten Scheibe 12 vorzugeben.
Die Scheibe 12 ist eine kreisförmige Scheibe, die zumindest in einer Oberflächenrichtung 50 eine Abmessung umfasst, die größer, vorzugsweise mehrfach größer als eine Dicke D des Kristalles 13 ist, gemessen in einer Richtung 52, die in einem rechten Winkel zu der Oberflächenrichtung 50 verläuft. Ferner besitzt eine zweite Oberflächenrichtung 54, die unter einem rechten Winkel zu der Oberflächenrichtung 50 verläuft, eine Abmessung, die in gleicher Weise größer als die Dicke D ist.
Die Scheibe 12 trägt eine Pumpoberfläche 36, die durch ein Laser- Strahlungsfeld 40 durchdrungen wird. Das Laser-Strahlungsfeld 40 wird einerseits zwischen einem Auskoppelspiegel 42, der den Laser- Ausgangsstrahl 43 erzeugt, und der Reflexionsschicht 24 gebildet, die zusammen einen Resonator 44 bilden, um ein Lasersystem zu bilden.
Das Laser-Strahlungsfeld 40 des Resonators 44 durchdringt die Pumpoberfläche 36 der Scheibe 12, tritt in den Kristall 13 ein und wird durch die Reflexionsschicht 24 der Scheibe 12 reflektiert. Die Pumpoberfläche 36 wird ebenfalls durch den Pumpstrahl 46 von der Pumplicht-Strahlungsquelle 48 durchdrungen. Das Pumplicht 46 führt zu einer Anregung des Kristall-Lasermaterials 13 in der Scheibe 12 insbesondere in dem Bereich derselben, der durch das Laser- Strahlungsfeld 40 durchdrungen wird.
Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmesenke 14 ist größer als die der Scheibe 12, so dass eine effektivere Wärmeleitung in der Wärmesenke 14 als in der Scheibe 12 stattfindet. Ein Temperaturgradient ergibt sich in der Scheibe 12, der parallel zu der Richtung 52 (s. Fig. 2A) ist und sich im wesentlichen parallel zu einer Fortpflanzungsrichtung 56 des Laser-Strahlungsfeldes 40 erstreckt. Zusätzlich vermindert die kurze Weglänge durch die Scheibe 12 die integrierte optische Wegdifferenz (OPD) in bezug auf längere Festkörper-Verstärkungsmedien (z. B. Standard-Laserstangen) mit vergleichbaren radialen Temperaturgradienten.
Die Kühlung der Scheibe 12 von einem oder beiden Enden führt zu einem Haupt-Temperaturgradienten in der Richtung 54 von der Oberfläche 34 zu der Oberfläche 32, welche parallel zu der Fortpflanzungsrichtung 56 des Laserstrahles in dem Lasermaterial 13 ist. Dies vermindert ebenfalls die Temperaturgradienten 50 senkrecht zu der Fortpflanzungsrichtung 56 des Laserstrahles. Die Temperaturgradienten in dem Lasermaterial 13 und die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen 34 und 32 der Scheibe 12 führt zur physikalischen Deformation der Scheibe 12.
Diese physikalische Deformation, welche in ihrer einfachsten Form wie eine thermisch induzierte Linse wirkt, um den Laserstrahl zu fokussieren oder zu defokussieren, wenn die Pumpleistung verändert wird, kann beschränkt werden unter Verwendung des Druckkörpers 16, um im wesentlichen die Form der Scheibe 12 zu erhalten und die maximale Laser-Ausgangsleistung zu erhöhen und eine optimal stabile Laserleistung in einem Betriebsbereich zu gestatten, der sich über ein breites Leistungsband erstreckt.
Dies wird verwirklicht gemäß einem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 veranschaulicht ist durch Verschraubung des Druckkörpers 16 mit der Wärmesenke 14 mit einer Reihe von Bolzenanordnungen 60 (bestehend aus Gruppen von Bolzen 60a und Muttern 60b). Da die Bolzenanordnungen 60 angezogen werden, wird die Scheibe 12 daran gehindert, sich während einer Pumpoperation mit hoher Leistung zu deformieren. Um den Expansionskräften, die die Verwerfung der Scheibe 12 hervorrufen, entgegenzuwirken, ist ein wesentlicher Klemmdruck erforderlich für Laser mit Scheiben/Platten-Geometrie, typischerweise höher als 35 N/cm² (50 Pfund pro Quadratzoll).
