DE69706541T2

DE69706541T2 - Gepulster laser mit passiver stabilisierung

Info

Publication number: DE69706541T2
Application number: DE69706541T
Authority: DE
Inventors: David Buzawa; E. Kelsoe; R. Marshall
Original assignee: Iridex Corp
Current assignee: Iridex Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2017-05-31
Also published as: EP0904615A1; DE69706541D1; EP0904615B1; WO1997045901A1; AU3298397A

Description

Diese Anmeldung bezieht sich allgemein auf Laserquellen, und insbesondere auf diodengepumpte frequenzverdoppelte Laserquellen.
Das frühere U.S. Patent Nr. 5 511 085 der Anmelderin beschreibt eine solche Laserquelle, die im kontinuierlichen Betrieb arbeitet, und identifiziert eine Anzahl von Veröffentlichungen des Standes der Technik, die relevant für die Konstruktion und den Betrieb dieser Vorrichtungen sind. Dieses Dokument offenbart eine Anzahl von wirksamen Frequenzverdoppelungs-Lasersystem-Konfigurationen, einen Überblick über den allgemeinen Stand der Technik und ebenso eine Offenbarung einer passiven Stabilisierungstechnik, von der gezeigt wurde, daß sie die Stabilität des Wellenlängenumwandlungsprozesses stark erhöht.
Im allgemeinen verwenden gepumpte Verdoppelungssysteme des Standes der Technik eine aktive Temperaturstabilisierung des Verdoppelungskristalls, von irgendwelchen Intraresonator-Wellenplatten oder Etalons, und gewöhnlicherweise des Laserkristalls selbst, um eine ausreichend stabile Ausgabe zu erreichen. Ohne strikte Temperatursteuerung des Systems kann dieses ein schlechtes Verhalten zeigen. Leichte Änderungen in der Doppelbrechung, die zum Beispiel durch eine Fehlausrichtung des Verdoppelungskristalls verursacht werden, resultieren in Ausgabe-Instabilitäten. Der Laser kann zum Laufen in einem einzelnen longitudinalen Modus in einer oder beiden von zwei orthogonal polarisierten Richtungen gezwungen werden, um eine Strahlleistungsstabilität zu erhalten, wodurch eine Anzahl von zusätzlichen Komponenten in dem Resonator erforderlich wird. Im allgemeinen sind Verdoppelungssysteme wesentlich empfindlicher gegenüber der Komponentenqualität als andere Systeme. Was benötigt wird, ist ein passiv stabilisierter Laser, der keine enge Temperatursteuerung oder mehrere Intraresonatorelemente benötigt, ein Laser, der robust und unempfindlich gegenüber Vibration ist.
Viele praktische Anwendungen von grünen Dauer-(CW)-Lasern erfordern einen intermittierenden Betrieb. Zum Beispiel erfordern bei medizinischen Anwendungen die gemeinhin notwendigen Fotokoagulationsprozeduren, daß die grüne Quelle "gepulst" wird, typischerweise mit einer Pulsdauer von einer bis fünfhundert Millisekunden. Die Intervalle werden im allgemeinen ausgewählt, um eine bestimmte Gewebetemperatur über eine spezifizierte Tiefe zu erreichen, und diese Temperaturverteilung wird durch Faktoren wie die thermische Leitfähigkeit und die Absorptionsfähigkeit des Gewebes (die bekannt sind) und die Laserausgangsleistung, die gesteuert werden muß, bestimmt. In diesem gepulsten Modus des Betriebs muß die Laserausgabe daher stabil sein; Quasi-Q-Switching oder ein Verhalten mit Spitzen, mit ihren extremen Energievariationen, könnten schädlich sein. Zum Beispiel könnte ein solcher Betrieb mit Spitzen eine Beschädigung der Augen des Patienten in einer retinalen Koagulationsprozedur verursachen. Die Techniken des Standes der Technik zum Beibehalten einer Ausgabestabilität verlassen sich alle auf eine strikte Temperatursteuerung. Jedoch ist es nicht möglich, eine statische Temperatur des Verdoppelungskristalls zu erzielen, wenn die fundamentale Laserausgabe zu pulsen ist, da das durch den Kristall gehende Licht eine lokale Erwärmung verursacht. Bei einem typischen Puls können die Temperaturen des Verdoppelungskristalls und des Laserkristalls um so viel wie 30ºC steigen. Selbst falls der Temperaturanstieg während eines einzelnen Pulses nicht groß ist, wird ein wiederholtes Pulsen des Lasers in einer "Auf- Anforderung"-Weise einen stetigen Anstieg der Temperatur verursachen. Als ein Ergebnis wird die verdoppelte Ausgabe weit variierende Stabilitätseigenschaften zeigen. Anthon hat gezeigt, daß eine Temperaturabweichung von nur 0,1ºC ausreichend ist, um die verdoppelte Ausgabe zu destabilisieren.
Als ein Ergebnis muß man, um eine geeignete Ausgabe von einem diodengepumpten Intraresonator-Verdoppelungslaser zu erzielen, den Laser bei einer konstanten Leistung betreiben und ihm ermöglichen, sich zu stabilisieren. Da plötzliche Änderungen in der Diodentemperatur, den thermischen Linsen, oder der Verdoppelungskristalltemperatur Instabilitäten in dem Laser verursachen, muß jemand, falls er eine "Grün-auf-Anfrage"- Leistung fordert, den Laser kontinuierlich laufen lassen und die Ausgabe shuttern. Dieses würde in wesentlicher Erwärmung und wesentlichem Leistungsverbrauch resultieren, so daß eine solche Vorrichtung ein schlechter kommerzieller Wettbewerber für existierende Ionenlaser wäre.
Ein anderer Satz von medizinischen Anwendungen, die Ablations- oder Koagulationsprozeduren, die in der Dermatologie verwendet werden, erfordern eine gesteuerte Lichtdosis, die in einer Zeit zu liefern ist, die verglichen mit der thermischen Relaxationszeit des Gewebes kurz ist. Diese Zeitintervalle sind so kurz, daß, falls die Laserausgabe chaotisch fluktuiert, es nicht möglich sein wird, eine durchschnittliche Ausgangsleistung oder eine durchschnittliche "gelieferte thermische Energie" während des Pulsintervalls anzunähern, was es unmöglich macht, eine gesteuerte Dosis zu erhalten.
Weiterhin wäre bei industriellen Anwendungen wie einem Markieren oder Drucken die Fähigkeit zum schnellen An- und Ausschalten des Lasers - mit dem Wissen, daß eine spezifizierte Leistung in einem Pulsintervall erzielt wird - vorteilhaft. Falls ein solcher Betrieb erzielt würde, könnte der Laserstrahl eine Markierung machen, abgeschaltet werden, zu einem Punkt an einem unterschiedlichen Ort bewegt werden, und dann zum Markieren des neuen Ortes erneut gestartet werden.
Die Fähigkeit zum Pulsen eines Festkörperlasers könnte auch zum signifikanten Verbessern der Laserleistung und zum Vereinfachen der Herstellung in verschiedenen Hinsichten benutzt werden. Wirkungen wie eine thermische Doppelbrechung und eine thermische Linsenbildung werden bei CW-gepumpten Lasern stark reduziert, falls die relative Einschaltdauer reduziert werden kann. Zum Beispiel wäre bei einem Betrieb mit einer relativen Einschaltdauer von zehn Prozent, der erfordert, daß ein Joule Laserlicht über ein Zehntel einer Sekunde geliefert wird, die durchschnittliche Ausgangsleistung gleich ein Watt, während die äquivalente CW-Laserleistung gleich zehn Watt wäre. Die thermischen Effekte, die in einem Zehn-Watt-CW-Laser vorhanden sind, währen zehnmal größer, was ihn zu einer schwierig zu produzierenden Vorrichtung macht.
Ein Feld von Dioden, das einen Festkörperlaser pumpt, kann mit einer Rate gepulst werden, die ausreichend zum Induzieren eines CW-Betriebes ist, wie es zum Beispiel in dem U.S. Patent Nr. 3 982 201 für Rosenkranz beschrieben ist, und das Diodenlicht kann entweder durch eine Optik mit niedriger f-Zahl oder durch optische Fasern gesammelt werden. Die Anmelderin hat zuvor in dem United States Patent Nr. 5 511 085 eine passive Stabilisierungstechnik beschrieben, die keine Temperaturstabilisierung zum Erzeugen einer stabilen, wellenlängengewandelten Ausgabe aus einem Festkörperlaser benötigt. Entsprechend dieser Technik verursacht, durch Verwenden eines ausreichend kurzen Laserresonators, ein Spitzenverhalten, daß die Effizienz des Wellenlängenumwandlungsprozesses erhöht wird. Da der Laser immer in dem Modus arbeiten wird, der seine Verluste minimiert (im Falle der Wellenlängenverdoppelung, das was aus dem Resonator als Ausgangsleistung herausgeht), unterdrückt ein Verkürzen des Resonators das Spiking: Der Laser arbeitet daher ohne Spiking und die Ausgabe bleibt stabil.
