Eine
diese Effekte beeinflussende kritische Grösse ist die Wärmeleitung
innerhalb des Festkörpers
wie auch der Wärmetransport
durch die Grenzflächen
bzw. Grenzschichten des laseraktiven Festkörpers. Eine Standardlösung zur
Verringerung der thermischen Effekte stellen beispielsweise Thin-Disk-Laser
dar, wie sie beispielsweise aus der
EP 0 632 551 B1 bekannt sind.
Bei
solchen Lasern wird das Lasermedium als flache Scheibe ausgebildet
und mit einer seiner Flachseiten auf eine Temperatursenke aufgebracht, die
meist als massives Kühlelement
ausgebildet ist. Durch das günstige
Verhältnis
von Oberfläche
zu Volumen kann ein Wärmetransport
auch bei hohen Transportleistungen erreicht werden, der eine hinreichende
Kühlung
des Lasermediums bewirkt und somit negative Auswirkungen auf Material
und Strahlungsfeld verhindert.
Lösungen des
Stand der Technik, wie sie bspw. auch aus „Widely tunable pulse durations
from a passively mode-locked thin-disk Yb:YAG lasen", F. Brunnen et al.
(Optics Letters 26, No. 2, Seiten 379-381) oder „60-W average power in 810-fs
pulses from a thin-disk Yb:YAG lasen", E. Innerhofer et al. (Optics Letters
28, No. 5, Seiten 367-369) bekannt sind, bestreben eine Optimierung
des Verhältnisses von
Oberfläche
zu Volumen, indem eine Dimension des Lasermediums möglichst
klein, die beiden anderen Dimensionen hingegen möglichst gross, zumindest aber
deutlich größer als
die Dicke des Lasermediums, gehalten werden. Der Wärmetransport
aus dem Lasermedium erfolgt über
den Kontakt zur Temperatursenke bzw. zur umgebenden Luft.
Als
Temperatursenken werden Metall- oder Diamantflächen verwendet, die einseitig
wärmeleitend
mit dem laseraktiven Material verbunden werden. Dabei finden insbesondere
Diamant-Wärmespreizer
aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit
in Kombination mit dem elektrischen Isolationsvermögen zunehmend
Einsatz für
die Kühlung
von Hochleistungs-Bauelementen wie Laserdioden.
Lösungen des
Stands der Technik verbessern bei einer einseitig kontaktierten
Temperatursenke den Wärmetransport
durch eine optimierte Geometrie des Lasermediums, das hierfür möglichst
flächenhaft
ausgebildet wird. Allerdings ist aufgrund der thermodynamischen
Bedingungen und technischen Gegebenheiten in einem Laserresonator
die hiermit maximal realisierbare Kühlwirkung begrenzt.
Damit
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen,
die eine verbesserte Kühlung
eines Lasermediums ermöglicht.
Eine
weitere Aufgabe besteht darin, bei gleicher Maximaltemperatur des
Lasermediums höhere Leistungseinkopplungen
zu ermöglichen.
Eine
weitere Aufgabe besteht darin, bei gleicher Leistungseinkopplung
eine geringere Maximaltemperatur oder einen geringeren Effekt einer
thermischen Linse zu erhalten.
Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäss durch
Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch die kennzeichnenden Merkmale
der Unteransprüche
gelöst
bzw. die Lösungen
fortgebildet.
Die
erfindungsgemässe
Lösung
dieser Aufgaben bzw. deren Fortbildung erfolgt durch die Verwendung
eines Kühlelements
bzw. einer Kühlschicht aus
Diamant, die direkt mit dem laseraktiven Medium wärmeleitend
verbunden wird. Hierbei wird durch Wahl geeigneter Grössen, wie
Brechungsindex und Schichtgeometrie, eine mehrfache Ausnutzung der Brewster-Bedingung
bei der Strahlführung
genutzt.
Die
Kombination von Diamantelementen und Lasermaterial zu einem Laserelement
kann durch Sandwichen des laseraktiven Mediums zwischen zwei Diamantscheiben
erfolgen, so dass einzelne Elemente miteinander verbunden werden,
z.B. durch Diffusionsbindung oder durch eine rein mechanische Halterung.
Alternativ oder ergänzend
kann jedoch auch ein Schichtaufbau direkt auf dem Lasermedium erfolgen.