Durch eine im wesentlichen Beibehaltung der Form (d. h. flach) der Scheibe 12 wird der Linseneffekt und die Depolarisierung des Laser- Strahlungsfeldes 40, das in der Scheibe 12 angeregt wird, abgeschwächt, um dem Laserausgang 43 zu ermöglichen, maximale Leistungspegel unter hohen Pumpzuständen zu erreichen und in einer stabilen Weise über einen Betriebsbereich zu arbeiten, der sich von einer niedrigen Leistung zu einem maximalen Leistungspegel erstreckt, der bei hohen Leistungs-Pumpzuständen erreicht wird.
Da die Scheibe 12 durch Quellen 48 durch den Druckkörper 16 gepumpt wird, ist der Druckkörper 16 optisch transparent (wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1) und besitzt eine hohe Durchlässigkeit bei den Laser- und Pump-Wellenlängen. Der Druckkörper 16 ist vorzugsweise hergestellt unter Verwendung eines Materials, das härter als das Lasermaterial 13 der Scheibe 12 ist. Es gibt eine Anzahl von Wahlmöglichkeiten für ein hartes transparentes Material umfassend geschmolzenes Silizium, Saphir und Diamant. In Anordnungen, wo der Druckkörper 16 ebenfalls als ein Kühlelement zu verwenden ist, kann als Wahl Saphir oder Diamant verwendet werden, die eine relativ höhere thermische Leitfähigkeit besitzen.
Fig. 3A veranschaulicht einen Querschnitt einer alternativen Laseranordnung 65, wo der Druckkörper 16 eine kleine (bezogen auf die Größe des Druckkörpers 16 als Ganzes) Öffnung 67 umfasst, um dem Laser- und Pumplicht zu gestatten hindurchzuverlaufen und die Notwendigkeit zu vermeiden, dass das Material des Druckkörpers 16 transparent ist. Der Druckkörper 16 kann noch eine genügende Kraft auf die Scheibe 12 über einen Großteil seiner Oberfläche ausüben, um eine mechanische Deformation gemäß der vorliegenden Erfindung zu verhindern. In diesem Fall ist eine größere Auswahl an Materialien verfügbar für den Druckkörper 16 und die wärmeleitende Funktion kann verbessert werden durch Verwendung guter Leiter, wie z. B. Metalle oder beschichtete Metalle, wie z. B. Kupfer, Aluminium, rostfreier Stahl oder Gold.
Die Härte der Materialien sowohl für die Wärmesenke 14 als auch für den Druckkörper 16 ist vorzugsweise größer als die Härte des Materials der Scheibe 12, um eine effektive Einschließung der Scheibe 12 sicherzustellen und die angelegten Kräfte effektiv auf die Oberflächen der Scheibe 12 zu übertragen.
Um die Kühlfähigkeit der Wärmesenke 14 zu verbessern, ist ein Kühlkanal 70 in der Wärmesenke 14 enthalten, wie dies in dem alternativen Ausführungsbeispiel von Fig. 3B gezeigt ist. Der Kühlkanal 70 ist um den Bereich angeordnet, wo die Scheibe 12 angeordnet ist und liegt dicht an der Innenoberfläche 34 der Wärmesenke 14. IDer Kühlkanal 70 wird durch ein Kühlmedium, vorzugsweise kaltes Wasser, durchflossen, so dass Wärme aus dem Material der Scheibe 12 heraustransportiert wird.
Fig. 4 veranschaulicht eine Diamant-Amboss-Klemmvorrichtung 80 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Vorrichtung 80 ist die Scheibe 12 zwischen zwei Diamant-Ambossen 82 (z. B. Diamanten vom AA-Typ) angeordnet, die an den Kontaktoberflächen 32 und 34 hochpoliert sind. Der Diamant vom AA-Typ ist ein Material mit einem extrem hohen Härteindex und guter thermischer Leitfähigkeit. Die Ambosse 82 werden durch eine Gruppe von Druckanlege-Anordnungen 84 zusammengezogen, um die Scheibe 12 während des Laserns an einer mechanischen Deformation zu hindern. Da Diamant ein transparentes Material ist, können die Pumpquellen 48 auf jeder Seite der Scheibe 12 angeordnet werden, vorausgesetzt, dass die Beschichtungen 24,26,28a,28b und 30 (falls verwendet) für das Licht bei der Pump-Wellenlänge transparent sind.