Wie oben bemerkt wurde, für viele praktische Anwendungen wie eine retinale Fotokoagulation ist grünes Licht der optimale Abschnitt des Spektrums für eine effektive Behandhing, und der Entwurf eines diodengepumpten grünen Lasers für solche medizinischen Anwendungen ist daher ein hochgradig wünschenswertes Ziel. Jedoch bleibt die praktische Implementierung eines solchen Lasers, eines Lasers, der zum akkuraten Ausführen des notwendigen Bereichs von gepulsten Belichtungsbehandlungsprotokollen, die in verschiedenen Bereichen der Medizin und der Chirurgie entwickelt wurden, in der Lage ist, unvollständig oder leidet an gewissen Beschränkungen des Betriebs, die verhindern, daß eine diodengepumpte Architektur voll im Wettbewerb mit anderen, besser entwickelten, aber teureren, herkömmlichen Konstruktionen kommt.
Verschiedene, kürzliche Annäherungen sind in der Literatur berichtet worden, wie ein grüner CW-Laser mit zwei Watt, der mit einer häuslichen Stromquelle mit einer Phase arbeitet, und ein grüner CW-Laser mit fünf Watt zum Pumpen von Anwendungen, der eine signifikante Rauschreduzierung gegenüber Ionenlaserquellen demonstriert hat.
Das größte Hindernis bei einer erfolgreichen Entwicklung von diodengepumpten grünen Lasern ist das "grüne Problem" gewesen, das zuerst analysiert wurde durch Tom Baer (J. Opt. Soc. Am., B3, 1175 (1986)). Baer zeigte, daß aufgrund der longitudinalen Modenkopplung schwere Amplitudenfluktuationen in Lasern mit Intraresonator-Verdoppelung auftraten. Bei diodengepumpten Systemen war dieses ein besonders schweres Problem aufgrund der Tendenz dieser Laser, in wenigen longitudinalen Moden zu oszillieren. Die Firma Spectra Physics fand eine Lösung für das grüne Problem bei diodengepumpten Systemen durch Verlängern des Laserresonators, um einer großen Anzahl, ungefähr einhundert, longitudinalen Moden zu ermöglichen, gleichzeitig zu oszillieren, wodurch die Amplitude des Modenkopplungsrauschens signifikant reduziert wurde. Ihre diodengepumpte Quelle mit langem Resonator wurde als ein "Plug-in"-Ersatz für Ionenlaser bis zu ungefähr fünf Watt Leistung hergestellt, die in einer Einheit mit ungefähr derselben Größe wie ein Ionenlaser ausgeführt wurde, aufgrund der benötigten Resonatorlänge von einem Meter, die aber wesentlich effizienter war und daher nur einen kleinen Flüssigkeitskühler benötigte. Das U.S. Patent 5 511 085 der Anmelderin beschreibt einen anderen Ansatz zum Stabilisieren der verdoppelten grünen Ausgabe eines gepumpten Systems, und noch kürzlicher hat die U.S. Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/562 297, die am 22. November 1995 eingereicht wurde, einen Intraresonator-Verdoppler beschrieben, der die Ausrichtungsrandbedingungen für ein Hochleistungs-CW-Diodenpumpen wesentlich reduziert. Alle diese Annäherungen haben die Aussicht auf die letzte endliche Konstruktion eines nützlichen, robusten, zuverlässigen, diodengepumpten, grünen Verdoppelungssystems für medizinische Anwendungen verbessert.
Jedoch ist, trotz, dieser Annäherungen, der Ionenlaser immer noch weithin akzeptiert, und ein Hersteller verkauft immer noch über eintausend Ionenlaser pro Jahr nur zur Verwendung in Fotokoagulatoren. Wie Gaslaserröhren sind Ionenlaser nun eine gut entwickelte Technologie, die in der Massenherstellung billig ist. Ein-Watt-Ionenlaser mit kleinen Abmessungen benötigen keine Kühler, anders als ihre Festkörperwettbewerber. Ein solcher Fotokoagulator, der durch Coherent hergestellt wird, hat ungefähr die Größe einer Manteltasche und eine Röhrenlebensdauer, die eintausend Stunden überschreitet. Ionenlaser können in Millisekunden angeschaltet werden, wohingegen diodengepumpte Laser, im Gegensatz, eine signifikante Anschaltzeit benötigen, um sich zu stabilisieren, und erst kürzlich in die Lage gekommen sind, eine vom Benutzer einstellbare Ausgangsleistung zu erzeugen, ohne zu destabilisieren. Diese Nachteile stammen von der Tatsache, daß, obwohl Dioden sehr schnell angeschaltet werden können, in Nanosekunden oder Mikrosekunden, sie an einem Frequenzchirpen aufgrund von thermischen Effekten über eine Zeitspanne von einigen zehn Millisekunden leiden, wenn sie erregt werden. Als ein Ergebnis sehen diodengepumpte Laser einen variierenden Betrag von absorbierter Pumpleistung, was Anlaß zu einem langen Einschalteinschwingen gibt.
Um wirksam mit der Ionenlasertechnologie in Wettbewerb zu treten oder sie vollständig zu ersetzen, scheint es daher nötig zu sein, daß ein Festkörperlaser kleiner und leichter zu kühlen sein müßte, ohne Einschwingen oder Einstellung "sofort" betriebsbereit sein müßte, und signifikant länger leben sollte. Kurz gesagt, die nächste Generation von diodengepumpten, grünen Lasern müßte mehr wie Laserdioden selbst sein, um akzeptiert zu werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend eines Aspektes der vorliegenden Erfindung verwendet ein diodengepumptes Verdoppelungssystem eine Diodenquelle zum Pumpen eines Laserkristalls, der einen Verdoppler in demselben Laserresonator betreibt. Die Diode wird in einem Pumpzustand, der gepulst ist oder eine niedrige relative Einschaltdauer aufweist, betrieben, und die Resonatorlänge wird ausreichend kurz eingestellt, um Einschwing-Laserantworten auf das Einschalten der Diodeneingabe zu unterbinden, und um eine stabile und bekannte oder gesteuerte Energieausgabe in dem Pulsintervall zu erzeugen. Die Konstruktion erlaubt eine wesentlich lockerere Temperatursteuerung und läuft während des ursprünglichen Anschaltintervalls der Laserdiode stabil, um eine gesteuerte Dosis mit einer definierten Dauer, die geeignet für medizinische oder industrielle Anwendungen ist, zu erzeugen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Vorrichtung mit einem thermischen Steuersystem betrieben, das Isotherme in dem aktiven Volumen erzeugt und bevorzugterweise eine oder mehrere separate Wärmequellen und/oder Wärmesenken zum Vorerwärmen des Verdoppelungskristalls betreibt, einen orientierten Gradienten erzeugt oder die Richtung und die Migrationsrate einer Isotherme über das Modusvolumen während des intermittierenden Betriebs steuert. Bevorzugterweise wird ein Heizer auch bei der Diode zum Reduzieren der Einschaltrampe verwendet.
