-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Laser mit einem Laserkristall
in Scheibenform sowie ein Verfahren zum Herstellen eines scheibenförmigen Laserkristalls.
-
Laserlicht,
d.h. räumlich
und zeitlich kohärentes
Licht, findet mittlerweile auf vielen Gebieten Anwendung. So wird
die Lasertechnik beispielsweise in den Bereichen Medizin, Fertigungstechnik,
Meß- und Prüfwesen sowie
im Umweltschutz eingesetzt. Die Anforderungen an die Lasertechnik
in diesen Bereichen steigen stetig, und es besteht ein großer Bedarf
an leistungsstärkeren
und effizienteren Lasern, die zuverlässig arbeiten, eine hohe Strahlqualität liefern
und möglichst
störungs-
und wartungsfrei zu betreiben sind.
-
Zur
Erzeugung von Laserlicht können
unter anderem Festkörper-,
Gas- und Flüssigkeitslaser
sowie Laser mit Halbleitermaterialien verwendet werden.
-
Bei
den Festkörperlasern
sind neben den traditionellen Stablasern seit einiger Zeit Scheibenlaser bekannt.
Bei Scheibenlasern wird ein scheibenförmiger Laserkristall verwendet.
Die Schichtdicke des Laserkristalls liegt in der Regel in einem
Bereich von einigen Zehntelmillimetern bis zu wenigen Millimetern und
ist damit im Vergleich zur Schichtdicke der stabförmigen Laserkristalle
von herkömmlichen
Stablasern (d = ca. 10 cm) deutlich reduziert. Der Durchmesser der
scheibenförmigen
Laserkristalle beträgt im
allgemeinen etwa 10 mm.
-
Das
Konzept des Scheibenlasers beruht auf einem scheibenförmigen Lasermedium,
das auf einem – i.d.R.
flüssigkeitsgekühlten – Kühlelement
gelagert und mit diesem verbunden ist. Durch das Kühlelement
wird die Rückseite
der Laserscheibe einseitig gekühlt.
Bedingt durch die flächige
Kühlung
der Rückseite
des sehr dünnen
Laserkristalls entstehen Temperaturgradienten vorwiegend in Richtung
des Laserstrahles und haben daher kaum Einfluß auf die Qualität des Laserstrahls.
Dies steht im Gegensatz zum herkömmlichen
Stablaser, bei dem die thermisch induzierten Veränderungen die Eigenschaften des
Lasermediums erheblich stärker
negativ beeinflussen, wobei der Laserstrahl entsprechend stärker optisch
verzerrt wird. Auch thermische Linseneffekte und thermisch induzierte
Doppelbrechung sind beim Scheibenlaser vergleichsweise reduziert.
-
Auf
der mit dem Kühlelement
verbundenen Seite ist das scheibenförmige Lasermedium häufig mit- einer reflektierenden
Beschichtung versehen. Zur Verbindung der Laserscheibe mit dem Kühlelement
ist oft eine weiche, wärmeleitfähige Zwischenschicht
vorgesehen, die beim Pumpen bzw. bei der Erzeugung von Laserlicht
auftretende thermische Verformungen der Laserscheibe abfangen und
Wärme aus
der Laserscheibe aufnehmen und an das Kühlelement weiterleiten kann.
-
Als
Materialien für
Scheibenlaser wurden bereits verschiedene chemische Zusammensetzungen getestet.
Am weitesten verbreitet ist Ytterbium dotierter Yttrium-Aluminium-Granat
(Yb:YAG) mit der chemischen Formel Yb:Y3Al5O12. Bei diesem
Material stellt das Yttrium-Aluminium-Granat das neutrale Grundgerüst des Lasermaterials
dar, das am eigentlichen Laserprozeß nicht beteiligt ist. In das
Grundgerüst
eines Lasermaterials sind die für
die Laserlichtemission maßgebenden
Bestandteile (Atome, Ionen, Moleküle), die sogenannten laseraktiven
Stoffe, eingebaut. Im Falle des Yb:YAG ist der laseraktive Stoff das
Ytterbium.