Hierfür
stehen geeignete Verfahren, wie z.B. die Gasphasenabscheidung (CVD),
zur Verfügung.
Durch
das Aufbringen von solchen Diamantelementen auf das laseraktive
Medium wird die Zahl der Oberflächen
bzw. Grenzflächen
erhöht,
so dass verstärkt
Reflektionen, wie z.B. Fresnelreflexe an den Materialübergängen, auftreten.
Zur Vermeidung der damit verbundenen Verluste wird der Aufbau des Laserelements
aus laseraktivem Material und kühlenden
Diamantelementen sorgfältig
aufeinander abgestimmt. Ergänzend
können
weitere Schichten, z.B. Antireflexschichten, in den Aufbau des Laserelements
integriert werden.
Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen
weiter erläutert,
wobei die Beschreibung anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen
rein beispielhaft erfolgt. Im einzelnen zeigen
1 die
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserelements;
2 die
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserelements
mit zusätzlichen
Antireflexschichten;
3 die
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserelements
mit keilförmigen
Diamantelementen;
4 die
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laserelements
mit Diamantelementen mit dreieckigem Querschnitt und
5 die
schematische Darstellung einer fünften
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Laserelements
mit einem laseraktiven Medium mit trapezförmigem Querschnitt.
In 1 wird
eine erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserelements
dargestellt, das aus einem laseraktiven Medium 1a zwischen
einer ersten Komponente 2a und einer zweiten Komponente 2b aus
optischem Diamant C6 in Sandwich-Bauweise
angeordnet ist. In dieser Ausführungsform
werden die drei Bauelemente des Laserelements als Scheiben oder
Streifen mit übereinstimmendem
Querschnitt und flächigem
Kontakt ausgebildet. Alle Grenzflächen verlaufen in dieser Ausführungsform
parallel. Abweichend hiervon können
erfindungsgemäss
jedoch grundsätzlich
auch unterschiedliche Querschnitte und Formen der Elemente gewählt werden.
Als laseraktives Medium 1a findet in diesem Beispiel Nd:VAN
Verwendung, das bei 1064 nm, 916 nm und 1,34 μm emittiert. Der Brechungsindex
dieses Materials beträgt
n = 2,16. Die beiden Komponenten aus Diamant besitzen einen Brechungsindex
von n = 2,4, so dass ein unter einem ersten Winkel α1 von ca.
67,38° einfallender
p-polarisierter Lichtstrahl S der Brewster-Bedingung genügt. Auf
die Grenzfläche
zwischen der ersten Komponente 2a und dem laseraktiven
Medium 1a fällt
der Lichtstrahl S dann mit einem Winkel β1 von ca. 22,6°, was zwar
nicht exakt der Brewster-Bedingung für die beiden Medien entspricht,
jedoch berechnet sich der Reflexionsverlust an diesem Übergang
als 0.17%, was vernachlässigbar
ist. Für
die Grenzfläche
zwischen laseraktivem Medium 1a und der zweiten Komponente 2b gilt
aus Symmetriegründen
Gleiches.
Die
rein exemplarisch angegebenen Parameter, insbesondere die Winkelangaben,
beruhen auf der Kombination von Diamant und einem spezifischen laseraktiven
Medium. Je nach laseraktivem Medium bzw. verwendeter Wellenlänge des
Lichts können
jedoch andere Winkel oder Geometrien resultieren. Insofern sind
die Darstellungen und Angaben rein exemplarisch zu verstehen, die
notwendigen Rechnungen und Adaptionen zur konkreten Umsetzung des
erfindungsgemäßen Konzepts
in eine spezifische Ausführungsform
liegen im Handeln des Fachmanns.
2 zeigt
eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
des Laserelements, die in ihrem Aufbau der ersten Ausführungsform ähnelt. Bei
laseraktiven Medien 1b mit einem Brechungsindex n < 2 kann es problematisch
sein, eine Geometrie mit parallel verlaufenden Grenzschichten zu
erreichen, die für
alle Grenzschichten die ungefähre
Einhaltung der Brewster-Bedingung ermöglicht bzw. zu vernachlässigbaren Übergangsverlusten
führt.
