DE102005004131B4

DE102005004131B4 - Festkörperlaser mit Kompensation der thermooptischen Effekte

Info

Publication number: DE102005004131B4
Application number: DE102005004131A
Authority: DE
Inventors: Lutz Langhans
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-01-29
Also published as: US20060171433A1; US7349455B2; DE102005004131A1

Abstract

Festkörperlaser mit einem Laserstab (1) mit laseraktivem Material, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Bereiche der Oberfläche des Stabes mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehen sind, die sich durch Pumpstrahlung und Laserstrahlung aufheizen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser für die Materialbearbeitung. In der Materialbearbeitung werden überwiegend Festkörperlaser und CO₂-Laser eingesetzt. Zwar ist die Wellenlänge der Festkörperlaser mit 1 μm für die meisten Anwendungen günstiger, aber bei höheren Leistungen (> 500 W) haben CO₂-Laser wegen ihrer besseren Strahlqualität immer noch Vorteile.
Die schlechtere Strahlqualität von Festkörperlasern hoher Leistung ist bedingt durch thermooptische Effekte im Laserkristall. Beim optischen Pumpen entstehen im Laserkristall thermische Linseneffekte. Der Kristall erwärmt sich durch Absorption der Pumpstrahlung im Volumen, während die Wärmeableitung oder Kühlung über die Oberfläche(n) des Kristalls stattfindet. Dadurch entstehen im Kristall thermische Gradienten und durch thermische Spannungen und das dn/dt (das bei fast allen gängigen Laserkristallen positiv ist) optische Effekte.
Bei einem zylindrischen Laserstab ergibt sich ein radialer Temperaturgradient mit der höchsten Temperatur in der Stabmitte und einem Temperaturabfall zum Rand. Dadurch bekommt der Stab die Eigenschaft einer Sammellinse (bei positivem dn/dt), deren Brennweite u.a. von der Pumpleistung abhängt. Typische Werte für die Brechkraft der thermischen Linse liegen bei 1–3 Dioptrien pro Kilowatt Pumpleistung bei lampengepumpten Nd:YAG Lasern. Außerdem treten Effekte höherer Ordnung auf wie Aberrationen und Spannungsdoppelbrechung. Das alles führt zu gravierenden Verschlechterungen der Strahlqualität bei höheren Leistungen.
Deswegen hat man, seit es Festkörperlaser gibt, nach Möglichkeiten gesucht, diese thermooptischen Effekte zu verringern oder zu kompensieren. Es gibt inzwischen eine Vielzahl von Konzepten dafür, z.B. den Slablaser (US Patente 3,663,126 und 4,214,716), den ES-Laser ( DE 37 25 144 ), den Scheibenlaser ( DE 43 44 227 ) und den Faserlaser (WO 95/10868), um nur die Wichtigsten zu nennen. Lampengepumpte Festkörperlaser mit zylindrischen Kristallstäben (rods) sind immer noch die am meisten genutzten Festkörperlaser, aber für diese Bauart gibt es bisher noch kein befriedigendes Konzept zur Kompensation der thermooptischen Effekte.
Anhand der Entstehungserklärung der thermischen Linse erkennt man, dass ein umgekehrter radialer Gradient im Stab, d.h. am Rand höhere Temperaturen als in der Mitte, eine thermische Linse mit negativer Brennweite erzeugen würde. Wenn man also zum Beispiel die Stabenden auf eine gewisse Länge am Umfang nicht kühlen sondern heizen würde, könnte man dort negative thermische Linsen erzeugen.
Diese negativen Linsen könnten die positive thermische Linse des optisch gepumpten Mittelteils des Laserstabes zumindestens teilweise kompensieren, ebenso die Spannungsdoppelbrechung.
Die Stabenden könnte man z.B. durch Heizwicklungen oder Heizfolien aufheizen. Da die positive thermische Linse des Stabes annähernd proportional zur Pumpleistung ist, müßte auch die Heizleistung der Stabenden proportional zur Pumpleistung geregelt werden.
Eine aktive Heizung der Stabenden mit entsprechender Regelung ist allerdings ziemlich schwierig und aufwändig.

Die DE 19510713 C2 beschreibt eine Methode, bei der durch dem Laserkörper zugeordneten, auf Wärmeleitung beruhenden Mitteln, welche aktiv geheizt oder gekühlt werden, ein bestimmtes Temperaturprofil ezeugt werden kann.