-
Yb:YAG
weist gute mechanische Eigenschaften auf, die die kommerzielle Herstellung
von Scheiben mit Durchmessern im Bereich von 5 bis 25 mm und mit
Scheibendicken von etwa 300 μm
erlauben. Allerdings werden die laserspezifischen Eigenschaften
des Yb:YAG von anderen Materialien deutlich übertroffen. Z.B. ist Ytterbium
dotiertes Kalium-Yttrium-Wolframat (Yb:KYW) mit der chemischen Formel
Yb:KY(WO4)2 für seine
hohen Absorptions- und Emissionsquerschnitte bekannt. Jedoch ist
die Fertigung der vorzugsweise sehr dünnen Laserscheiben aus dem
Lasermaterial Yb:KYW in der Praxis äußerst schwierig, da dieses
Material eine relativ geringe Härte
und nur wenig mechanische Festigkeit aufweist.
-
Beim
Betrieb von Laservorrichtungen mit herkömmlichen Lasermaterialien mit
guten laserspezifischen Eigenschaften in Scheibenform treten häufig folgende
Probleme auf. So führen
die eingangs erwähnten
thermisch bedingten Verformungen selbst bei auf weichen Zwischenschichten
gelagerten Laserscheiben nicht selten zu Sprüngen oder Brüchen in
den Kristallen. Auch die Lagerung von Kristallscheiben auf einem
Kühlflüssigkeitsfilm
ist kritisch und führt
insbesondere bei sehr dünnen
Scheiben oft zu einer Zerstörung
des Kristalls.
-
Es
besteht daher in der Lasertechnik ein Bedarf nach Laservorrichtungen
mit scheibenförmigen Lasermaterialien,
die sehr gute mechanische Eigenschaften, wie das weitverbreitete
Yb:YAG, aufweisen und gleichzeitig im Vergleich zu Yb:YAG deutlich
bessere laserspezifische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere ist
es gewünscht, über Lasermaterialien mit
hohen Absorptions- und Emissionsquerschnitten zu verfügen, aus
denen man möglichst
dünne Scheiben
herstellen kann, die in Laservorrichtungen einsetzbar, in diesen
dauerhaft verwendbar und gegebenenfalls auch austauschbar sind ohne
zu springen oder zu zerbrechen.
-
Folglich
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laservorrichtungen
mit gegenüber dem
Stand der Technik verbesserten scheibenförmigen Lasermaterialien bereitzustellen,
sowie ein Verfahren zur Herstellung verbesserter scheibenförmiger Lasermaterialien
für solche
Laservorrichtungen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Verwendung eines Laserkristalls mit der chemischen Zusammensetzung
MIRIIIX(WO4)2, wobei MI für
ein Alkalimetall, RIII für ein Lanthanoid und X für laseraktive
Ionen steht, mit denen das Material dotiert ist, und wobei das Material
in Form einer Scheibe vorgesehen ist.
-
Das
Grundgerüst
dieses Materials ist MIRIII(WO4)2, wobei RIII für
wenigstens ein Element aus der Gruppe der Lanthanoide steht, die
die Elemente Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd),
Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd),
Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium
(Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu) umfaßt. Dieses Grundgerüst ist mit
aktiven Laserionen dotiert, wobei die aktiven Laserionen vorzugsweise
unter Yb3+, Nd3+,
Er3+, Ho3+, Tm3+, Pr3+ ausgewählt sind.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
ist das Alkalimetall (MI) unter Lithium,
Natrium, Rubidium und Cäsium
ausgewählt.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist MI Natrium (Na).
-
Vorzugsweise
ist das in erfindungsgemäßen Vorrichtungen
verwendete Lasermaterial kongruentschmelzend. Unter einem kongruentschmelzenden Material
wird hier ein Material verstanden, daß aus einer Verbindung besteht,
die nicht bereits unterhalb ihres Schmelzpunktes in ihre Komponenten
dissoziiert, sondern erst im Moment der Schmelze in ihre Komponenten
zerfällt,
wobei feste und flüssige
Phase die gleiche Gleichgewichtszusammensetzung aufweisen.