Zwischen die erste Komponente 2a und das laseraktive Medium 1b sowie
zwischen das laseraktive Medium 1a und die zweite Komponente 2b sind
deshalb zwei Antireflexbeschichtungen 3 zur Minimierung
der Fresnel-Reflexion eingebracht. Diese Antireflexbeschichtungen 3 weisen
beispielsweise bei einem Einfall im Winkel von 67° eine Reflektivität von R < 0,15 % auf. Diese Ausführungsform
eignet sich insbesondere für
Lasermedien mit n < 2,0,
wie beispielsweise n = 1,5. In einer Ausführungsform mit solcher Brechungsindexkonstellation
wird die reflexionsminimierende Brewster-Bedingung nur an den Grenzflächen beim
Ein- und Austritt aus dem Laserelement eingehalten. Die Antireflexbeschichtung 3 stellt
hier eine Alternative zur Verwendung von zweiten bzw. dritten Winkeln
mit Einhaltung der Brewster-Bedingung dar, so dass auch laseraktive
Medien 1b mit niedrigem Brechungsindex ohne grosse Verluste
mit einer erfindungsgemäßen Diamantkühlung betrieben
werden können.
Alternativ
kann jedoch auch die hier nicht dargestellte Anbringung der Antireflexbeschichtungen
auf den äußeren Grenzflächen der
ersten und zweiten Komponenten und damit auf der Außenseite des
Laserelements erfolgen, so dass der Eintritt in das Laserelement
an diesen Grenzschichten nicht unter Einhaltung der Brewster-Bedingung
erfolgen muss. Der innere Übergang
zwischen erster Komponente und laseraktivem Medium und zwischen
laseraktivem Medium und zweiter Komponente erfolgt wieder unter
Einhaltung der Brewster-Bedingung. Die Verwendung der Antireflexbeschichtungen
bzw. Antireflexschichten erlaubt damit den Verzicht auf die Einhaltung
der Brewster-Bedingung an ausgewählten
Grenzflächen,
so dass eine gewisse Freiheit der geometrischen Ausgestaltung gewonnen
wird.
In 3 wird
eine dritte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserelements
dargestellt, bei der ebenfalls ein laseraktives Medium 1c mit
einem Brechungsindex n < 2
verwendet werden kann, wobei allerdings keine Antireflexbeschichtungen
in das Laserelement eingebracht werden. In dieser Ausführungsform
wird die Einhaltung der Brewster-Bedingung für alle Grenzflächen durch
eine nichtparallele Ausgestaltung dieser Grenzflächen erzielt. Das laseraktive
Medium 1c mit einem Brechungsindex von n < 2 ist zwischen
einer ersten Komponente 2c und einer zweiten Komponente 2d aus
optischem Diamant C6 in Sandwich-Bauweise
angeordnet. In dieser Ausführungsform
werden die erste Komponente 2c und die zweite Komponente 2d keilförmig ausgebildet,
so dass der von einem Lichtstrahl S zu passierende Grenzflächen zueinander
gewinkelt sind. Als laseraktives Medium 1c kann bspw. Yb:Glas mit
einem Rechungsindex von n = 1,5 Verwendung finden. Demgegenüber besitzen
die beiden Komponenten aus Diamant einen Brechungsindex von n = 2,4.
Die beiden Grenzflächen
der ersten und zweiten Komponente sind in einem Öffnungswinkel 61 von ca.
9,4° zueinander
orientiert, so dass ein unter einem ersten Winkel α2 von ca.
67,38° einfallender
polarisierter Lichtstrahl der Brewster-Bedingung genügt. Auf
die Grenzfläche
zwischen der ersten Komponente 2c und dem laseraktiven
Medium 1c fällt
der lichtstrahl dann mit einem zweiten Winkel β2 von ca. 32°, was wiederum der Brewster-Bedingung
für die beiden
Medien entspricht. Auf die Grenzfläche zwischen laseraktivem Medium 1c und
der zweiten Komponente 2d trifft der Lichtstrahl dann wiederum unter
einem der Brewster-Bedingung genügenden dritten
Winkel γ2
von ca. 58°,
so dass beim Austritt des Lichtstrahls aus dem Laserelement die
Bedingungen des Eintritts, ähnlich
wie in 1, dupliziert werden und der Verlust beim Durchgang
minimiert wird.
