DE10013371B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Laserlicht - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht in einem laseraktiven Medium (1) mit einer flüssigkeitsgefüllten Pumpkammer (2), einem Mittel zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in die Pumpkammer (2), wobei die Pumpkammer (2) wenigstens abschnittsweise ein laseraktives Medium (1) enthält und wobei eine dem laseraktiven Medium (1) entgegengesetzte Innenfläche (6) der Pumpkammer (2) lichtreflektierend gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (6) der Pumpkammer (2) weitgehend parallel zu einer Oberfläche des laseraktiven Mediums (1) verläuft und dass die Vorrichtung wenigstens einen Flüssigkeitslichtleiter (12) zum Einleiten von Licht mit der zur optischen Anregung notwendigen Energie in die. Pumpkammer (2) enthält.

Description

  • Festkörperlaser stellen sowohl in der Technik, in der Materialbearbeitung als auch in der Medizin 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 Laserstrahlung ist dabei die stimulierte Emission, die erstmals von Albert Einstein beschrieben wurde. Durch eine Anregung der Atome im laseraktiven Medium erfolgt eine Besetzung höher gelegener 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.
  • Aus der Deutschen Auslegeschrift 1 614 592 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht bekannt. Die Vorrichtung enthält eine optische Pumpkammer und ein laseraktives Medium. Die Pumpkammer ist hierbei mit einer Flüssigkeit gefüllt, um das laseraktive Medium zu kühlen.
  • Die US-Patentschrift 3 675 156 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht mit einer zweigeteilten Pumpkammer. Ein erster Teilbereich der Pumpkammer enthält eine Pumplichtquelle. Der zweite Teilbereich der Pumpkammer enthält das laseraktive Medium. Zwischen den beiden Bereichen der Pumpkammer befindet sich eine für das Pumplicht teildurchlässige Trennwand. Der Bereich der Pumpkammer, in dem sich das laseraktive Medium befindet, ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die diesen Bereich der Pumpkammer durchströmt und so das laseraktive Medium kühlt.
  • Aus dem Deutschen Gebrauchsmuster DE 93 21 069 U1 ist ein Zweistufenlaser bekannt, bei dem die Strahlung eines ersten Lasers über einen optischen Wellenleiter zum koaxialen Pumpen eines zweiten laseraktiven Mediums eingesetzt wird. Ein Einsatz von Flüssigkeitslichtleitern ist in diesem Dokument nicht offenbart.
  • Stand der Technik bei der Anregung der Laserkristalle ist das optische Pumpen mittels einer Blitzlampe oder eines anderen Lasersystems. Bei der Anregung mittels einer Blitzlampe liegt ein Teil des von ihr emittierten Spektrums im Bereich der zur Laseranregung notwendigen Absorptionsbande. Die Anregung des Kristalls geschieht dabei durch eine transversale Anordnung, d.h. Laserkristall und Blitzlampe liegen parallel nebeneinander. Die von der Blitzlampe unerwünschte abgestrahlte Wärmeleistung macht eine Kühlung des Laserkristalls unumgänglich.
  • Die Anregung mittels eines anderen Lasersystems kann in verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten 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 Konfigurationen ist die schmalbandige Anregung des Laserübergangs aus dem Grundzustand. Bei diesem 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.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht bereitzustellen, die eine erhöhte Pumpleistung auf möglichst kleinem Raum erzeugen kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 20 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 19 und 21 bis 23.
  • 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 Pumpens" 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, wodurch 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 gleichzeitig gekühlt. Eine weitere wichtige Neuerung gegenüber dem Stand der Technik ist die Verwendung 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 Mediums 1 in der Pumpkammer 2. Über geeignet 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 Verwendung der Flüssigkeit als Kühlmittel und gleichzeitig als Lichtleitmedium kann zu einer kompakteren 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 Medium 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 extern zu erzeugen und mittels Spiegelgelenkarmen oder anderen Lichttransmissionssystemen in das Handstück zu führen.