Entsprechend eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein diodengepumptes Laser- Verdoppelungssystem durch seine Resonatorparameter zum kontinuierlichen Lasern während eines Pulses stabilisiert, und eine grobe Temperatursteuerung wird an den Verdoppelungskristall zum Verhindern von großen thermischen Ausschlägen angewandt. Der Verdoppelungskristall ist bevorzugterweise ein nicht-linearer Kristall wie KTP, LBO oder BBO, der empfindlich gegenüber der Ausrichtung in einer Richtung ist - z. B. KTP mit einem x-z-Abstimmungswinkel A von 90º und einer nicht-kritischen Phasenübereinstimmung φ in der x-y-Ebene. Der Kristall wird in der horizontalen Ebene montiert und ausgerichtet und zwischen eine Wärmequelle und eine Wärmesenkung an seiner unteren und oberen Oberfläche eingeklemmt, um einen Temperaturgradienten in der senkrechten, nicht-kritischen Richtung ohne Beeinträchtigung der kritischen Ausrichtung während entweder des Klemmens oder des gerichteten Erwärmens zu etablieren. Dieses liefert eine Isotherme in der kritischen Ebene. Der Gradient wird dann nach oben oder nach unten verschoben, durch selektive Betätigung der Quelle und/oder der Senke in Koordination mit der Zeitsteuerung der eingestellten Pump-Puls-Betriebsart, um die Temperatur innerhalb der horizontalen Verdoppelungsschicht innerhalb ungefähr fünf Grad für einen ausreichend langen Zeitraum und über den gesamten Bereich der Betriebszyklen vorzukonditionieren oder beizubehalten.
In anderen Ausführungsformen kann der Verdoppler zwischen einen Kühler auf einer Oberfläche und sowohl einen Heizer als auch einen Kühler, die unabhängig betätigbar sind, auf seiner anderen Oberfläche eingeklemmt werden. Die unabhängig betätigbaren thermischen Elemente werden dann in einer Abfolge betätigt, um eine thermische Neigung oder einen gekrümmten Gradienten über die Verdoppelungsschicht zu erzeugen. Während einer Pulsbetätigung vervollständigt die intern erzeugte Wärme in dem Zentrum dann die ursprüngliche thermische Verteilung, um die Gleichförmigkeit ihrer Temperatur zu erhöhen oder auszubreiten. Die thermischen Elemente können während oder kurz vor dem Beginn der Pulssequenz in einen Quervorspannungsmodus geschaltet werden, so daß die in dem Zentrum auftretende Wärme schneller nach außen wandert, so daß das Zentrum nur minimal während eines verlängerten Intervalls mit der Spitze der Verteilung gestört wird. Bevorzugterweise wird die Diode selbst in einem Ausmaß, das wirksam zum Schärfen ihrer Anstiegszeit und zum Erhöhen ihrer Effizienz während der Pulsauslösung ist, vorerwärmt, was der verdoppelten Ausgabe eine besser definierte vordere Randgestalt gibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der hier gegebenen Beschreibung aus ihrer Theorie des Betriebs, zusammen mit den Zeichnungen und einer Diskussion, die illustrative praktische Ausführungsformen derselben illustriert, besser verstanden, wobei
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert;
Fig. 2 einen Vergleich einer verdoppelten Ausgabe entsprechend der vorliegenden Erfindung und einer Ausgabe des Standes der Technik während eines gepulsten Betriebes zeigt;
Fig. 3 ein Spiking-Verhalten und die Anzahl der Moden im Verhältnis zur Resonatorlänge illustriert;
Fig. 4 Verdoppelungsumwandlung und Spiking illustriert;
Fig. 5 die Effizienzverbesserung während eines gepulsten Diodenbetriebs zeigt, die durch Vorerwärmung der Diode (Kurve a) und durch Vorerwärmen von sowohl dem Kristall als auch der Diode (Kurve b) erhalten wird, zeigt;
Fig. 6 einen grünen Ausgangspuls des passiv stabilisierten gepulsten Intraresonator- Verdoppelungslasers des Standes der Technik der Anmelderin zeigt;
Fig. 6A die Beziehung der grünen Ausgangsleistung zu dem Diodentreiberstrom für einen gepumpten Verdoppler in einem langen optischen Resonator zeigt;
Fig. 7 eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine oder mehrere thermische Steuerelemente aufweist, zeigt;
Fig. 7A ein Detail einer anderen oder weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die gegenüberliegende thermische Steuerelemente aufweist, zeigt; und
die Fig. 8A-8B eine skalierbare seitlich gepumpte Architektur, bei der diese thermischen Steuerelemente angebaut worden sind.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Laserstab oder Kristall 1 durch ein Laserdiodenfeld gepumpt wird. Das Diodenfeld 2 ist über eine optische Faser oder ein Faserbündel 40 mit einer Ausgabekupplung 40' gekoppelt, die einen definierten Diodenausgangsstrahl 32 liefert. Eine optische Anordnung 4, die eine oder mehrere Linsen enthalten kann, fokussiert und richtet den einfallenden Strahl 32 als einen geformten Pumpstrahl 34 auf eine Eintrittsendfläche 5 des Kristalls 1. Bei der illustrierten Ausführungsform wird der Laserkristall 1 durch das fasergekoppelte Diodenfeld am Ende gepumpt, das heißt, die Pumpstrahlung wird entlang derselben Achse wie derjenigen, entlang derer der Laserkristall 1 die fundamentale Strahlung emittiert, gerichtet. Die Faserkopplung bündelt einfach die Ausgaben vieler Dioden und erlaubt dem Pumplaserfeld 2, daß es einen hohen Grad von Flexibilität beim Packungsentwurf aufweist, aber trotzdem eine präzise Ausrichtung bezüglich der Eingangsoptik 4 erzielt. Insoweit ist die illustrierte Diodenpumpkonstruktion ähnlich zu derjenigen, die zum Beispiel durch K. Kubodera und J. Noda in Appl. Opt. vol. 21 (1982) S. 3466 berichtet wurde, und dem System, das in Fig. 1 des früheren U.S. Patents 5 511 085 der Anmelderin gezeigt wurde. Die Diodenleistung kann alternativ direkt auf die Endfläche 5 gerichtet werden, wie es in der früheren U.S. Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 08/562 297, die am 22. November 1995 eingereicht wurde (WO 97 19503 A), beschrieben wurde, bei der ein Faserbündel oder eine Lichtröhrenanordnung ohne dazwischenliegende Kopplungsoptik zum Beleuchten eines Bereichs der Fläche 5 verwendet werden können. Wie es gezeigt ist, wird der Pumpstrahl innerhalb eines kurzen Abstandes nach seinem Eintrittspunkt im wesentlichen absorbiert. Wie in der Figur weiter gezeigt ist, liefert ein Pulstreiber 20 einen oder mehrere elektrische Pulse kurzer Dauer, die mit der spezifischen Anwendung in einer Weise variieren, die unten vollständiger diskutiert wird, um das Diodenfeld 2 mit Leistung zu versorgen und derart den Pumpstrahl AN- und AUS- zu schalten, wodurch er nicht kontinuierlich läuft. Die vorliegende Erfindung ist auf eine Konstruktion gerichtet, die einen stabilen Betrieb ungeachtet der Einschwingzustände und instabiler Wirkungen, die normalerweise bei einem solchen diskontinuierlichen Betrieb der Ionenquelle erwartet werden, erzielt.
Mit weiterer Bezugnahme auf Fig. 1, der Pumpstrahl 34 wird in einen schmalen Verstärkungsbereich 3 in dem Kristall 1 gerichtet und regt die Emission eines fundamentalen Laserstrahls 6 an. Der Strahl 6 läuft entlang der Achse A und durch die Frontfläche 5' des Kristalls 1 in einen zweiten Kristall oder ein zweites Medium, der/das ein nichtlineares optisches Element 8 ist. Diese Element 8 wandelt den fundamentalen Strahl in einen letztendlichen Ausgangsstrahl höherer Frequenz, wie einen frequenzverdoppelten oder zweiten harmonischen Strahl, um, der als der illustrierte Strahl 9 austritt. An dem entfernten, das d. h. dem rechten Ende des nicht-linearen Elementes 8 reflektiert ein Spiegel 7 Energie bei der fundamentalen Frequenz des Strahles 6, d. h., reflektiert die Energie des Strahles 6, die nicht zu der verdoppelten Frequenz umgewandelt wurde, so daß sie erneut das Element 8 und den Kristall 1 durchquert, zuerst in der Richtung von rechts nach links und dann zurück, von der Fläche 5, nach rechts. Diese erneut hindurchgehende Energie wird dann in dem nicht-linearen Element 8 zu der zweiten harmonischen umgewandelt und tritt als zusätzliche zweite harmonische Leistung, der die einmal durchgegangene umgewandelte Leistung in dem Strahl 9 verstärkt, aus.
