DE10013371A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht

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Description

Festkörperlaser stellen sowohl in der Technik, in der Materialbearbeitung als auch in der Medi­ zin unverzichtbare Werkzeuge dar. Sie ermöglichen präzises, punktgenaues und berührungsloses Arbeiten ohne mechanische Verschleißteile wie z. B. Sägeblätter oder Bohrer.
Von zentraler Bedeutung für den Festkörperlaser ist das in ihm enthaltene laseraktive Medium, in dem die eigentliche Laserstrahlung generiert wird. Grundlage der Erzeugung von Laserstrah­ lung ist dabei die stimulierte Emission, die erstmals von Albert Einstein beschrieben wurde. Durch eine Anregung der Atome im laseraktiven Medium erfolgt eine Besetzung höher gelege­ ner Energieniveaus der Atome. Ist die Anregung stark genug, um mehr als die Hälfte der Atome auf ein höheres Niveau zu bringen (pumpen), so spricht man von einer Besetzungsinversion. Letztendlich kommt es zur Abstrahlung von Laserlicht als Folge der stimulierten Emission. Im Falle eines Festkörperlasers wird das laseraktive Medium von einem Kristall gebildet.
Stand der Technik bei der Anregung der Laserkristalle ist das optische Pumpen mittels einer Blitzlampe oder mit einem anderen Lasersystem. Bei der Anregung mittels einer Blitzlampe liegt ein Teil des von ihr emittierten Spektrums im Bereich der zur Laseranregung notwendigen Ab­ sorptionsbande. Die Anregung des Kristalls geschieht dabei durch eine transversale Anordnung, d. h. Laserkristall und Blitzlampe liegen parallel nebeneinander. Die von der Blitzlampe uner­ wünschte abgestrahlte Wärmeleistung macht eine Kühlung des Laserkristalls unumgänglich.
Die Anregung mittels eines anderen Lasersystems kann in verschiedenen Anordnungsmöglich­ keiten erfolgen: a) longitudinale Konfiguration, d. h. der Laser, der zum Pumpen des Kristalls eingesetzt wird, strahlt entlang der Längsachse des Kristalls; b) transversale Konfiguration, d. h. ein Array von Lasersystemen wird transversal zum Kristall angeordnet. Vorteil dieser Konfigu­ rationen ist die schmalbandige Anregung des Laserübergangs aus dem Grundzustand. Bei die­ sem Prozeß geht nicht so viel Anregungsenergie verloren wie bei der breitbandigen Anregung mit einer Blitzlampe. Nachteilig ist, daß die Pumpenergie z. B. bei der longitudinalen Anregung nicht gleichmäßig im Kristall verteilt wird.
Die hier vorgestellte Erfindung ermöglicht die optische Anregung eines laseraktiven Mediums 1 mit einem oder mehreren Lasersystemen oder anderen hierfür geeigneten Lichtquellen 10. Die verwendete Pumpkonfiguration kann weder als transversal noch als longitudinal beschrieben werden. Im folgenden wird für das hier vorgestellte Verfahren der Begriff des "diffusen Pum­ pens" eingeführt. Das Licht der Pumplichtquelle 10 wird dabei über Flüssigkeitslichtleiter 12 in die Pumpkammer 2 eingekoppelt. Die Pumplichtquelle 10 kann dabei von einem oder mehreren Lasern gebildet werden. Durch die Verspiegelung der Endflächen 7 der Pumpkammer 2 und durch die Totalreflexion an den Wänden 6 der Pumpkammer 2 verbleibt die eingekoppelte Lichtenergie in der Pumpkammer 2. Dort wird sie vom laseraktiven Medium 1 absorbiert, wo­ durch dieses optisch angeregt wird. Dabei wird die Laserschwelle überschritten und es kommt zur Abstrahlung von Laserlicht 11 durch das laseraktive Medium 1.