Die DE 19521943 C2 beschreibt ebenfalls eine aktiv geheizte oder gekühlte Vorrichtung zur Einstellung eines Temperaturprofils in Längsrichtung des Laserkörpers.

Noch aufwändiger ist eine Anordnung, die in EP 202322 B1 beschrieben ist. Hier werden zwei Kompensatoren vorgeschlagen, die mit Temperatursensoren und aktiver Heizung/Kühlung versehen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Konzept anzugeben, wie sich die thermooptischen Effekte in einem Festkörperlasersteb nahezu vollständig kompensieren lassen, ohne aktive oder geregelte Heizung oder Kühlung und ohne zusätzliche optische Elemente im Resonator. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1–3 angegebenen Merkmale der Erfindung gelöst.

Eine einfachere Möglichkeit wäre eine passive Heizung der Stabenden. Wenn man die Enden auf eine gewisse Länge nicht kühlt (d.h. wenn die Enden nicht im Kühlwasser liegen) und die Mantelfläche mit einem stark absorbierenden Material beschichtet, wird sich die Oberfläche durch Pumpstrahlung und Streustrahlung aufheizen. Diese Strahlungsheizung wäre automatisch proportional zur Pumpleistung und trotzdem technisch sehr einfach, und würde an den Stabenden einen umgekehrten thermischen Gradienten erzeugen.

Die Pump- und Streustrahlung, die auf diese absorbierenden Oberflächenbereiche trifft, reicht aber nicht aus, um die thermischen Effekte im mittleren Teil des Stabes vollständig zu kompensieren. Die thermische Linse des gesamten Stabes lässt sich so nur um etwa 20 verringern.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Mantelfläche nicht nur im Bereich der Enden zu beschichten und damit aufzuheizen, sondern auch im mittleren Bereich des Stabes eine oder sogar mehrere absorbierende Zonen vorzusehen. Die Aufheizung durch das Pumplicht ist in diesem Bereich natürlich erheblich stärker. Da dieser Teil des Stabes aber im Kühlwasser liegt, muss zusätzlich zur absorbierenden Schicht noch eine thermische Isolierschicht aufgebracht werden, sonst würde im Wesentlichen das Kühlwasser aufgeheizt werden und weniger der Stab. Diese Isolierschicht muss natürlich für die Pumpstrahlung transparent sein.

Durch eine geeignete Dimensionierung der beschichteten und dadurch geheizten Bereiche an den Enden und im mittleren Bereich eines Laserstabes („hot rod") lassen sich die thermooptischen Effekte vollständig kompensieren.

Es ließe sich sogar eine Überkompensation erreichen. Das könnte von Vorteil sein, um die optische Belastung der Resonatorspiegel zu verringern. Ohne Kompensation ist bei Festkörperlasern die positive thermische Brechkraft der Linse ungefähr proportional zu Pumpleistung (und damit zur Laserleistung). Mit steigender Brechkraft verringert sich der Laserstrahldurchmesser auf den Resonatorspiegeln, sodass bei maximaler Pumpleistung auf den Spiegeln eine sehr hohe Leistungsdichte entsteht durch maximale Laserleistung und minimale Strahldurchmesser. Bei einem überkompensierten Stab wäre der Laserstrahldurchmesser auf den Resonatorspiegeln bei maximaler Pump- und Laserleistung auch maximal und die Leistungsdichte daher deutlich verringert.

Die 1 zeigt einen zylindrischen Festkörperlaserstab 1 mit absorbierend beschichteten Bereichen 2 und 3 an den Enden, sowie mit einem absorbierend beschichteten Bereich 4 im mittleren Teil, der nochmal mit einer für die Pumpstrahlung transparenten Schicht 5 abgedeckt ist.

Claims

Festkörperlaser mit einem Laserstab (1) mit laseraktivem Material, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Bereiche der Oberfläche des Stabes mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehen sind, die sich durch Pumpstrahlung und Laserstrahlung aufheizen.
Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich oder Bereiche (2, 3) der Oberfläche an den Enden des Stabes mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehen sind.
Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Bereiche der Oberfläche im mittleren Bereich des Stabes mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehen sind, und dass darüber jeweils noch eine transparente, thermisch isolierende Schicht aufgebracht ist.