Die Rückfläche 5 des Laserkristalls 1, an der das Diodenpumplicht eintritt, ist zum Durchlassen der einfallenden Diodenstrahlung des Strahls 34 und zum totalen Reflektieren des Strahls der fundamentalen Laserstrahlung 6, die durch den Laserkristall als Reaktion auf das Diodenpumpen erzeugt wird, beschichtet. Die Vorderfläche 5' des Laserstabes oder Kristalls 1 ist antireflexionsbeschichtet bei der fundamentalen Laserwellenlänge, was dem fundamentalen Licht, das in dem Kristall 1 erzeugt wird, ermöglicht, direkt zu dem nicht-linearen Verdoppelungskristall 8 hindurchzugehen. Die Rückseite 5 des Laserkristalls 1 und des Spiegels 7 definiert derart einen optischen Resonator, der sowohl den Kristall 1 als auch das nicht-lineare Verdoppelungselement 8 enthält. Der Spiegel 7 ist bei der Wellenlänge der zweiten harmonischen, d. h. bei einer Hälfte der fundamentalen Wellenlänge, hochgradig durchlässig, die daher als Ausgangsenergie aus dem Resonator (Hohlraum) austritt.
Verschiedene zusätzliche bevorzugte Eigenschaften der Merkmale der Ausführungsform aus Fig. 1 sind vollständiger in dem früheren U.S. Patent 5 511 085 der Anmelderin diskutiert und werden hier kurz erwähnt. Unter diesen Merkmalen ist die Vorderfläche 5' des Kristalls 1 bevorzugterweise derart beschichtet, daß sie bei der doppelten Wellenlänge hochgradig reflektierend ist, daß der Rückwärtsdurchgang des verdoppelten Lichtes (d. h., das frequenzverdoppelten Lichtes, das in dem nicht-linearen Element 8 emittiert wird und sich in Richtung des Laserkristalls 1 fortpflanzt) um 180º reflektiert wird, zur Ausbildung eines verdoppelten Strahls 31, der in der Ausgangsrichtung, d. h. von links nach rechts, läuft, wodurch der verdoppelte Strahl 9 verstärkt wird. Diese Konstruktion und dieser Betrieb reduzieren die Absorption von verdoppeltem Licht durch den Laserkristall 1, die andernfalls eine signifikante Wärme erzeugen könnte. Ein anderes solches Merkmal, das durch die mehrschichtige Darstellung der Vorderfläche 5' in Fig. 1 angezeigt ist, ist eine Konstruktion, durch die die reflektive Oberfläche in dieser Position - entweder auf die Fläche 5' beschichtet oder separat positioniert und mit dieser steif ausgerichtet - zum Bilden, zusammen mit dem Rückspiegel 5, eines Intraresonator-Etalons, das die Anzahl der longitudinalen Resonatormoden begrenzt, ausgerichtet ist. Falls sie direkt auf die Kristallfläche 5' beschichtet ist, macht eine solche Beschichtung den Kristall 1 zu einem monolithischen Etalon und erzeugt eine hohe Stabilität der Etalon-Spiegel- Ausrichtung. Es ist außerdem ins Auge gefaßt, daß das Festkörperlasersystem aus Fig. 1 mit anderen Quellen von Pumplicht gepumpt werden kann und daß außerdem andere Typen von nicht-linearen Intraresonator-Kristallen zusätzlich zu frequenzverdoppelten Kristallen, verwendet werden können. Zum Beispiel kann ein optischer parametrischer Intraresonator-Oszillator, wie er in dem U.S. Patent 5 181 211 offenbart ist, entsprechend den Konstruktionen der vorliegenden Erfindung stabilisiert werden. Jedoch fokussiert sich die nachfolgende Diskussion zur Klarheit der Offenbarung auf grundlegende Ausführungsformen des mit Laserdioden gepumpten Lasersystems mit einem Intraresonator-Frequenzverdoppler (Intrakavitäts-Frequenzverdoppler), anstelle auf allgemeinere, komplexere Systeme, die andere nicht-lineare Kristallkomponenten oder andere Pumpquellen aufweisen.
Entsprechend eines grundsätzlichen Aspektes der vorliegenden Erfindung wird der gepulste diodengepumpte Laser während des intermittierenden Betriebes stabilisiert durch Einstellen der Resonatorlänge (Kavitätslänge) auf eine Länge, die kurz genug ist, zum Beispiel im Bereich von eins bis drei Zentimetern, um den fundamentalen Lichtstrahl während des Diodeneinschwingbetriebes zu glätten. Nach weiteren Aspekten werden die Stabilität der Diode oder des Verdopplers oder beide weiter durch Vorerwärmung oder durch eine thermische Gradientenkonditionierung weiter erhöht, was vorteilhafterweise weiter angepaßt und synchronisiert werden kann im Hinblick auf die nächste Pulssequenz. Diese Merkmale und Strukturen zum Erzielen eines solchen Betriebes werden unten weiter beschrieben, einer Diskussion der Faktoren, die Anlaß für Einschwinginstabilitäten beim Stand der Technik geben, folgend.
Im allgemeinen wird anerkannt werden, daß, wenn eine Diode AN-geschaltet wird, eine Erwärmung des Lasermediums beginnen wird, die Relaxationsschwingungen und ein Hochlaufeinschwingverhalten erzeugen wird, da der Diodenresonator die Länge ändert und in der Folge, in unterschiedlichen Moden schwingt, was einen Chirp erzeugt, der 10- 20 Nanometer Anstieg in der Wellenlänge überspannt. Wenn dieses Einschwingbündel als ein Pumpstrahl verwendet wird, wird sich die fundamentale Ausgabe des gepumpten Laserkristalls allgemein in der Leistung erhöhen oder vermindern, so wie die Pumpleistung ansteigt oder abfällt, und sie wird außerdem in der Effizienz leiden, da das Diodenlicht außerhalb des schmaleren Absorptionsbandes des Kristalles beginnt oder sich dorthin bewegt. Eine Temperaturänderung von 20ºC in der Diode kann eine Wellenlängenverschiebung von 6 nm verursachen, was stark oberhalb der Kristallverstärkungsbandbreite von 2-3 nm ist. Durch Einsetzen eines Verlustelementes in den Resonator kann die Amplitude der Ausgabeschwingungen reduziert werden, aber das Chirp-Spiking verbleibt bei einer ausreichenden Größe, die durchschnittliche Ausgangsleistung stark zu stören und während der anfänglichen Anstiegszeit der Diode kann die Kristallausgabe stark unterhalb des beabsichtigten Wertes liegen. Ein Vergleich der Zeitmaßstäbe ist belehrend.
Laserdioden können mit Anstiegszeiten im Nanosekundenbereich bepulst werden, aber die Diodenausgabe zeigt einen Chirp mit einigen zehn Millisekunden. Bei einer typischen Laserdiode kann die Übergangstemperatur einige zehn Grad höher als die Basistemperatur sein, wenn die Diode arbeitet. Die Übergangstemperatur steigt auch an, wenn eine Diode gepulst wird, selbst falls die Basistemperatur konstant gehalten wird; dieser Temperaturanstieg verursacht eine Rotverschiebung in der Diodenwellenlänge, typischerweise über ein Zeitintervall von 10-30 ms, abhängig von der Diodenpackung.
Wenn es zum Pumpen eines Intraresonator-Verdoppelungssystems verwendet wird, müssen andere Aspekte des Erwärmens für die anderen Elemente des Systems ebenfalls berücksichtigt werden. Bei einem reinen CW-Betrieb erfährt der Verdoppelungskristall einen Temperaturanstieg aufgrund einer kleinen, aber endlichen Absorption des Intraresonator-Flusses. Bei einem typischen Betrieb auf einem grünen 2-W-Niveau kann der Verdoppelungskristall eine Temperatur von 60ºC erreichen, wenn es eine gute Wärmeableitung des Kristalles gibt. Wenn der Laser in einem gepulsten Modus mit, sagen wir, einer relativen Einschaltdauer von 10% betrieben wird, ist die Kristalltemperatur wesentlich näher an der Umgebung (sagen wir 30ºC). Darum kann der Verdoppelungskristall eine Temperaturauslenkung von 30ºC einfach aufgrund von Änderungen in der relativen Einschaltdauer des Betriebes erfahren, und diese Temperaturänderung kann die Phasenübereinstimmungswinkel des Verdopplers aufgrund von Brechungsindexänderungen ändern, was in einer Reduzierung der Verdoppelungseffizienz resultiert.
