DE4011634C2 - Festkörper-Laserstab und einen solchen Laserstab umfassender Laser - Google Patents
Festkörper-Laserstab und einen solchen Laserstab umfassender LaserInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung sind ein Festkörper-Laserstab
gemäß Patentanspruch 1 sowie ein einen solchen Laserstab
umfassender Laser gemäß Patentanspruch 11.
Die US-PS 3,530,397 zeigt ein Laserelement mit einem lang
gestreckten prismenförmigen optischen Resonator, wie er in
den Fig. 1(A) und 4 dieser PS gezeigt ist. Neben Ausfüh
rungsformen, bei den 2 der 3 Seitenflächen des Prismas
konkav ausgebildet sind, wie in den Fig. 3(A) und 3(B)
gezeigt, gib es auch Ausführungsformen, bei den mehrere
Prismen derart mit Bezug aufeinander angeordnet sind, daß
gemeinsame Kammerresonatoren gemäß Fig. 3(C) und 3(D) ent
stehen.
Die DE-OS 27 25 675 beschreibt einen Laser, bei dem minde
stens ein Teil der Mantelfläche Vertiefungen mit glatten
Flächen aufweist, die zur Vermeidung von Totalreflektionen
der Eigenfluoreszenzstrahlung in einem wohldefinierten geo
metrischen Muster angeordnet sind.
Die DE-OS 35 22 443 beschreibt einen Festkörperlaser mit
einem Stab als aktives Medium, der derart montiert ist, daß
eine kombinierte Gas-Flüssigkeitskühlung des Laserstab
kopfes möglich ist.
Der stabförmige, flächengepumpte Laser mit rechteckigem
Querschnitt, wie er in der US-PS 36 33 126 gezeigt ist,
weist ein optisch gepumptes Lasermaterial auf. Ein solches
Material 10 ist in Fig. 1(a) der Zeichnung dargestellt,
wobei Pumpenergie mittels nicht dargestellten Blitzlampen
zumindest einer der Pumpflächen 12a und 12b zugeführt
wird. Die Enden 14a und 14b umfassen Kantenflächen. Ein
solches Lasermaterial neigt jedoch zu internen parasitären
Oszillationen, die durch vollständige innere Reflektionen
in einem eine geschlossene Schleife bildenden Lichtpfad
16a von den polierten Flächen 12 und 14 des Lasermaterials
10 verursacht werden, wobei die Richtung der Lichtfort
pflanzung durch die Pfeile angegeben ist. Andere mögliche
parasitäre Modenpfade 16b und 16c sind in den Fig. 1(b)
bzw. 1(c) gezeigt. Es sind noch andere Moden möglich.
Während in Fig. 1 Quermoden gezeigt sind, gibt es ins
besondere auch Längsmoden. Diese parasitäre Kreislauf
energie erschöpft die Populationsinversion des Laser
materials und vermindert die Gesamtwirksamkeit des Gerätes.
Im besten Falle begrenzt die Energie der parasitären Oszil
lationen die Bohr- und Schneidfähigkeit des flächengepump
ten Lasers, wenn dieser für solche Anwendungen eingesetzt
wird, indem die Energieabgabe/Impuls und damit die mittlere
Abgabeleistung begrenzt wird. Im schlechtesten Falle jedoch
können die parasitären Oszillationen gefährlich hohe Niveaus
erreichen, die zu einer deutlichen Materialbeschädigung
führen.
Ein Weg zur Verminderung oder Beseitigung parasitärer
Oszillationen in stabartigen Lasermaterialien geringer
Energie besteht darin, die Kantenflächen 14 des Stabes
in einem rohen geschliffenen Zustand
zu belassen, wie es in den Veröffentlichungen "Para
sitic Oscillations and Amplified Spontaneous Emission
in Face-Pumped Total Internal Reflections Lasers" von
D. C. Brown et al. SPIE, Band 736, Seiten 74-83, 1987
und "Parasitic Oscillation, Absorption, Stored Energy
Density and Heat Density in Active-Mirror and Disk Ampli
fiers", von D. C. Brown et al. "Applied Optics, 15. Jan.
1978, Band 17, Nr. 2, Seiten 211 bis 224 beschrieben ist.