-
Durch
eine Vielzahl von Versuchen konnte nachgewiesen werden, daß das in
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehene Wolframatmaterial nicht nur sehr gute laserspezifische
sondern auch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist,
die es ermöglichen,
auch sehr dünne
Lasermedien zu verwenden, die über
genügend
mechanische Festigkeit verfügen,
um für
die üblichen
Anwendungen als Scheibenlaser einsetzbar zu sein. Das bedeutet,
daß die
Verarbeitung des Materials der vorgenannten Zusammensetzung zu Scheiben
von sehr geringer Dicke möglich
ist, wobei von einem Kristallkörper
aus einem der beanspruchten Materialien Scheiben von sehr geringer
Dicke leicht abgeschnitten und anschließend poliert werden können, ohne daß das Material
hierbei beschädigt
wird. So treten beim Polieren solcher Scheiben deutlich weniger Kantenausbrüche als
beim Polieren herkömmlicher Materialien
auf, und die anisotropen Eigenschaften der polierten Flächen sind
sehr viel geringer ausgeprägt
als beispielsweise bei Yb:KYW.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung weist die Lasermaterialscheibe vorzugsweise eine Dicke
von < 3 mm auf.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen
beträgt
die Dicke der Laserscheibe zwischen 0,5 μm und 1 mm und liegt bei speziellen
Ausführungsformen
dieser Erfindung in einem Bereich zwischen 5 und 250 μm.
-
Unter
einer Scheibe wird hier ein Körper
verstanden, dessen mittlere Dicke um ein Vielfaches geringer ist
als dessen Länge
und Breite. Die äußere Form
des Körpers
ist dabei grundsätzlich
irrelevant. So werden von dieser Definition Körper mit einer dreieckigen,
rechteckigen, vieleckigen oder runden Grundfläche umfaßt, sowie auch solche Körper deren
Dicke nicht über
den gesamten Körper
konstant ist. Im engeren Sinne wird hierin unter der Bezeichnung
Scheibe ein Körper
entsprechend der vorgenannten Definition mit einer symmetrischen
Grundfläche
verstanden, wobei die Flächen
der Ober- bzw. Unterseite der Scheibe planar bis leicht gewölbt sind.
-
Vorzugsweise
wird das Kristallmaterial gemäß der Erfindung
in kreisförmige
bis ovale Scheiben geschnitten. Bei kreisförmigen Scheiben ist es besonders
bevorzugt, wenn das Verhältnis
des Durchmessers der Scheibe D zur Dicke der Scheibe L größer als
4,9 ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Durchmesser
der Scheibe D in dem Bereich zwischen 1 und 51 mm liegt, bevorzugt im
Bereich zwischen 2 und 30 mm liegt und besonders bevorzugt im Bereich
zwischen 3 und 20 mm liegt.
-
Um
möglichst
ebene Oberflächen
der Laserscheibe zu erhalten, ist es besonders bevorzugt, wenn wenigstens
ein Teil der Oberfläche
der Scheibe poliert ist. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet,
daß die
Oberfläche der
Scheibe wenigstens teilweise entspiegelt bzw. vergütet oder
mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist. Auf der dem
Kühlelement
gegenüber liegenden
Seite der Laserscheibe ist die Oberfläche der Scheibe vorzugsweise
entspiegelt. Auf der dem Kühlelement
zugewandten Seite ist die Laserscheibe vorzugsweise mit einer Beschichtung
versehen, die sowohl für
die Pumpwellenlänge
als auch für
die emittierte Laserwellenlänge
hoch reflektierend ist.
-
Bei
einer speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Lanthanoid in der obengenannten
chemischen Zusammensetzung Gadolinium (Gd). Vorzugsweise sind diese
Materialien mit den aktiven Laserionen Yb3+ oder
Nd3+ dotiert.
-
Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lasers
verwendet ein Material mit der allgemeinen Formel NaGd1-xYbx(WO4)2 auf,
wobei x vorzugsweise einen Wert zwischen 0 und 1 einnimmt. Besonders
bevorzugt ist ein Wert für
x zwischen 0,01 und 0,4 und insbesondere bevorzugt ist ein Wert
für x zwischen
0,05 und 0,25.
-
Eine
anderer bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Lasers
verwendet ein Material mit einer Nd3+-Dotierung
und wird durch die allgemeine Formel NaGd1-xNdx(WO4)2 beschrieben,
wobei x vorzugsweise einen Wert zwischen 0 und 0,2 einnimmt. Besonders
bevorzugt ist bei diesem Material ein Wert für x zwischen 0,001 und 0,1
und insbesondere bevorzugt ist ein x-Wert zwischen 0,005 und 0,05.