Bei Lasern mit Intraresonator-Verdoppelung verursacht die Kopplung zwischen dem Verdoppeln eines individuellen longitudinalen Modus und die Summe aus der Mischung von benachbarten longitudinalen Moden Instabilitäten. Eher als ein einfaches Verursachen einer Modenüberlagerung kann die Kopplung den Laser in Relaxationsoszillationen stürzen, die ein Quasi-Q-Switching-Verhalten verursachen. Diese Instabilität einer grün verdoppelten Ausgabe wird in der oberen Oszilloskopspur aus Fig. 2 gezeigt. Die Spur zeigt die typische Ausgabe eines diodengepumpten Nd : YAG-Lasers mit Intraresonator- Verdoppelung, wenn keine Anstrengungen zur Steuerung der Kristalltemperatur oder der Modenstruktur gemacht werden. Die Ausgabe ist chaotisch instabil, sie sieht eher wie eine willkürliche Sammlung von Relaxationsoszillationen aus. Die Ausgangsleistung dieses Betriebsmodus ist signifikant höher als die für einen wahren CW-Betrieb, was die notwendige Population der angeregten Zustände verarmt, so daß dieser Modus instabil ist und häufig in quasi-stabile Zustände mit niedrigerer Ausgangsleistung hüpft. Die Relaxationsoszillationen treten in Festkörperlasern aufgrund der Energiespeicherfähigkeiten des Lasers auf, die einer Zeitverzögerung zwischen einer Änderung in den Betriebsbedingungen und der resultierenden Änderung im Laserfluß ergibt.
Zur Lösung eines ähnlichen Stabilitätsproblems hat der Anmelder des "grünen Problems" zuvor in dem zuvor erwähnten '085 Patent vorgeschlagen, die Resonatorlänge (Hohlraumlänge) zum Erhöhen der Spiking-Frequenz zu reduzieren und ein Doppler- oder nicht-lineares Element zu verwenden, das effizienter bei höheren Intensitäten der Pumpstrahlung arbeitet, eine Konstruktion, bei der der Laser die in dem Resonator verdoppelte Ausgabe als eine Verlustquelle sieht und diesen Verlust minimiert. Die niedrigste grüne Ausgangsleistung wird dann für stabilen CW-Betrieb erzielt, was den Laser zum bevorzugten Schwingen nur in diesem Modus zwingt. Bei dieser Technik unterdrückt oder verhindert der Laser effizient einen Spiking-Betrieb und läuft in einem CD-Modus. Die untere Oszilloskopspur aus Fig. 2 zeigt einen solchen Betrieb. Dieser Ansatz liefert eine grüne Quasi-CW-Ausgabe höherer Leistung bei Anwendungen, die keine Stabilität in kurzen Zeitmaßstäben benötigen.
Der Anmelder hat nun herausgefunden, daß eine verwandte Konstruktion zur Stabilisierung der Ausgangsleistung selbst bei den sehr kurzen Zeitmaßstäben, die beim gepulsten Diodenbetrieb betroffen sind, und selbst wenn die Quelle der spitzenartigen Störungen in den ursprünglichen Chirps und den Anschalteinschwingungen des Pumpdiodenlichtes liegt, wirksam ist.
Wenn der Laserresonator (die Laserkavität) lang ist, können viele longitudinale Moden in der Verstärkungsbandbreite des Lasers schwingen. Wie in dem oberen Abschnitt aus Fig. 3 gezeigt ist, schwingen, für einen 100 min Abstand der den Resonator definierenden Spiegel, ungefähr 10 Moden, während für einen Ein-Meter-Abstand die Anzahl näher an einhundert Moden ist (wie in dem Design von Spectra Physics). Falls der Resonator verkürzt wird, wird der Abstand dieser longitudinalen Moden, gegeben durch c/2L (wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L die Resonatorlänge sind) erhöht. Bei Resonatorlängen um 30 mm können nur wenige longitudinale Moden bei der Verstärkungsbandbreite eines Nd : YAG-Laserkristalls schwingen. Eine weitere Reduzierung der Resonatorlänge auf ungefähr einen Millimeter schließt alle anderen Moden aus und der Laser schwingt "einfrequenzig". Dieser letztere Fall wird in dem "Mikrochip-Laser" erreicht. Mikrochip-Laser können im Resonator verdoppelt sein und eine stabile grüne CW-Ausgabe erzeugen, ein Entwurfsmerkmal, das in kommerziellen Systemen durch die Firma Uniphase ausgebeutet wird.
Das Modellieren von Relaxationsschwingungen in Lasern mit Intraresonator- Verdoppelung ist ziemlich geradeaus; die oberen und unteren durchgezogenen Kurven aus Fig. 3 zeigen den berechneten Einfluß der Resonatorlänge auf die Periode und die Pulsbreite der Relaxationsschwingungen, während die obere gestrichelte Kurve die Anzahl der arbeitenden longitudinalen Moden repräsentiert. Mit Verminderung der Resonatorlänge nimmt die Anzahl der longitudinalen Moden ebenfalls ab und ihr Frequenzabstand wird groß. Zusätzlich wird die wirksame Resonatorlebensdauer kurz. Die Relaxationsschwingungen, die durch einen Laser, der unter diesen Bedingungen arbeitet, erzeugt werden, treten bei einer hohen Frequenz auf und erzeugen Ausgangspulse mit Sub- Mikrosekunden-Pulslängen, wie durch die untere durchgezogene Kurve in Fig. 3 gezeigt ist.
Mit dem Kürzerwerden des Resonators steigt die Frequenz der Relaxationsschwingungen an, während ihre Pulsdauer abnimmt, so daß man auf diese Weise routinemäßig grüne Pulse, die kürzer als 50 ns sind, erzeugen kann. Wenn die Dauer der Relaxationsschwingungen einmal unter 100 ns abfällt, werden sie effiziente Pumpen für eine Frequenzverdoppelung. Die Spitzenumwandlungseffizienz überschreitet diejenige für reinen CW- Betrieb schnell, so daß, wenn die Schwingungsfrequenz ausreichend hoch ist, die durchschnittliche grüne Leistung, die durch die Relaxationsschwingungen erzeugt wird, diejenige, die bei stabilem CW-Betrieb erzeugt wird, überschreitet. Fig. 4 illustriert grafisch diese Abhängigkeit der Verdoppelungseffizienz von der fundamentalen Wellenform. Wenn der Resonator so kurz ist, wird die grüne Ausgabe stabil, und es kann wenig getan werden, um sie zu stören. In der Praxis hat die Anmelderin herausgefunden, daß eine Resonatorlänge unter 100 mm, bevorzugterweise unter 30 mm, und am bevorzugtesten im Bereich von 5-30 mm, wirksam zur Stabilisierung einer Intraresonatorverdoppelung, die durch eine gepulste Diode gepumpt wird, ist.
Beim Erforschen von Stabilitätseigenschaften eines gepulsten Verdopplers, der auf diese Weise stabilisiert ist, hat die Anmelderin eine solche Vorrichtung bei unkontrollierten Temperaturen betrieben, bei der die Dioden- und die Verdoppelungskristalltemperatur über 20ºC ohne eine Destabilisierung der grünen CW-Ausgabe variieren. Die Diodenleistung wurde vom Schwellwert bis zum Maximum variiert, und die grüne CW-Ausgabe folgte einfach im wesentlichen proportional. Am wichtigsten, obwohl die Anmelderin zuvor eine solche Stabilisierung auf das grüne Problem bei CW-Lasern angewandt hatte, Einschwingstörungen eines Typs, der zuvor nicht berücksichtigt wurde, wurden nun als die Ausgabe nicht stabilisierend gefunden, was diese Architektur zum Erzeugen einer stabilen Ausgabe über einen weiten Bereich von Antriebsleistung und relativen Einschaltdauern und außerdem zum Erzeugen von gesteuerten "Pulsen" aus grünem Licht für Fotokoagulatoren geeignet macht.
Ganz allgemein wird verstanden werden, daß Fotokoagulationsinstrumente in verschiedenen möglichen intermittierenden oder einschwingenden Moden arbeiten, von denen jeder eine schnell variierende Verdoppelungskristalltemperatur, Diodenwellenlänge und thermische Linseneffekte mit sich bringen kann. Für alle diese Protokolle will die Anmelderin eine gesteuerte Dosis von konstanter grüner Leistung für eine ausgewählte Belichtungszeit anwenden und dann die Belichtung ebenso schnell wie sie begonnen hat beenden. Zum Beispiel ist es für eine direkte retinale Behandlung wünschenswert, Laserpulse mit einer Dauer von ungefähr 100 Millisekunden anzuwenden, während für gewisse dermatologische Prozeduren Pulsdauern unter einer Millisekunde gefordert werden können.