Ein Vorteil der Diamant-Amboss-Vorrichtung 80 ist der, dass sowohl die Wärmesenke 14 als auch der Druckkörper 16 gute thermische Leiter sind, wodurch eine verbesserte Kühlung des Lasermaterials 14 aufgrund der Kühlung von beiden Enden der Scheibe 12 mit gutem thermischem Kontakt an beiden Kühloberflächen vorgegeben wird, aufgrund des festen Druckkontaktes. Die Vorrichtung 80 gestattet die Verwendung einer dickeren Scheibe, um eine längere optische Verstärkungslänge und eine größere strukturelle Festigkeit vorzugeben.
Die Verwendung einer transparenten Wärmesenke 14 gestattet der Scheibe 12, das Pumpen von der Seite gegenüber dem Laserhohlraum, wodurch der Aufwand des Pumpschemas beträchtlich vermindert wird.
Die Fig. 5A und 5B veranschaulichen die Brennweitenleistung (in Dioptern) der Scheibe 12 über dem Klemmdruck bei zwei Druckbereichen. Speziell ist dis Fig. 5A ein Diagramm der thermischen Dioptrie (1/m) über dem Druck auf der Scheibe (kPa), der über einen Bereich von Drücken von 0 bis 4.500 kPa aufgenommen wird. Fig. 5B ist ein Diagramm der Brennweite der thermischen Linse (m) über dem Druck auf der Scheibe (Pa) über einen Bereich von 1.e+7 (10 MPa) bis 1.e+9 (1 GPa).
Die Fig. 6A und 6B zeigen simulierte Resultate (unter Verwendung von Modellierungstechniken mit dem Verfahren der finiten Elemente, was in der Technik wohl bekannt ist) für eine Nd:YAG-Scheibe 12 unter 100 Watt konstanter Pumpleistung von einem Diodenlaser (wie z. B. von den Quellen 48) entsprechend für ein nicht-geklemmtes und ein geklemmtes Scheiben-Lasermedium. Die Größe des Kristalles 13 der Scheibe 12 ist φ3 · 0,3 mm und der Pump-Punktdurchmesser beträgt 2 mm. Bei dieser Simulation hält der Wärmesenkenkörper 14 die hintere Fläche der Scheibe 12 auf einer konstanten Temperatur und der Druckkörper 16 übt einen Druck auf die Fläche der Scheibe 12 aus, entfernt aber keine Wärme von der Scheibe 12.
Bei niedrigen Drücken (im Bereich 0-3 MPa) "verbiegt" sich die Scheibe wie in Fig. 6A veranschaulicht und die thermische Linse, die sich aus dieser Deformation ergibt, ist negativ. Bei Zwischendrücken (ungefähr 4 MPa) wird die Scheibe 12 gegen die Wärmesenke 14 gestoßen und die Deformation wird nahezu eliminiert, was zu einer kleinen thermischen Linse führt, wie in Fig. 5A gezeigt. Bei hohen Drücken (> 4 MPa) wird die Biegung unterdrückt und die thermische Linse ist positiv aufgrund der Oberflächenaufbiegung (wie in den Fig. 5B und 6B gezeigt). Bei höheren Drücken nimmt die Größe der thermischen Linse nicht beträchtlich ab, da sehr viel höhere Drücke erforderlich sind, um den Kristall 13 genügend zusammenzudrücken und die Aufbiegung zu eliminieren (s. Fig. 5A). Fig. 6A veranschaulicht die Deformation der Scheibe 12 ohne Klemmung (Druck 0 in Fig. 5A). Die thermische Linse ist negativ aufgrund der Biegung.
Fig. 7 zeigt die experimentellen Ergebnisse der thermischen Brennweite (mm) in Abhängigkeit von den angelegten Drücken für 0-1,37 GPa (für 0-200 kPSI) für eine 5 · 5 · 0,4 mm Nd:YVO&sub4;-Scheibe. Die absorbierte Pumpleistung betrug 26 Watt und die Pumpstelle liegt bei ungefähr 1 mm. Das Diagramm von Fig. 7 zeigt zwei Aufzeichnungen - eine erste Aufzeichnung 86 gemessen parallel (z. B. Richtung 54 in Fig. 2A) zu der Richtung der Polarisierung und eine zweite Aufzeichnung 87 gemessen senkrecht (z. B. Richtung 50 in Fig. 2A zu der Polarisationsrichtung). Sowohl die Computersimulation als auch experimentelle Resultate zeigen, dass die thermische Linse proportional mit dem Anwachsen des angelegten Druckes verbessert wird. Ebenso wird die tangentiale (Ring) Beanspruchung, die zu dem Bruch des Lasermaterials 13 bei hoher Pumpleistung führt, abgeschwächt. Dies gestattet einen beträchtlichen Gewinn in der maximalen Ausgangsleistung sowie ein Anwachsen in dem stabilen Betriebsbereich des Lasers von niedriger Leistung zu hoher Leistung.