Diese Maßnahme ist wirksam bei der Verminderung parasitärer
Oszillationen, weil die eine geschlossene Schleife bilden
den Pfade 16 aufgrund der totalen internen Reflektion
vermindert werden, da Strahlen, die auf die geschliffenen
Kanten 14 des Stabes 10 auftreffen, am stärksten zer
streut und aus dem Material herausgebrochen werden, statt
daß sie vollständig intern reflektiert werden. Der Schleif
zustand führt jedoch zu vielen Beschädigungsstellen, die
die Festigkeit des Materials vermindern. Während des Be
triebes können solche Beschädigungsstellen zu merklichem
Materialversagen (Reißen) führen. Auch können in Stab
lasern hoher Energie die nur grob geschliffenen Kanten
14 beträchtlich zur Verzerrung des optisch gepumpten Mate
rials beitragen, was die Qualität des Laserstrahles be
einträchtigt.
Um die negativen Auswirkungen der geschliffenen Kanten
14 zu vermindern, können Lasermaterialien vor dem end
gültigen Pulsieren chemisch geätzt werden. Die Kanten
flächen 14 werden im geätzten Zustand belassen, während
der Rest des Stabes poliert wird. Das Ätzen erhöht die
Festigkeit des Materials, weil ein glatteres, von Be
schädigungen freieres Material zurückbleibt als bei ge
schliffenen Kanten. Obwohl ein Stab mit geätzten Kanten
die parasitären Oszillationen besser unterdrückt als ein
Stab mit polierten Kanten, unterdrückt er doch die para
sitären Oszillationen auch nicht im entferntesten so gut
wie ein Stab mit geschliffenen Kanten.
Die genannten Artikel offenbaren auch das Konzept des
Abschrägens der Kantenflächen zur Verminderung parasi
tärer Oszillationen. Da solche Abschrägungen sich jedoch
bis zu den Enden des Stabes erstrecken müssen, wäre ein
Laser, der einen solchen Stab enthielte, schwierig abzu
dichten. Da außerdem die Pumpflächen jeweils eine andere
Abmessung haben würden, ist der Stab asymmetrisch, was
zu einer asymmetrischen thermo-optischen Verzerrung des
Stabes und zu einer asymmetrischen Oberflächendeformation
führen würde.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
parasitäre Oszillationen in einem stabförmigen Laser
material zu vermindern, ohne dessen Reißen zu verur
sachen oder die Leistungsfähigkeit des Lasers, wie Strahl
qualität, Wirksamkeit, u. s. w. zu vermindern.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
durch den Gegenstand des Anspruches 1
gelöst.
Ein Laser gemäß der Erfindung ist im Anspruch 11
definiert.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1a-c Querschnittsansichten eines Lasermaterials
nach dem Stande der Technik, die einige
mögliche parasitäre Modenpfade wiedergeben;
Fig. 2 eine Draufsicht eines Festkörper Laser
stabes gemäß einer ersten Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 und 4 Querschnittsansichten längs den Linien
3-3' und 4-4' in Fig. 2;
Fig. 5 einen möglichen parasitären Pfad in dem
Stab gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ein Verfahren zum Herstellen eines Stabes
gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht, die einen Laster
zeigt, der einen Stab gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält;
Fig. 8 eine Draufsicht eines Stabes gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 9 eine isometrische Ansicht eines Stabes
gemäß einer dritten Ausführungsform der
Erfindung.
In der Zeichnung sind entsprechende Elemente mit ent
sprechenden Bezugsziffern versehen.
In Fig. 2 ist ein im wesentlichen rechteckiger Festkörper-
Laserstab 10 mit Pumpflächen 12a und 12b gezeigt, die
ausreichend poliert sind, um optische Ebenheit zu erzielen,
d. h. ein Achtel der emittierten Wellenlänge. Endflächen
18a und 18b sind mit einem Winkel von etwa 30° (etwa dem
Brewster-Winkel) zur Längsachse des Stabes 10 geschnitten.
Wenn erwünscht, kann irgendein Winkel für die Endflächen
18 benutzt werden, wenn Antireflektionsüberzüge (nicht
dargestellt) auf den Enden 18 vorgesehen sind. Wie in
Fig. 3 gezeigt, sind die Seitenflächen 14a und 14b an
den Enden des Stabes 10 gerade ausgebildet, und sie verlaufen
genau senkrecht zu den Pumpflächen 12a und 12b, wie in der
Ausführungsform nach Fig. 1, so daß übliche Dichtungen
(nicht dargestellt) an den Enden des Körpers 10 benutzt
werden können. Fig. 4 zeigt in Übereinstimmung mit der
Erfindung, daß die zentralen Abschnitte 14c und 14d der
Seitenflächen querkonkav ausgebildet sind, um parasitäre
Quermoden-Oszillation zu vermindern. Unter "querkonkav" ist
zu verstehen, daß die Krümmung auf einem Querschnitt sichtbar
ist, der quer zur Längsachse des Stabes 10 liegt. Wie in
den Fig. 3 und 4 ersichtlich und aus dem Stand der Technik
bekannt, sind die Ecken 19a, 19b, 19c und 19d abgerundet,
um abplatzende Ecken zu vermeiden. Dies ist besonders
erwünscht bei den konkaven Abschnitten 14c und 14d wegen
der scharfen Kanten, die sonst vorhanden wären.