In der Pumpkammer 2 wird das laseraktive Medium 1 sowohl optisch angeregt als auch gleich­ zeitig gekühlt. Eine weitere wichtige Neuerung gegenüber dem Stand der Technik ist die Ver­ wendung der zur Lichtleitung genutzten Flüssigkeit (8 und 12) als Kühlmittel für das laseraktive Medium 1. Die zugeführte Flüssigkeit dient somit sowohl zur Lichtleitung der Pumpstrahlung innerhalb der Flüssigkeitslichtleiter 12 als auch zur gleichzeitigen Kühlung des laseraktiven Me­ diums 1 in der Pumpkammer 2. Über geignet platzierte Abflüsse 4 wird die Flüssigkeit wieder der Pumpe 9 zugeführt. Empfehlenswert ist ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf, in dem die Flüssigkeit kontinuierlich umgepumpt und aufbereitet wird. Die Einkopplung des Lichtes der Pumplichtquelle 10 erfolgt dabei mittels einer geeigneten Einkoppelvorrichtung. Die Verwen­ dung der Flüssigkeit als Kühlmittel und gleichzeitig als Lichtleitmedium kann zu einer kompak­ teren Bauweise von Pumpkammer 2 und des gesamten Lasergerätes führen.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Pumplichtquelle 10 sowie das Umpumpsystem in räumlicher Entfernung von der Pumpkammer 2 und somit vom eigentlichen laseraktiven Medi­ um 1 gehalten werden können, ist die vorgestellte Erfindung von besonderem Interesse. Somit ist es möglich, das Laserlicht 11 direkt dort zu erzeugen, wo es eingesetzt werden soll. Als konkrete Beispiele werden hier Laserapplikatoren in Fertigungsapparaturen genannt. Mit der vorgestellten Erfindung kann die benötigte Laserenergie direkt am Ort der Bearbeitung erzeugt werden und muß nicht über Lichtführungssysteme, die immer auch mit Verlusten und/oder hohen Kosten verbunden sind, zugeführt werden. Als weiteres wichtiges Beispiel seien hier Handstücke für den medizinischen Einsatz genannt. So ist es beispielsweise möglich, das laseraktive Medium 1 eines Dentallasers platzsparend im Handstück zu integrieren, statt wie bisher üblich die Strahlung ex­ tern zu erzeugen und mittels Spiegelgelenkarmen oder anderen Lichttransmissionssystemen in das Handstück zu führen.
Die vorgestellte Erfindung beschreibt das optische Anregen (optisches Pumpen) eines laserakti­ ven Mediums 1 in einer Pumpkammer 2. Ein in der Pumpkammer 2 angeordnetes laseraktives Medium 1 wird von einer Flüssigkeit umspült, die a) zur Lichtleitung in der Pumpkammer 2 und den Flüssigkeitslichtleitern 12 dient, und b) das laseraktive Medium 1 vor Überhitzung und so­ mit vor Zerstörung schützt. An der Pumpkammer 2 geeignet platzierte Zuflüsse 3 und Abflüsse 4 gestatten den kontinuierlichen Umfluß der Flüssigkeit. Beiliegende Fig. 1a, 1b, 2a, 2b sowie Fig. 3 zeigen eine exemplarische Möglichkeit, die vorgestellte Erfindung zu realisieren. Weitere sinnverwandte Realisierungen sind denkbar. In die Zuflüsse 3 wird die Flüssigkeit über Flüssig­ keitslichtleiter 12 eingeführt, die es ermöglichen, sowohl die Flüssigkeit selber als auch die Pumpstrahlung der Pumplichtquelle 10 in die Pumpkammer 2 zu transportieren. Nach Eintritt des Pumplichtes in die Pumpkammer 2 wird dieses aufgrund von Reflexionen an den Seitenflä­ chen 6 der Pumpkammer 2, die weitgehend parallel zu einer Oberfläche des laseraktiven Medi­ ums 1 verlaufen, in der Pumpkammer 2 geleitet. Diese Reflexionen können aufgrund von Ver­ spiegelungen oder aufgrund von Totalreflexion erzielt werden. An den Endflächen 7 der Pump­ kammer 2, die beliebig geformt sein können und die Seitenflächen 6 miteinander verbinden, kann das eingestrahlte Licht ebenfalls reflektiert werden. Die Reflexionen an den Seitenflächen 6 und/oder den Endflächen 7 dienen der gleichmäßigen Verteilung des eingestrahlten Pumplichtes in der Pumpkammer 2, welches somit dem optischen Anregen (diffuses Pumpen) des laserakti­ ven Mediums 1 dient. Infolge dieses Effekts erfährt das laseraktive Medium 1 eine Besetzungs­ inversion und emittiert seinerseits Laserlicht 11, wenn ein geeigneter Resonator 13 oder alterna­ tiv dazu eine geeignete Verspiegelung der Endflächen des laseraktiven Mediums 1 vorhanden ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das laseraktive Me­ dium 1 beispielsweise ein stabförmiger Festkörperlaserkristall ist, bei dem es sich u. a. um Nd: YAG, Ho: YAG, Er: YAG, ErCr: YSGG, Er: GGG, Er: YSGG, Er: YLF oder mit anderen Selte­ nen Erden dotierte Kristalle handeln kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Flüssigkeit als Kern­ material der Flüssigkeitslichtleiter 12 einzusetzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Flüssigkeit als Kern­ material zur Lichtleitung innerhalb der Pumpkammer 2 einzusetzen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Flüssigkeit als Kühl­ mittel für das laseraktive Medium 1 einzusetzen.