Da plötzliche Änderungen der Diodentemperatur, der thermischen Linsenausbildung oder der Verdoppelungskristalltemperatur Instabilitäten in dem Laser verursachen, wäre der herkömmliche Ansatz für ein solches System das Betreiben eines diodengepumpten Lasers mit Intraresonatorverdoppelung bei einer konstanten Leistung, wobei ihm ermöglicht wird, sich zu stabilisieren. Um eine "Grün-auf-Anfrage"-Leistung zu erzielen, müßte man dann den Laser kontinuierlich laufen lassen und die Ausgabe shuttern, was in einer übermäßigen Erwärmung und einem übermäßigen Leistungsverbrauch resultiert. Eine solche Vorrichtung wäre ein schlechter Wettbewerber für existierende Ionenlaser. Es ist auch möglich, "Grün-auf-Anfrage" mit einem Q-Switch-Laser zu erzielen, einfach durch Ausschalten und Anschalten des Q-Schalters. Zusätzlich erhöht das Q-Switching die grüne Ausgangsleistung des Lasers, was es leichter macht, die für die Fotokoagulation geforderten Leistungspegel zu erzielen. Verschiedene medizinische Firmen haben in der Tat grüne Q-Switch-Laserprodukte für medizinische Fotokoagulation entwickelt. Jedoch kann die Cornea leicht durch die intensiven Pulse mit hoher Spitzenleistung beschädigt werden. Zusätzlich können akustische Schockwirkungen Komplikationen wie eine teilweise Retinaablösung verursachen, so daß in der ophthalmischen Gemeinde Q-Switch-Laser nun mit einiger Skepsis betrachtet werden. Daher sollten die detaillierten Konstruktionen und Vorteile der Herstellung und des Betriebs der Vorrichtungen der Anmelderin, die unten beschrieben werden, in Bezug auf diese beiden Ansätze des Standes der Technik betrachtet werden.
Unter Verwendung der passiven Stabilisationsarchitektur, die oben umrissen wurde, hat die Anmelderin eine Laserausgabe erreicht, die den angelegten Diodenstrom treu wiedergibt, und in diesem Sinne agiert der grüne Laser mehr wie eine "grüne Diode" als ein traditioneller diodengepumpter Laser. Fig. 6 zeigt Oszilloskopspuren eines angelegten Diodenstrompulses und die grüne Laserausgabe, die durch diesen Strompuls erzeugt wurde. Eine grundlegende Ausführungsform, die hier illustriert wird, verwendet ein kommerziell verfügbares Diodenfeld in einer P6-Packung, das von Spectra Diode Labs verfügbar ist und mit Zwölf-Watt-Pumpen eines YAG-Stabs mit drei Millimeter Durchmesser und zehn Millimeter Länge und in einem Abstand von ungefähr einem Millimeter von seiner gebündelten Faserausgangsiläche, in einer Konstruktion wie der aus den Fig. 8C-8D unten, genannt ist. Die Rückfläche des YAG-Kristalls wurde zum Durchlassen des 810 nm Diodenlichts und zum Reflektieren des fundamentalen und des verdoppelten Lichtes beschichtet. Die Ausgabe des YAG-Kristalls wurde auf einem KTP- Kristall, der ungefähr 4 mm im Quadrat und 6 mm lang ist, und der vordere Resonatorspiegel wurde zur Ausbildung einer optischen Kupplung für das verdoppelte 532 nm Licht beschichtet. Die Gesamtresonatorlänge war zwanzig Millimeter. Der diodengepumpte, grüne Läseraufbau war kompakt, ein Volumen von ungefähr 6" · 3,5" · 1,35" belegend, mit einem Pegel der Wärmeerzeugung, der erlaubt, daß er luftgekühlt wird, und derart, daß das gesamte Fotokoagulatorsystem weniger elektrische Leistung als ein Teekessel zieht.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, die grüne Ausgabe ist nicht exakt linear und die Pulsgestalt ist nicht insgesamt perfekt. Die Anstiegsschulter S des Diodenstroms wird in einem ein bißchen langsameren grünen Anstieg wiedergespiegelt. Diese Diskrepanz wird entsprechend eines weiteren Aspektes der Erfindung durch Erwärmen der Diode, des Verdoppelungskristalls, oder beider angesprochen. Weitere Leistungsverbesserungen werden mit spezifischen Verdoppelungsmaterialien und der Anwendung von dynamischen Wärmeprofilen erzielt, wie es unter Bezugnahme auf die Fig. 7A ff. unten beschrieben wird.
Fig. 5 illustriert dieses detaillierter, zusammen mit der verbesserten Ausgabe, die so erhalten wird. Wie es gezeigt ist, wenn ein im wesentlichen quadratischer 130 ms Treiberstrompuls an die Pumpdiode angelegt wird, erzielt die grüne Ausgangsleistung anfänglich eine relativ niedrige Größe und steigt langsam über die ersten 30-60 ms zu ihrem konstanten Pegel entlang einer Schulter S. Dieses Rampenverhalten kommt sowohl von den Änderungseigenschaften der Diode als auch denen des Dopplers. Wie in der Kurve a aus Fig. 5 gezeigt ist, durch Vorerwärmung der Diodenquelle wird das Einschwingverhalten der Diode reduziert, und die grüne Ausgabe wird zu einem abrupteren Ansteigen gebracht, was dem angelegten Pulssignal genauer folgt. Indem auch der Verdoppelungskristall vorerwärmt wird, wird die Verdoppelungseffizienz dieser anfänglichen Pulskante weiter erhöht, wie es durch die Kurve b in der FIGUR angezeigt ist, um eine grüne Ausgabe mit einer Gestalt zu erhalten, die identisch zu dem angelegten Pulssignal ist. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird dieser erhöhte Betrieb durch Liefern eines thermischen Steuersystems erzielt, das vor dem Anlegen eines Treibersignals eines oder mehrerer der Elemente Diode, nicht-lineares Element und wahlweise den Laserkristall vorkonditioniert, und bevorzugterweise um einen Betrag, der von der beabsichtigten Pulsregelung abhängt. Dieses thermische Steuersystem kann eine Senke, einen Heizer, oder beides, und Steuerelemente zum Betätigen dieser Elemente in einer Abfolge zur Vorerwärmung der Laserdiode und/oder des Dopplerkristalls enthalten. Bei Prototyp-Ausführungsformen hat die Anmelderin gezeigt, daß durch Montieren eines Heizers in Kontakt mit dem Verdoppelungskristall zum Halten der Temperatur innerhalb einer relativ losen Toleranz von ±5ºC über den gesamten Bereich der erwarteten relativen Einschaltdauern ein konsistenter Pegel der gepulsten verdoppelten Ausgangsleistung erzielt wird, ob die angewendete Pulsregelung ein einzelner Schuß, wiederholte Schüsse oder sogar CW ist.
Die Wirkung des Kristallheizers wird durch die Tatsache kompliziert, daß die Heizquelle, die für die Erhöhung der Kristalltemperatur verantwortlich ist, innerhalb des Kristalls sitzt; um die CW-Temperaturbedingungen im gepulsten Modus zu replizieren, hat sich die Anmelderin vorgenommen, die Gradienten innerhalb des Kristalls durch die Anwendung von thermischen Quellen, Erwärmung und Abkühlung, die auf der Außenseite angewandt werden, zu replizieren. Eine weitere Randbedingung tritt auf, da der Kristall eine Wärmesenke aufweisen muß, um so einen exzessiven Temperaturanstieg zu verhindern, aber zur selben Zeit ausreichend bewegbar sein muß, um optisch ausgerichtet zu werden.
Entsprechend einer bevorzugten Konstruktion für die Wärmeableitung des Verdopplers verwendet die Anmelderin einen nicht-linearen Kristall wie KTP, LBO und BBO, der in einer Richtung ausrichtungsempfindlich ist. Zum Beispiel im Fall des KTP ist der X-Y- Abstimmwinkel (Theta) gleich 90º; diese Phasenübereinstimmung ist eine sogenannte "nicht-kritische" Kristallphasenübereinstimmung in der X-Y-Ebene (Phi) und die Verdoppelungseffizienz des Kristalls ist am empfindlichsten nur in dieser Ebene. Der Kristall kann daher mit einer Ausrichtung nur in der horizontalen Richtung montiert werden, mit einer Verklemmung nach der Ausrichtung zur Sicherung einer guten Wärmeableitung, vorausgesetzt, der Kristall ist in der X-Y-Ebene in der horizontalen Richtung orientiert. Wenn er so zwischen Heizer/Senkenelementen geklemmt ist, ist der thermische Gradient in der senkrechten Richtung, die nicht kritisch für die Phasenübereinstimmung und daher unempfindlich gegenüber Ausrichtungs- und Temperaturvariationen ist. Bei dieser Anordnung kann der Kristall von der Oberseite erwärmt und von der Unterseite gekühlt werden, während die Temperatur in der Mitte, durch welche sich der Laserstrahl fortpflanzt, so gesteuert werden kann, daß sie im wesentlichen homogen ist. Durch Beibehalten der kleinen physischen Größe der Kristalle können die Einschwing-Antwortzeiten relativ kurz gehalten werden, und die absoluten Temperaturänderungen können relativ niedrig gehalten werden.