Fig. 8A ist eine grafische Darstellung der OPD (optische Wegdpfferenz) für eine freie Scheibe gemessen in mm über der radialen Position in der Scheibe in mm. Der relevante aktive Bereich liegt zwischen 0-1 mm. Der Linseneffekt, der durch die Kurve 90 repräsentiert wird aufgrund der mechanischen Verwerfung der Scheibe 12, ist beträchtlich und verhindert in großem Maß die Kohärenz und die Ausgangs- Leistungsstabilität der Laseranordnung. Im Gegensatz hierzu ist Fig. 8B eine grafische Darstellung der OPD für einen Scheibenlaser, der gemäß der Anordnung 10 von Fig. 1 geklemmt ist. Der Linseneffekt, der durch die Kurve 92 repräsentiert wird, ist sehr konstant in dem aktiven Bereich (0-1 mm), was einen gleichbleibenden kohärenten Laserausgang sicherstellt.
Das Prinzip der Erfindung beinhaltet die Anwendung von Kraft an der Laserscheibe 12, um eine mechanische Deformation der Scheibe 12 zu verhindern. Das erfindungsgemäße System und das Verfahren verbessert ebenfalls den thermischen Kontakt zwischen der Laserscheibe 12 und der Wärmesenke 14 und liefert eine seitliche Abstützung der Scheibe 12 gegen Aufbiegung in Bereichen, wo ein thermischer Bruch höchstwahrscheinlich aufzutreten beginnt.
Das Prinzip der mechanischen Klemmung der Enden eines Lasermediums, um eine thermisch induzierte mechanische Verwerfung des Mediums zu reduzieren, kann auf andere Laser-Materialformen als die flache Scheibe oder die zuvor beschriebene Platte erstreckt werden.
Die Fig. 9A und 9B zeigen eine schematische Veranschaulichung (Seitenansicht in Fig. 9A und Endansicht in Fig. 9B) einer mechanischen Klemmvorrichtung 100 für ein Lasermaterial 102 in Stangenform. Die Klemmvorrichtung 100 umfasst einen Wärmesenken/Druckkörper 104, der die Stange 102 umgibt. Ein Paar von Druckhülsen 106 ist an den Enden der Stange 102 angeordnet unter Verwendung von Anzugschrauben 108 für einen Längsdruck. Jede der Druckhülsen 106 umfasst ein Fenster 109, um Pumplicht 110 zu gestatten an einem Ende einzutreten und den Laser-Modenausgang 112 am anderen Ende zu verlassen. Die Druckhülsen 106 kontaktieren den Wärmesenken/Druckkörper 104 an einem Kompressionsfenster 114. Ein Paar von radialen Kompressions-Anzugschrauben 116 ist durch den Wärmesenken/Druckkörper 104 montiert.
Fig. 10 zeigt eine schematische Veranschaulichung einer mechanischen Klemmvorrichtung 130 für ein Lasermaterial 132 in Plattenform. Die Anordnung 130 umfasst ein Paar von Druck/Wärmesenkenplatten 134, die entlang von zwei Kanten des Lasermaterials 132 senkrecht zu einer Laserrichtung X-X' montiert sind. Die Platten 134 sind bei A-A', B-B', C-C' und D-D' unter Verwendung von Standardklemmen vom C-Typ (nicht gezeigt) geklemmt.
Die Klemmvorrichtungen 10 und 130 liefern einen ähnlichen Nutzen bezüglich der Verminderung der durch die Temperatur eingeführten mechanischen Deformation des Lasermaterials 102 und 132, um die Verwerfung des Laserstrahls zu reduzieren, der durch das Lasermaterial 102,132 verläuft. Die in den Fig. 9A, 9B gezeigten Anordnungen 100,130 sind ähnlich zu der von Fig. 1 mit der Ausnahme, dass anstelle des Laserpumpens durch das Ende des Lasermaterials (d. h. ungefähr parallel zu dem Laser-Ausgangsstrahl) die Anordnungen von der Seite gepumpt werden. Ein von der Seite gepumpter Laser wird üblicherweise verwendet, um eine Stangen- oder Platten-Geometrie zu pumpen und ist dem Fachmann wohl bekannt.