In einer besonderen Ausführungsform hat der Stab 10 eine
Länge L von etwa 20,5 cm, eine Dicke T von etwa 0,6 cm
und eine Breite B von etwa 2,5 cm. Die konkaven Abschnitte
14c und 14d haben eine Länge von etwa 17,5 cm, wobei die
maximale Tiefe an deren Zentrum etwa 0,01 cm beträgt,
während der Krümmungsradius etwa 3,8 cm ist. Zusätzlich
sind die Endabschnitte 15 des konkaven Abschnitts 14c
abgeschrägt, d. h. die maximale Tiefe davon ist graduell
auf 0 vermindert je näher die jeweiligen Abschnitte der
Endabschnitte 15 ihren benachbarten Seitenflächen 14b
sind. In ähnlicher Weise sind die Endabschnitte des kon
kaven Abschnitts 14d abgeschrägt. Dies verhindert die
Bildung von scharfen Ecken zwischen den konkaven Abschnit
ten 14c und 14d und den Seitenflächen 14b und 14a. Solche
scharfen Ecken würden die Festigkeit des Mediums 10 ver
mindern und würden zu parasitären Oszillationsmoden führen.
Die Endabschnitte 15 haben eine Länge von etwa 2 bis 3
mm. Für all die oben angegebenen Größen können andere
Werte benutzt werden. Der Stab 10 ist ein Nd:YAG-Laser
mit einem Dotierungsniveau von einem Atomprozent von Nd,
doch kann auch ein anderes Lasermedium benutzt werden,
z. B. Nd:Glas; Er:YAG; ND:GSGG; ND:GGG; Ti:Saphir usw.
Wie in Fig. 5 durch den Lichtstrahl 16d gezeigt, führen
die konkaven Abschnitte 14c und 14d eine negative Reflek
tionsleistung ein, so daß irgendeine Reflektion divergent
wird und dadurch die Möglichkeit der Erzeugung stabiler
parasitärer Quer-Lasermoden vermindert. Die Lichtstrahlen
werden von den gekrümmten Oberflächen 14c und 14d so re
flektiert, daß eine geschlossene Schleife bildende Pfade
in sehr beschränkter Anzahl nur gebildet werden. Poten
tiell parasitäre Strahlen werden rasch aus dem Stab 10
herausgebrochen, nachdem einige Reflektionen stattgefunden
haben, da ihr Winkel sich zunehmend dem normalen Einfall
annähert (über den kritischen Winkel für die totale in
terne Reflektion hinausgehen), statt viele Zyklen auf
einem speziellen Pfad sich nicht ändernder Winkel zu ver
laufen, wie in dem Stab 10 der Fig. 1 mit rein recht
eckigem Querschnitt zu sehen. Ohne parasitäre Oszilla
tionen zur Erschöpfung der Populationsinversion im Laser
mediumstab 10 wird durch den erwünschten Längslasermodus
des Stabes 10 und den nicht dargestellten Resonatorhohl
raum zusätzliche Energie aus dem Kristallstab 10 ent
nommen, was die abgegebene Energie des Lasers erhöht.
Wird für die zugeführte Leistung zum Laser ein maximaler
Wert festgelegt, um die Langlebigkeit des Gerätes zu er
höhen, dann stellt diese erhöhte Wirksamkeit eine will
kommene Verbesserung dar, da sich die Bearbeitungsfähig
keiten des Lasers ohne Zunahme der Spannung im Kristall
stab 10 verbessern.
Um den Stab 10 gemäß der vorliegenden Erfindung auszu
bilden, beginnt man mit einem rechteckigen Stab.