In dieser Hinsicht liefert die Erfindung ein Mittel nicht nur zum Halten der Temperaturen an kritischen Punkten, sondern auch zum Erzeugen und Beibehalten von kritischen Temperaturgradienten während eines Einschwingens von einer Erwärmung, die extern durch elektrisch erregte Elemente geliefert wird, zu einer Erwärmung, die ihren Ursprung im Kristallinneren aus der Absorption von Laserlicht innerhalb des optischen Elementes hat. Dieses wird bevorzugterweise durch Montieren des kritischen nicht-linearen Elementes derart, daß es aus einer Richtung gekühlt und aus der entgegengesetzten Richtung in einer Weise erwärmt wird, daß die zentrale Temperatur bei dem gewünschten Wert gehalten wird, ausgeführt. Die thermische Energie, die durch den Heizer zugeführt wird, stellt den gewünschten Gradienten, inklusive einer eingestellten absoluten Temperatur in dem Zentrum, ein, wobei der Heizer dann erniedrigt oder gestoppt wird, wenn optische Energie an den Kristall angelegt und in dem Kristall absorbiert wird. Der Heizer kann erneut erregt werden, um den ursprünglichen Gradienten zwischen der optisch aktiven Zone und der ursprünglichen Montage wiederherzustellen, wenn sich das Einschwingen, das mit dem gepulsten Laserbetrieb verbunden ist, vermindert. Derart kann der vertikal variierende thermische Gradient zur Wanderung quer zu der aktiv illuminierten Schicht des Kristalls gebracht werden. Dieser Betrieb erlaubt es der Steuerung, relativ stabile thermische Eigenschaften in einer Schicht des Kristalls über ausgedehnte Zeiten beizubehalten, wenn der Pumplaser intermittierend betrieben wird.
Zum Verbessern der Antwort der Diode auf intermittierenden Betrieb zum Erzielen einer Ausgangsenergie, die die angelegten elektrischen Pulse besser reflektiert, hat die Anmelderin die Diode, entweder durch einen "Simmer"-Strompuls unter der Laserschwelle, oder durch einfaches Erhöhen der Temperatur der gesamten Diodenpackung über die optimale Temperatur für CW-Betrieb, vorgewärmt. Diese reduziert den Einfluß eines Chirps.
Fig. 7 zeigt ein endgepumptes System der vorliegenden Erfindung in einem Gesamtsystemlayout, das ähnlich zu demjenigen aus Fig. 1 ist, wobei entsprechende Elemente identisch zu dieser bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind zusätzliche Heizungssteuervorkonditionierer, wie sie oben beschrieben worden sind, für sowohl die Laserdiodenpumpquelle als auch den Intraresonatordoppler vorgesehen. Der Diodenheizer 42 und der Kristallheizer 44 können zum Halten der entsprechenden Diodenquelle 2 und des Verdopplers 8 bei einer Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur betrieben werden. Wenn die Diode erregt wird, reduziert die Steuerung die Leistung zu dem Heizer oder schaltet sie insgesamt ab, so daß die intern durch die Lasertätigkeit erzeugte Wärme im wesentlichen die statische Wärmeverteilung, die bereits in dem Kristall oder der Diode durch die Heizelemente etabliert worden ist, beibehält. Für einen gegebenen Satz aus Pulsleistung, Pulsdauer und Betätigungszeitpunkten können der Wärmefluß und die Wärmeverteilung leicht moduliert werden, und der präzise Betrieb der Steuerung kann durch Techniken, die in der Steuer- und Regelungstechnik wohlbekannt sind, zur Erzielung dieser Wirkung bestimmt werden. Daher kann die Steuerung zum Beispiel ein Nacheilen einführen oder einen proportionalen Heizerstrom anlegen oder mit einer Kombination aus Nacheilen, Verzögern und proportionalen Heizerantriebssignalen arbeiten, um sicherzustellen, daß der Betrieb der Vorrichtung im wesentlichen während des gepulsten Laserbetriebs isothermisch bleibt. Wie weiter in Fig. 7 gezeigt ist, ein Kühler oder eine Wärmesenke, wie ein Peltier-Kühler oder eine luftgekühlte Wärmesenke 46, ist außerdem in thermischem Kontakt mit dem nicht-linearen Kristall bei einigen Ausführungsformen vorgesehen. Dieses erlaubt es dem kleinen Kristall, daß er für einen folgenden gepulsten Betrieb schnell wieder in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt wird, oder daß steilere Wärmegradienten etabliert werden oder ein gewünschter thermischer Gradient schneller etabliert wird. Es erlaubt auch, durch Betreiben des Heizers und des Kühlers zu unterschiedlichen Zeiten, einen asymmetrischen thermischen Gradienten zu etablieren, um ein Wärmeprofil mit einer zentralen Absenkung oder Spitze zu etablieren, und andernfalls zum Einstellen der thermischen Umgebung des Verdopplers, damit er der laserinduzierten Erwärmung effektiver entspricht und damit die Verdoppelungseffizienz erhöht wird. Fig. 7A illustriert einen senkrechten Schnitt durch das nicht-lineare Element, der die Isothermen zeigt, die zwischen dem Heizer auf der Oberseite und dem Kühler auf der Unterseite erzeugt werden. Ein Temperaturplot rechts illustriert die Temperatur in jeder Schicht, wenn ein gleichförmiger Gradient ursprünglich etabliert ist. Wie oben bemerkt würde, der zentrale Wert kann so gewählt werden, daß das aktive Verdoppelungsvolumen bei der gewünschten Betriebstemperatur aufgrund der gepulsten Wärmeerzeugung bleibt, wenn der Heizer selbst einmal abgeschaltet wird, und der Betrieb des Kühlers kann verursachen, daß die induzierte Wärme selektiv herunterwandert, so daß der Vor-Puls-Zustand für die nächste Betätigung schnell reetabliert wird.
Zusätzlich zu den endgepumpten Konfigurationen, wie sie in den Fig. 1 und 7 gezeigt sind, findet die Stabilisierung der vorliegenden Erfindung Anwendung auf seitlich gepumpte Architekturen. Die Fig. 8A-8B zeigen eine skalierbare seitlich gepumpte Architektur, bei der thermische Steuerelemente angepaßt worden sind. Fig. 8A ist eine Endansicht, die den Laserkristall 1 zeigt, der zwischen zwei Blöcken auf einer gemeinsamen Basis oder Wärmequelle/senke montiert ist und durch eine Diode oder eine 25 Linie von Dioden 2 seitlich gepumpt wird. Fig. 8B zeigt eine Draufsicht dieser Ausführungsform, die die Intraresonator-Anordnung des Kristalls 1 und des nicht-linearen Elementes 8 zwischen den den Resonator definierenden Spiegeln 7, 7A zeigt. Die Fig. 8C und 8D illustrieren eine andere Konstruktion, bei der ein Diodenfeld 2 seine Ausgabe an einem Faserstumpf zum Pumpen eines Lasers 1 und eines Verdoppelungs-30 kristalls 8, wie es zum Beispiel in Fig. 15 der früheren U.S. Patentanmeldung mit dem Titel FASERSTUMPFENDGEPUMPTER LASER gezeigt ist. Bei dieser Konstruktion sind die Pumpdiode und der Verdoppelungskristall 8 jeweils mit einem Heizer ausgerüstet. Die Erfindung zieht auch die Verwendung einer aktiven Kühlungsvorrichtung wie eines Peltier-Kühlers zum Stabilisieren des Betriebs in Betracht, wie es in Fig. 8A oben erscheint, wobei der Kühler 7 zum Anlegen eines geeigneten Wärmeprofils an ein oder mehrere Elemente des Systems arbeitet.
Die Erfindung wird so offenbart und repräsentative Ausführungsformen derselben werden beschrieben, wobei weitere Variationen und Modifikationen den Fachleuten einfallen und solche Variationen und Modifikationen als innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert wird, betrachtet werden.