Industrielle Anwendbarkeit

Das Verfahren und das System, das die vorliegende Erfindung verkörpert, ist in der Lage, in der Laser-Verarbeitungsindustrie verwendet zu werden.

Claims

1. Laser-Klemmsystem (10,80,100,130) für ein Lasermedium (13) in einem Festkörperlaser (12), umfassend:

a) ein erstes Element (14) hergestellt aus einem wärmeleitfähigen Material;

b) ein zweites Element (16), das aufgebaut ist, um einem Laser-Pumpstrahl (40) einen im wesentlichen ungedämpften Durchgang zu gestatten, wobei das Lasermedium zwischen und in Kontakt mit dem ersten und zweiten Element angeordnet ist;

gekennzeichnet durch:

c) eine Einrichtung (60,84, 106, 108) zum Anlegen von Druck an das Lasermedium durch die ersten und zweiten Elemente, um eine thermische Deformation des Lasermediums zu verhindern.

2. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, wobei das zweite Element aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt ist.

3. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, wobei das zweite Element aus einem Material hergestellt ist, das für den Laserstrahl transparent ist.

4. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, wobei das zweite Element eine Öffnung (67) umfasst, um dem Laserstrahl den Durchtritt durch das zweite Element zu dem Lasermedium zu gestatten.

5. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines der ersten und zweiten Elemente härter als das Lasermedium ist.

6. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Anlegen von Druck eine Bolzenanordnung (60a,b) umfasst zur Befestigung des ersten Elementes mit dem zweiten Element.

7. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein gleichförmig wärmeleitendes Material (28a), das zwischen dem Lasermedium und wenigstens einem der ersten und zweiten Elemente angeordnet ist.

8. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend wenigstens eine reflektierende Oberfläche (24), die auf wenigstens einem der ersten und zweiten Elemente gebildet ist und konfiguriert ist, um Pumpstrahlung zu reflektieren, die durch eines der ersten und zweiten Elemente und das Lasermedium übertragen wird, um das Pumpen des Festkörperlasers zu verbessern.

9. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, wobei das Lasermedium eine Stange (102) ist.

10. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, wobei das Lasermedium eine Platte (132) ist.

11. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, wobei das Lasermedium eine Scheibe (12) ist.

12. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung zum Anlegen von Druck einen Druck anlegt, der ungefähr 35 N/cm² (50 Pfund pro Quadratzoll) überschreitet.

13. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein den Index anpassendes Fluid (28b), das zwischen dem Lasermedium und wenigstens einem der ersten und zweiten Elemente angeordnet ist.

14. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kühlkanal (70), der in einem der Elemente angeordnet ist.

15. Dünnplatten-Laser (10,80) umfassend:

a) ein Festkörper-Lasermedium (13), das als eine dünne Platte konfiguriert ist;

b) zwei wärmeleitende Elemente (14, 16), die das Festkörper- Lasermedium zwischen sich aufnehmen, wobei die zwei wärmeleitenden Elemente jeweils allgemein mit einer Fläche von einem Paar gegenüberliegender Flächen des Festkörper-Lasermediums übereinstimmen, um die Wärmeübertragung von dem Festkörper-Lasermedium zu den zwei wärmeleitenden Elementen zu erleichtern;

c) wobei wenigstens eines der wärmeleitenden Elemente optisch transparent ist, um Pumplicht von einer Quelle (48) zu dem Festkörper-Lasermedium zu übertragen;

gekennzeichnet durch:

d) eine Kraft anlegende Einrichtung (60,84) zum Anlegen von Druck an die wärmeleitenden Elemente, um das Festkörper-Lasermedium an einer mechanischen Deformation unter Pumpbedingungen zu hindern.

16. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 15, wobei die wärmeleitenden Elemente aus einem Material hergestellt sind, das härter als das Scheiben-Lasermedium ist.

17. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 15, wobei die allgemein ebene Oberfläche von jedem wärmeleitenden Element eine polierte Oberfläche (32, 34) umfasst, um die Wärmeübertragung einer Schnittstelle derselben mit dem Scheiben-Lasermedium zu verbessern.

18. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 15, ferner umfassend ein gleichförmig wärmeleitendes Material (28a), das zwischen dem Scheiben-Lasermedium und wenigstens einem der wärmeleitenden Elemente angeordnet ist.

19. Laser-Klemmsystem nach Anspruch 18, wobei das gleichförmig wärmeleitende Material Indium ist.

20. Verfahren zur Verbesserung eines Ausgangssignales (43) eines Lasers (48) mit einem Festkörper-Lasermedium, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:

a) Pumpen des Festkörper-Lasermediums durch wenigstens eines von zwei wärmeleitenden Elementen (14, 16), wobei ein wärmeleitendes Element in thermischem Kontakt mit jedem von zwei allgemein gegenüberliegenden Flächen des Festkörper-Lasermediums angeordnet ist;

b) Entfernen von Wärme von dem Festkörper-Lasermedium über die zwei wärmeleitenden Elemente; und

c) Anlegen von Druck an die wärmeleitenden Elemente, um das Festkörper-Lasermedium daran zu hindern, sich mechanisch unter Pumpbedingungen zu deformieren, um die thermische Fokussierung und Depolarisierung von mit dem Festkörper-Lasermedium angeregter Laserstrahlung abzuschwächen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend den Schritt der Anordnung eines gleichförmig wärmeleitenden Materials (28a) zwischen dem Festkörper-Lasermedium und wenigstens einem der wärmeleitenden Elemente.

22. Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend den Schritt der Reflektierung von Pumpstrahlung von wenigstens einer Spiegelfläche, die auf wenigstens einem der wärmeleitenden Elemente gebildet ist, so dass die reflektierte Pumpstrahlung durch das Festkörper-Lasermedium zurückübertragen wird, um das Pumpen desselben zu verbessern.