Fig. 6 zeigt die Technik, die angewendet wird, um die
Seitenflächen 14 zu der erwünschten konkaven Gestalt zu
polieren. Der Stab 10 wird an eine im Querschnitt ge
zeigte Polierscheibe 20 angelegt, die ein feines Polier
mittel trägt. Die Scheibe 20 rotiert in Richtung des Pfeiles
22. Der zentrale Teil der konkaven Anschnitte 14c und
14d wird durch den Scheibendurchmesser erzeugt, der mit
der Nummer 24 bezeichnet ist, während die abgeschrägten
Teile 15 von den abgeschrägten Teilen der Scheibe 20
zwischen den Bezugsziffern 24 und 26 erzeugt werden.
Danach rundet man die Ecken 19 ab, indem man die Kanten
des Stabes 10 an die Scheibe 20 hält. Diese Polierope
rationen erzeugen Beschädigungsstellen. Nach dem Polie
ren wird der Stab chemisch geätzt, um Beschädigungsstel
len zu beseitigen und dadurch das Material fester zu machen.
Dann erfolgt ein Rauhpolieren zur Bildung der Brewster-
Enden 18 und danach ein Feinpolieren der Enden 18 und
der Pumpflächen 12.
Man erhält erfindungsgemäß einen wirksameren Laser-Medium
stab, ohne dessen Beschädigung zu verursachen und, da
es keine roh geschliffenen Kanten daran gibt, erfolgt
keine Minderung der Leistungsfähigkeit des Lasers.
Fig. 7 zeigt die Erfindung bei Einsatz in einem Laser
ähnlich dem, der in der US-PS 36 79 999 gezeigt ist. Ein
Reflektor hat Abschnitte 28a und 28b, die optische Pump
lampen 30a und 30b umgeben, um Licht durch transparente
Platten 32a und 32b, die aus Quarz bestehen können, gemäß
der vorliegenden Erfindung zu dem Stab 10 zu liefern.
Die Lampen 30 verursachen eine Populationsinversion im
Stab 10 und sie sind etwa 15,3 cm lang, d. h. sie sind
etwas kürzer als die Länge der konkaven Abschnitte 16d
und 16c, wodurch sichergestellt wird, daß die Unter
drückung des parasitären Quermodus über den gesamten ge
pumpten Bereich des Stabmediums 10 und darüber hinaus
stattfindet. Anstelle von Lampen können auch andere op
tische Pumpeinrichtungen, wie Diodenlaser, benutzt werden.
Isolierende Seitenschienen 34a und 34b, die aus Quarz
bester an können, sind etwa 18 cm lang, d. h. etwas länger
als die konkaven Abschnitte 14c und 14d, und sie sind
mittels bei Raumtemperatur härtbarem Silikonkautschuk
(nicht dargestellt) daran befestigt, der konkave Teile
füllt und auch an den flachen Teilen 14a und 14b vor
handen ist. Ein Kühlmittel 36, wie Wasser, Gas usw.,
wird zwischen den Platten 32 hindurchbefördert, um die
Pumpflächen zu kühlen. Die isolierenden Seitenschienen
34 hindern das Kühlmittel 36, mit konkaven Abschnitten
14c und 14d in Berührung zu kommen und sie vermindern
auch die Wärmeleitung vom Stab 10 zum Kühlmittel 36 stark,
wodurch sie irgendeine Verformung im emittierten Laser
licht vermindern, die aufgrund einer Deformation des Stabes
10 auftreten könnte, und sie verhindern auch einen variie
renden Brechungsindex aufgrund von thermischen Gradienten
darin.
In der zweiten Ausführungsform der Fig. 8 sind die kon
kaven Abschnitte 14c und 14d längskonkav, d. h. ihre Krüm
mung ist erkennbar in einem Querschnitt oder einer Drauf
sicht parallel zur Längsachse des Stabes 10. Diese Aus
führungsform vermindert die parasitären Längsmoden-Oszil
lationen in der gleichen Weise, wie es oben für die Unter
drückung der Queroszillationen beschrieben ist, und diese
längskonkaven Abschnitte können hergestellt werden mittels
der Scheibe 20 der Fig. 6, die einen ausgewählten Krüm
mungsradius hat, wobei der Stab 10 senkrecht zu der in
Fig. 6 gezeigten Position gehalten wird.
In einer besonderen Ausführungsform sind die Abmessungen
des Stabes 10 und die Länge der konkaven Abschnitte 14c
und 14d wie oben angegeben. Die maximale Tiefe der kon
kaven Abschnitte 14c und 14d beträgt etwa 0,05 cm und
ihr Krümmungsradius etwa 7,5 m.
Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung,
bei der die konkaven Abschnitte 14c und 14d sowohl längs-
als auch querkonkav sind, d. h. es sind ringförmige Ab
schnitte, um sowohl die parasitären Längs- als auch Quer
oszillationsmoden zu vermindern. Diese Ausführungsform
kann mit der Scheibe 20 hergestellt werden, wenn sie die
Gestalt eines Ringes mit ausgewählten orthogonalen Krüm
mungsradien hat. In einer bestimmten Ausführungsform sind
die Abmessungen des Stabes und die Länge der konkaven
Abschnitte 14c und 14d wie oben angegeben. Die maximale
Tiefe sowohl der Längs- als auch Querkurven beträgt etwa
0,05 cm und der Krümmungsradius für die Längskurve beträgt
etwa 7,5 m und der für die Querkurve etwa 0,9 cm.
Claims (20)
1. Festkörper-Laserstab, bestehend aus Lasermaterial mit
einem Paar gegenüberliegender, schmaler Seitenflächen und
einem Paar gegenüberliegender, im wesentlichen planarer
breiter Pumpflächen sowie mindestens einer Einrichtung zum
Vermindern parasitärer Oszillationen, die einschließt, daß
jede der Seitenflächen einen konkaven Abschnitt aufweist.
2. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, worin jede der
Seitenflächen ein Paar gerade Abschnitte hat, die jeweils
an deren Enden angeordnet sind, und jeder der konkaven Ab
schnitte ein Paar abgeschrägter Abschnitte aufweist, die
jeweils benachbart den geraden Abschnitten angeordnet sind.
3. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, worin jeder der
konkaven Abschnitte querkonkav ist.
4. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, worin jeder der
konkaven Abschnitte längskonkav ist.
5. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, worin jeder der
konkaven Abschnitte sowohl längs- als auch querkonkav ist.
6. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, worin der Stab
abgerundete Ecken hat.
7. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, worin der Stab
Endflächen aufweist, die etwa im Brewster Winkel angeordnet
sind.
8. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, wobei der Stab
aus Nd:YAG besteht.
9. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 8, worin das
genannte Nd ein Dotierungsniveau von etwa 1% hat.
10. Festkörper-Laserstab nach Anspruch 1, worin jeder der
konkaven Abschnitte eine toroidale Gestalt hat.
11. Laser, umfassend einen Festkörper-Laserstab gemäß dem
Anspruch 1, mit
mindestens einer ersten optischen Pumpeinrichtung zum Belichten einer der Pumpflächen,
einem den Stab und die Pumpeinrichtung umgebenden Reflek tor,
erster und zweiter transparenten Platte, die jeweils nahe den Pumpflächen angeordnet sind, wobei die erste Platte zwischen der ersten Pumpeinrichtung und dem Stab angeordnet ist und ein Paar isolierender Seitenschienen jeweils auf den Seitenflächen angeordnet ist.
mindestens einer ersten optischen Pumpeinrichtung zum Belichten einer der Pumpflächen,
einem den Stab und die Pumpeinrichtung umgebenden Reflek tor,
erster und zweiter transparenten Platte, die jeweils nahe den Pumpflächen angeordnet sind, wobei die erste Platte zwischen der ersten Pumpeinrichtung und dem Stab angeordnet ist und ein Paar isolierender Seitenschienen jeweils auf den Seitenflächen angeordnet ist.
12. Laser nach Anspruch 11, worin die Pumpeinrichtung
eine Länge aufweist, die etwas geringer ist als die Länge
der konkaven Abschnitte.
13. Laser nach Anspruch 11, worin die Seitenschienen eine
Länge haben, die etwas größer ist als die Länge der konka
ven Abschnitte.
14. Laser nach Anspruch 11, weiter umfassend eine zweite
optische Pumpeinrichtung zum Belichten der übrigen Pump
fläche und in dem Reflektor angeordnet, wobei die zweite
Platte zwischen der zweiten Pumpeinrichtung und dem Stab
angeordnet ist.
15. Laser nach Anspruch 11, weiter umfassend ein Kühlmit
tel zwischen den Platten.
16. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Ab
schnitte querkonkav ist.
17. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Ab
schnitte längskonkav ist.
18. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Ab
schnitte sowohl längs- als auch querkonkav ist.
19. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Ab
schnitte toriodal ausgebildet ist.
20. Laser nach Anspruch 11, worin die optische Pumpein
richtung eine Lampe umfaßt.
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IT (1) | IT1241131B (de) |
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