Hierdurch werden kompakte Bauweisen der Pumpkammer 2 und des gesamten Lasergerätes er­ möglicht. Eine Miniaturisierung des Systems läßt sich z. B. dadurch erzielen, daß eine oder beide Endflächen des laseraktiven Mediums 1 verspiegelt werden, da somit kein externer Resonator 13 mehr benötigt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß es sich bei der Flüs­ sigkeit zur Kühlung und Lichtleitung z. B. um wässrige Lösungen, Silikonöle oder andere Flüs­ sigkeiten handeln kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das laseraktive Me­ dium 1 von einem Faserlaser gebildet wird. Die Ausführung des laseraktiven Mediums als Fa­ serlaser hat den Vorteil, daß es aufgewickelt und somit sehr lang ausgebildet sein kann, ohne daß sich die für die Verstärkung der Laserstrahlung 11 maßgebliche Länge wesentlich ändert. Als Wirtsmaterial für den Faserlaser kommen u. a. mit Seltenen Erden dotierte Gläser in Frage.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das laseraktive Medium 1 mit Erbium dotiert. Dadurch lassen sich Laserstrahlungen 11 mit Wellenlängen um 3 µm erzeugen, die ins­ besondere für die Photoablation von biologischem Gewebe höchst effektiv sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das laseraktive Medium 1 mit Holmium dotiert, so daß Laserstrahlungen 11 mit Wellenlängen um 2 µm erzeugt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich durch Dotierung des laseraktiven Mediums 1 mit Neodym, so daß Wellenlängen um 1 µm erzeugt werden können.
Erläuterungen
1
laseraktives Medium
2
Pumpkammer
3
Zuflüsse
4
Abflüsse
5
beispielhafter Strahlverlauf der Pump Strahlung
6
Seitenflächen der Pumpkammer
2
7
Endflächen der Pumpkammer
2
8
Inneres der Pumpkammer
2
(flüssigkeitsgefüllt)
9
Pumpe für Flüssigkeit
10
Pumplichtquelle
11
generiertes Laserlicht
12
Flüssigkeitslichtleiter/Schlauch
13
Spiegel eines externen Resonators
14
optionales longitudinales Pumplicht

Claims (20)

1. Pumpkammer 2, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in ihr ein laseraktives Medium 1 ge­ haltert ist.
2. Pumpkammer 2 nach Anspruch (1), wobei diese über eine beliebige Anzahl von geeignet platzierten Zuflüssen 3 und Abflüssen 4 verfügt, die von einer Flüssigkeit durchströmt werden. U. a. kann es sich bei der Flüssigkeit um wässrige Lösungen, Silikonöle und/oder andere Flüssigkeiten handeln. Zur Erzeugung der Totalreflexion an den Innenseiten 6 der Pumpkammer 2 ist ein Brechnungsindexunterschied vom Kammermaterial der Pumpkam­ mer 2 und der Flüssigkeit notwendig, wobei der Brechungsindex (Brechzahl) der Flüssig­ keit höher als der des Kammermaterials der Pumpkammer 2 sein muß.
3. Pumpkammer 2 nach Anspruch (1), wobei die Innenseiten 6 der Pumpkammer 2 verspie­ gelt werden.
4. Pumpkammer 2 nach Anspruch (1), (2) oder (3), dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Endflächen 7 der Pumpkammer 2 verspiegelt sind.
5. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (4), dadurch gekennzeichnet, daß das in ihr gehalterte laseraktive Medium 1 von der Flüssigkeit gekühlt wird.
6. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (5), dadurch gekennzeichnet, daß das in ihr gehalterte laseraktive Medium 1 von der Flüssigkeit gereinigt wird.
7. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (6), dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Endflächen des laseraktiven Mediums 1 verspiegelt sind.
8. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (7), dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium 1 in einen äußeren Resonator 13 eingebettet ist.
9. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (8), dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem laseraktiven Medium 1 um einen Nd: YAG, Nd: YLF, Ho: YAG, Er: YAG, ErCr: YSGG, Er: YSGG, Er: GGG, oder einen mit anderen Seltenen Erden dotierten Kristall handeln kann.
10. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (9), dadurch gekennzeichnet, daß das Wirtsmaterial des laseraktiven Mediums 1 ein YAG-Kristall ist.
11. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (9), dadurch gekennzeichnet, daß das Wirtsmaterial des laseraktiven Mediums 1 ein GGG-, GSGG- oder YSGG-Kristall ist.
12. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (11), dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium 1 als Faserlaser ausgeführt ist.
13. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (12), dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium 1 des Faserlasers aus mit Seltenen Erden dotierte Gläser gebildet ist.
14. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (13), dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium 1 mit Holmium dotiert ist.
15. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (14), dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium 1 mit Erbium dotiert ist.
16. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (15), dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium 1 mit Thulium dotiert ist.
17. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (16), dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium 1 mit Neodym dotiert ist.
18. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (17), dadurch gekennzeichnet, daß die zur optischen Anregung notwendige Energie der Pumpkammer 2 über einen oder mehrere Lichtleiter 12 zugeführt wird.
19. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (18), dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszustrom in die Pumpkammer 2 durch einen oder mehrere Lichtleiter 12 erfolgt.
20. Pumpkammer 2 nach einem der Ansprüche (1) bis (19), dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Lichtleiter 14 das laseraktive Medium 1 longitudinal anregt.
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