    •
  • Die vorgestellte Erfindung beschreibt das optische Anregen (optisches Pumpen) eines laseraktiven 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 somit vor Zerstörung schützt. An der Pumpkammer 2 geeignet platzierte Zuflüsse 3 und Abflüsse 4 gestatten den kontinuierlichen Umfluss der Flüssigkeit. Beiliegende 1a, 1b, 2a, 2b sowie 3 zeigen eine exemplarische Möglichkeit, die vorgestellte Erfindung zu realisieren. Weitere sinnverwandte Realisierungen sind denkbar. In die Zuflüsse 3 wird die Flüssigkeit über Flüssigkeitslichtleiter 12 eingeführt, die es ermöglichen, sowohl die Flüssigkeit selbst 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 Seitenflächen 6 der Pumpkammer 2, die weitgehend parallel zu einer Oberfläche des laseraktiven Mediums 1 verlaufen, in der Pumpkammer 2 geleitet. Diese Reflexionen können aufgrund von Verspiegelungen oder aufgrund von Totalreflexion erzielt werden. An den Endflächen 7 der Pumpkammer 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 laseraktiven Mediums 1 dient. Infolge dieses Effekts erfährt das laseraktive Medium 1 eine Besetzungsinversion und emittiert seinerseits Laserlicht 11, wenn ein geeigneter Resonator 13 oder alternativ dazu eine geeignete Verspiegelung der Endflächen des laseraktiven Mediums 1 vorhanden ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das laseraktive Medium 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 Seltenen Erden dotierte Kristalle handeln kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Flüssigkeit als Kernmaterial der Flüssigkeitslichtleiter 12 einzusetzen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Flüssigkeit als Kernmaterial zur Lichtleitung innerhalb der Pumpkammer 2 einzusetzen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Flüssigkeit als Kühlmittel für das laseraktive Medium 1 einzusetzen.
  • Hierdurch werden kompakte Bauweisen der Pumpkammer 2 und des gesamten Lasergerätes ermöglicht. Eine Miniaturisierung des Systems lässt sich zum Beispiel 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 Flüssigkeit zur Kühlung und Lichtleitung zum Beispiel um wässrige Lösungen, Silikonöle oder andere Flüssigkeiten handeln kann.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das laseraktive Medium 1 von einem Faserlaser gebildet wird. Die Ausführung des laseraktiven Mediums als Faserlaser 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 insbesondere 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.
    • 1
    laseraktives Medium
    2
    Pumpkammer
    3
    Zuflüsse
    4
    Abflüsse
    5
    beispielhafter Srahlverlauf der
    Pumstrahlung
    6
    Seitenfläche 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 (23)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht in einem laseraktiven Medium (1) mit einer flüssigkeitsgefüllten Pumpkammer (2), einem Mittel zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in die Pumpkammer (2), wobei die Pumpkammer (2) wenigstens abschnittsweise ein laseraktives Medium (1) enthält und wobei eine dem laseraktiven Medium (1) entgegengesetzte Innenfläche (6) der Pumpkammer (2) lichtreflektierend gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (6) der Pumpkammer (2) weitgehend parallel zu einer Oberfläche des laseraktiven Mediums (1) verläuft und dass die Vorrichtung wenigstens einen Flüssigkeitslichtleiter (12) zum Einleiten von Licht mit der zur optischen Anregung notwendigen Energie in die. Pumpkammer (2) enthält.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Zufuhr einer Flüssigkeit in den oder die Flüssigkeitslichtleiter (12) enthält.
  3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der Pumpflüssigkeit höher ist als der Brechungsindex der Innenfläche der Pumpkammer (2).
  4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (6) der Pumpkammer (2) verspiegelt ist.
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Endflächen (7) der Pumpkammer (2) verspiegelt sind.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Abfluss (4) für die Pumpflüssigkeit enthält.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Endflächen des laseraktiven Mediums (1) verspiegelt sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (1) in einen äußeren Resonator (13) eingebettet ist.
  9. Vorrichtung 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirtsmaterial des laseraktiven Mediums (1) ein YAG-Kristall ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirtsmaterial des laseraktiven Mediums (1) ein GGG-, GSGG- oder YSGG-Kristall ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (1) als Faserlaser ausgeführt ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (1) des Faserlasers aus mit Seltenen Erden dotierten Gläsern gebildet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (1) mit Holmium dotiert ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (1) mit Erbium dotiert ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (1) mit Thulium dotiert ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (1) mit Neodym dotiert ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitszustrom in die Pumpkammer (2) durch einen oder mehrere Flüssigkeitslichtleiter (12) erfolgt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Lichtleiter (14) das laseraktive Medium (1) longitudinal anregt.
  20. Verfahren zur Erzeugung von Laserlicht, wobei ein laseraktives Medium (1) durch Pumpstrahlung angeregt wird und wobei die Pumpstrahlung durch eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Pumpkammer zu dem laseraktiven Medium (1) geleitet wird, und wobei die Pumpstrahlung durch wenigstens einen Flüssigkeitslichtleiter (12) in die Pumpflüssigkeit geleitet wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpflüssigkeit die Pumpkammer (2) durchströmt.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpflüssigkeit die Pumpkammer (2) in einer für eine Kühlung des laseraktiven Mediums (1) ausreichenden Durchflussmenge durchströmt.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpflüssigkeit die Pumpkammer (2) in einer für eine Reinigung des laseraktiven Mediums (1) ausreichenden Durchflussmenge durchströmt.
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