In 4 wird
eine vierte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Laserelements
dargestellt, das erste und zweite Komponente aus Diamant aufweist,
die mit einem dreieckigen Querschnitt ausgebildet sind. Auch mit
dieser Ausführungsform
können laseraktive
Medien 1d mit einem Brechungsindex n < 2 zusammen mit Komponenten aus Diamant
verwendet werden. In dieser Ausführungsform
mit einem exemplarisch als n = 1,5 angenommenen Brechungsindex erfolgt
der Eintritt eines Lichtstrahls S in das Laserelement nicht unter
dem Brewster-Winkel sondern rechtwinklig zur Oberfläche, d.h.
mit einem ersten Winkel α3
von ca. 90°.
In diesem Beispiel einer Ausführungsform
sind die erste Komponente 2e und die zweite Komponente 2f mit
einem Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet.
Allerdings kann auch eine erfindungsgemäße Ausführungsform unter Verwendung
des Querschnitts eines ungleichseitigen bzw. ungleichschenkligen
Dreiecks realisiert werden. Die beiden Grenzflächen der ersten und zweiten
Komponente sind in einem Öffnungswinkel 62 von
ca. 32° zueinander
orientiert, wobei dieser Winkel dem Brewster-Winkel eines Einfalls
des Lichtstrahls S auf die Grenzfläche zwischen erster Komponente 2e und
laseraktivem Medium 1d entspricht, so dass an dieser Stelle
ebenfalls ein zweiter Winkel β3
von ca. 32° resultiert
und die Brewster-Bedingung zur Minimierung von Verlusten eingehalten
wird. Auf die Grenzfläche
zwischen laseraktivem Medium 1d und der zweiten Komponente 2f trifft
der Lichtstrahl dann wiederum unter einem der Brewster-Bedingung genügenden dritten
Winkel γ3
von ca. 58°,
so dass beim Austritt des Lichtstrahls aus dem Laserelement die
Bedingungen des Eintritts dupliziert werden und der Verlust beim
Durchgang minimiert wird. Zur Verringerung von Reflexen beim Ein- und Austritt können die
entsprechenden Oberflächen
mit einer Antireflexbeschichtung 4 versehen werden.
5 zeigt
eine weitere erfindungsgemässe Strahlführung in
einer fünften
Ausführungsform
des Laserelements. Der einfallende Lichtstrahl S tritt unter einem
ersten Winkel α4
von ca. 90° direkt
in das laseraktive Medium 1e ein, das einen trapezförmigen Querschnitt
besitzt und eine Antireflexbeschichtung 4 aufweist. Das
laseraktive Medium 1e ist zwischen eine erste Komponente 2g und
eine zweite Komponente 2h aus Diamant eingebettet, wobei
diese Komponenten unterschiedliche Flächen und Dimensionierungen
aufweisen. Die beiden von dem Durchgang eines einfallenden Lichtstrahls
S betroffenen Grenzflächen
des laseraktiven Mediums 1e sind in einem Öffnungswinkel
zueinander orientiert, der dem Brewster-Winkel eines Einfalls des
Lichtstrahls S auf die Grenzfläche
zwischen laseraktivem Medium 1e und zweiter Komponente 2h entspricht,
so dass an dieser Stelle ebenfalls ein Eintritt unter Einhaltung der
Brewster-Bedingung erfolgt. In der zweiten Komponente 2h erfolgt
eine Reflexion des Lichtstrahls S an der Grenzfläche zur Luft, wobei der Strahlgang des
Eintritts dupliziert wird und der Lichtstrahl auf einer der Eintrittsfläche entgegengesetzten
Oberfläche das
Laserelement wieder verläßt. Diese
Ausführungsform
erlaubt es, einfache plättchen-
bzw. scheibenförmige
Komponenten aus Diamant zu verwenden, bei denen keine exakt gewinkelten
Oberflächen ausgebildet
werden müssen.
Die
abgebildeten Winkel der Strahlverläufe sind materialspezifisch
und dienen nur zur Erläuterung
der Wirkung spezieller Ausgestaltungen der unterschiedlichen Ausführungsformen
und können
in ihrer Abbildung von den exakten physikalischen Bedingungen, z.B.
hinsichtlich des Brewster-Gesetzes, aus Darstellungsgründen abweichen.
Insbesondere können
hieraus keine quantitativen oder limitierenden geometrischen Aussagen
abgleitet werden.