-
Bei
einer weiteren speziellen Ausführungsform
der Erfindung ist in dem Lasermaterial als Lanthanoid Lanthan (La)
enthalten. Vorzugsweise weisen diese Materialien eine Dotierung
mit Ytterbium (Yb3+) oder Neodym (Nd3+) auf. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
dieses Materials ist mit Ytterbium dotiert und wird durch die allgemeine
Formel NaLa1-xYbx(WO4)2 beschrieben,
wobei x vorzugsweise einen Wert zwischen 0 und 1 aufweist. Insbesondere
ist es bevorzugt, daß der
Wert von x zwischen 0,01 und 0,4 liegt und besonders bevorzugt ist ein
x-Wert zwischen 0,05 und 0,25.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Material der vorgenannten Art weist eine Dotierung
mit Neodym auf und seine allgemeine Formel lautet NaLa1-xNdx(WO4)2. Der
Wert für
x liegt bei dieser Ausführungsform
vorzugsweise zwischen 0 und 0,2 und besonders bevorzugt zwischen
0,001 und 0,1. Insbesondere ist ein x-Wert zwischen 0,005 und 0,05
bevorzugt.
-
Es
versteht sich, daß auch
segmentierte oder mittels Bonding zusammengesetzte Laserkristalle
verwendet werden können.
Dadurch ist es möglich,
Laserkristalle mit undotierten Enden bzw. Endschichten einzusetzen.
Bei solchen zusammengesetzten Lasermaterialien, die aus einem dotierten Segment
der vorgenannten chemischen Zusammensetzung (z.B.: NaGd1-xNdx(WO4)2)
und einem undotierten Segment auf der Basis der entsprechenden chemischen
Zusammensetzung (z.B.: NaGd(WO4)2) bestehen, können sich die Grundzustandsabsorption sowie
thermische Linseneffekte reduzieren. Außerdem verbleiben die Beschichtungen
an den undotierten Enden bei niedriger Temperatur und sind daher keinen
störenden
thermisch induzierten Verspannungen ausgesetzt. Der durch die Schnittstelle
zwischen dotiertem und undotiertem Segment induzierte Streuverlust
ist meist vernachlässigbar.
-
Solche
zusammengesetzten Kristalle können
in manchen Fällen
die Effizienz von dünnen Scheibenlasern
weiter steigern. Die erhöhte
mechanische Stabilität
von Materialien der hierin beschriebenen chemischen Zusammensetzungen
erweitert die Möglichkeiten
bei der Herstellung der vorgenannten gebondeten oder segmentierten
Lasermaterialien erheblich.
-
Um
das in der erfindungsgemäßen Laservorrichtung
vorgesehene Wolframatmaterial in Kristallform, vorzugsweise in Form
eines Einkristalls, zu erhalten, wird des weiteren ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen kristallinen Materials bereitgestellt.
-
Zur
Herstellung dieses Materials wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
aus einer Schmelze mit der chemischen Zusammensetzung MIRIIIX(WO4)2 nach dem Czochralski-Verfahren ein Kristall
gezüchtet,
wobei MI ein Alkalimetall, vorzugsweise
Lithium, Natrium, Rubidium, Cäsium,
besonders bevorzugt Natrium, RIII wenigstens
ein Lanthanoid ist und X laseraktive Ionen sind. Vorzugsweise ist
das Lanthanoid Gadolinium (Gd) oder Lanthan (La). Als laseraktive
Ionen werden für
die Dotierung vorzugsweise Ytterbium (Yb) bzw. Neodym (Nd) verwendet.
Die Züchtungstemperatur
beträgt
bei diesen bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
etwa 1.200 bis 1.300 °C.