Claims

1. Festkörperlaser, mit

einem Hauptfestkörperlaser (1), der in einen Lasermodus endgepumpt werden kann und fundamentales Laserlicht erzeugt,

einem Diodenfeld (2), das durch Pumplicht emittierende Halbleiterlaserdioden gebildet wird, die zum Richten ihres Pumplichtes auf ein Ende des Festkörperlasers für eine erhöhte Absorption des Pumplichtes in dem Festkörperlaser (1) und eine stimulierte Emission eines Strahls (6) von fundamentalem Laserlicht aus diesem angeordnet sind,

einem Treiber (20) zum Treiben des Diodenfeldes, und

einem nicht-linearen Element (8), das mit dem Festkörperlaser (1) in einem Laserresonator positioniert ist und durch das fundamentale Licht (6) zum Erzeugen von umgewandeltem Licht beleuchtet wird, wobei das nicht-lineare Element (8) eine größere nicht-lineare Umwandlung des fundamentalen Laserlichts (6) bewirkt, wenn das fundamentale Laserlicht instabil ist oder Spiking aufweist,

wobei der Treiber (20) ein gepulster Treiber zum Pulsen des Diodenfeldes (2), wodurch eine Kopplungsbedingung geändert wird, ist, und

wobei der Resonator eine Länge aufweist, die wirksam zum Stabilisieren der Ausgabe des umgewandelten Lichtes ist, wenn das Diodenfeld durch den Treiber während der Änderungsbedingung gepulst wird.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, bei dem das nicht-lineare Element (8) ein frequenzverdoppelnder Kristall ist, der eine nicht-kritische Richtung aufweist, und bei dem der Kristall mit dem Hauptfestkörperlaser (1) in einer Ebene quer zu der Richtung ausgerichtet ist und an ein Wärmesteuerelement (44) in der Richtung geklemmt ist.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 2, bei dem das Wärmesteuerungselement (44) eine thermische Differenz zur Erzeugung von Isothermen in der Ebene anlegt.

4. Festkörperlaser nach Anspruch 2, bei dem das Wärmesteuerelement (44) eine thermische Differenz in Koordination mit einer ausgewählten Pulsregelung zum thermischen Konditionieren des nicht-linearen Elementes, bevor es mit dem fundamentalen Licht beleuchtet wird, anlegt.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 4, bei dem das Wärmesteuerelement (44) eine thermische Differenz in Koordination mit einer ausgewählten Pulsregelung zum thermischen Konditionieren des nicht-linearen Elementes beim Beleuchten mit dem fundamentalen Licht anlegt.

6. Festkörperlaser nach Anspruch 4, bei dem der Festkörperlaser (1) ein medizinisches Lasersystem ist und der gepulste Treiber (20) Pulse, die wirksam für ophtalmische Anwendungen sind, die eine Pulsdauer über ungefähr 10 Millisekunden aufweisen, erzeugt.

7. Festkörperlaser nach Anspruch 6, der weiter ein Mittel (42) zum Vorwärmen des Diodenfeldes in einem Ausmaß, das wirksam zum Schärfen seiner Ausgabe während eines anfänglichen Anschaltintervalls ist, aufweist.

8. Festkörperlaser nach Anspruch 4, bei dem der Festkörperlaser (1) ein Lasersystem für medizinische Dermatologie ist und der gepulste Treiber (20) Pulse, die wirksam für Koagulation sind, mit einer Pulsdauer unter ungefähr 10 Millisekunden, erzeugt.

9. Festkörperlaser nach Anspruch 4, bei dem der Festkörperlaser (1) ein industrielles Lasersystem ist und der gepulste Treiber (20) Pulse, die wirksam für präzises Markieren oder Schneideablation sind, erzeugt.

10. Festkörperlaser nach Anspruch 2, bei dem das Wärmesteuerelement (44) eine thermische Differenz in Koordination mit einer ausgewählten Pulsregelung zum thermischen Konditionieren von mindestens dem Diodenfeld (2) oder dem nicht-linearen Element (8) vor dem Anlegen der Pulsregelung anlegt und danach einen gewünschten Temperaturbereich für den Betrieb während einer nachfolgenden Pulsregelung beibehält.

11. Festkörperlasersystem mit,

einem Hauptfestkörperlaser (1), der in einen Lasermodus zum Emittieren eines fundamentalen Laserlichtstrahls (6) gepumpt werden kann,

einem Feld (2) von Pumplicht emittierenden Halbleitlaserdioden, die zum Richten ihres Pumplichtes in den Festkörperlaser (1) angeordnet sind, und

einem nicht-linearen Element (8), das mit dem Festkörperlaser (1) in einem Laserresonator zum Empfangen des fundamentalen Laserstrahls (6) angeordnet ist, und

einer Pulssteuerung (20) zum Pulsen des Diodenfeldes (2) und dadurch zum Initiieren von Änderungsbedingungen der Erzeugung, Kopplung oder Ausbreitung des Lichtes in dem System,

bei dem das nicht-lineare Element (8) eine größere nicht-lineare Umwandlung des fundamentalen Laserlichtes, wenn das fundamentale Licht instabil ist oder Spiking aufweist, erzeugt, und

bei dem Hauptfestkörperlaser (1) und das nicht-lineare Element (8) in einem Laserresonator sitzen, der ausreichend kurz ist, so daß das nicht-lineare Element (8) fortfährt, eine umgewandelte Ausgabe auf einem stabilen Pegel während der Änderungsbedingungen der Erzeugung, Kopplung und Fortpflanzung zu liefern, wenn das Feld (2) von Halbleiterlaserdioden gepulst wird.

12. Festkörperlasersystem nach Anspruch 11, bei dem die Pulssteuerung (20) Pulssequenzen, die eine charakteristische Dauer von unter ungefähr 1 Millisekunde bis ungefähr 10 Millisekunden aufweisen, liefert und das System ein System für medizinische Dermatologie ist.

13. Festkörperlasersystem nach Anspruch 12, bei dem das Diodenlicht (32) durch Mikrooptiken (4) derart manipuliert ist, daß ein einzelner Pump- Punkt (3) eher als ein ausgedehnter Punkt ausgebildet wird.

14. Festkörperlasersystem nach Anspruch 12, bei dem das Diodenlicht in das TEM&sub0;&sub0;-Modus-Volumen des Festkörperlasers (1) gerichtet wird.

15. Festkörperlasersystem nach Anspruch 12, bei dem das nicht-lineare Element (8) erwärmt wird.

16. Festkörperlasersystem nach Anspruch 12, bei dem die Laserausgabe (9) durch einen Detektor überwacht und aus dem Detektor zum Liefern einer Rückkopplungseinstellung der Diodenleistung und zum Steuern der Laserausgabe ausgegeben wird.

17. Festkörperlasersystem nach Anspruch 12, bei dem der fundamentale Laser (1) auf einer Mehrzahl von Laserlinien arbeitet, und der nicht-lineare Kristall (8) die Laserlinien zum Erzeugen einer wellenlängenverschobenen Ausgabe mischt.

18. Festkörperlasersystem nach Anspruch 12, bei dem mindestens die Pulsrate oder die Amplitude der Laserdiode moduliert wird, um einen stabilen Betrieb zu verhindern, und dadurch die Wellenlängen-umgewandelte Ausgabe des nichtlinearen Kristalls (8) zu erhöhen.