-
Im
Anschluß an
die Züchtung
des Kristalls, die in der Regel nach etwa 14 Tagen abgeschlossen ist,
werden die Kristallachsen (im Falle von Yb-dotiertem NaGd(WO)4) des gezüchteten Kristalls bestimmt,
und anschließend
wird entsprechend der Kristallachsen ein Stab des gewünschten
Durchmessers aus dem gezüchteten
Kristall herausgebohrt. Von diesem Kristallstab werden dann Scheiben
in gewünschter
Schichtdicke abgeschnitten und die so erhaltenen Scheiben poliert.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Lasers
wird das Lasermaterial mit Licht in einem Wellenlängenbereich
von 390 bis 2.100 nm optisch gepumpt. Hierbei werden vorzugsweise
Laseremissionen im Wellenlängenbereich
zwischen 400 und 3000 nm erzeugt.
-
Für Zwecke
der ursprünglichen
Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich
aus der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch
wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen
beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen
mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar
sind, soweit dies nicht ausdrücklich
ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen
unmöglich
oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher
denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und
der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
-
Beispielhaft
für die
sich hieraus ergebenden Kombinationsmöglichkeiten mögen die
folgenden Beispiele betrachtet werden, die darüber hinaus noch zusätzliche
Merkmale und weitere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschreiben.
-
Beispiel 1
-
Züchtung von
NaGd1-xYbx(WO4)2-Kristallen mit
x = 0,01 – 1
aus einer Schmelze mit der selben Zusammensetzung nach dem Czochralski-Verfahren.
-
Die
Züchtungstemperatur
liegt bei ungefähr 1250 °C. Die Schmelze
wird in einem Tiegel aus Iridium oder Platin vorbereitet, wobei
Platintiegel den Vorteil haben, daß in Gegenwart von Umgebungsluft gearbeitet
werden kann. Ein Keimkristall wird in die flüssige Schmelze eingeführt und
die Temperatur so eingestellt, daß der Keim und die Schmelze
im Gleichgewicht sind. Der Kristall wird dann langsam aus der Schmelze
gezogen. Der Durchmesser des Kristalls kann über eine Waage gesteuert werden. Kristalle
mit einem Durchmesser bis zu 40 mm und einer Länge von bis zu 80 mm können in
7 Tagen hergestellt werden. Nach der Züchtung werden diese Kristalle
in ca. 2 Tagen auf 20 °C
abgekühlt.
Sie sind farblos und können
direkt weiterverarbeitet werden.
-
Vor
dem ersten Schritt der Weiterverarbeitung werden die Kristallachsen
bestimmt. Dies kann mittels optischen und röntgenographischen Verfahren
durchgeführt
werden. Die gewünschten
Orientierungen für
Scheiben liegen senkrecht zu den c- oder a-Achsen. Nach dem Ausbohren
eines Stabes mit gewünschter
Achse und gewünschtem
Durchmesser, werden die Scheiben in einer gewünschten Dicke (z. B. 0,35 mm)
abgesägt.
Ein Satz dieser Scheiben wird mit einem doppelseitigen Polierverfahren
geschliffen und poliert. Dabei wird das Endmaß mit einer gewünschten
Dicke (z.B. 130 μm)
sowie die gewünschte
Planität
(z.B.: λ/8
bei einer Emmisionswellenlänge
von λ =
633 nm) er reicht. Auf Wunsch können
Spezialpolituren an einzelnen Scheiben vorgenommen werden, um Oberflächen mit
extrem niedriger Defektdichte zu erzeugen.
-
Besonders
gute mechanische Eigenschaften konnten für x ungefähr gleich 0,05 beobachtet werden.
-
Beispiel 2
-
Züchtung von
NaGd1-xNdx(WO4)2-Kristallen mit
x = 0,001 – 0,2
aus einer Schmelze mit der selben Zusammensetzung nach dem Czochralski-Verfahren,
wie für
Beispiel 1) ausführlich
beschrieben.
-
Beispiel 3
-
Züchtung von
NaLa1-xYbx(WO4)2-Kristallen mit
x = 0,01 – 1
aus einer Schmelze mit der selben Zusammensetzung nach dem Czochralski-Verfahren,
wie für
Beispiel 1) ausführlich
beschrieben.
-
Beispiel 4
-
Züchtung von
NaLa1-xNdx(WO4)2-Kristallen mit
x = 0,001 – 0,2
aus einer Schmelze mit der selben Zusammensetzung nach dem Czochralski-Verfahren,
wie für
Beispiel 1) ausführlich
beschrieben.