DE102007027680B3

DE102007027680B3 - Laserresonator zur Erzeugung von UV-Strahlung mittels resonatorinterner Frequenzkonversion mit gasdichtem Gehäuse

Info

Publication number: DE102007027680B3
Application number: DE102007027680A
Authority: DE
Inventors: Roger Dipl.-Ing. Kugel; Jörg Dr. Lawrenz-Stolz; Jörn Dipl.-Ing. Wollenzin; Jürgen Dipl.-Ing. Rosperich; Rüdiger von Dr. Elm
Original assignee: Coherent GmbH
Current assignee: Coherent GmbH
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-06-16

Abstract

Beschrieben wird ein Laserresonator zur Erzeugung von UV-Laserstrahlung mittels resonatorinterner Frequenzkonversion, mit zwei Resonatorendspiegeln, zwischen denen ein optisch anregbares Lasermedium zur Erzeugung eines Fundamentallaserstrahls mit einer im sichtbaren oder IR-Spektralbereich liegenden Fundamentalwellenlänge sowie eine optisch nicht lineare Anordnung vorgesehen sind, die zumindest einen Teil des Fundamentallaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer im UV-Spektralbereich liegenden Wellenlänge konvertiert sowie mit einem wellenlängenselektiven Strahlteiler, der den UV-Laserstrahl räumlich vom Fundamentallaserstrahl trennt, wobei zumindest jener Teil des Resonators, längs dem sich der UV-Laserstrahl ausbildet und ausbreitet von einem Gehäuse gasdicht umschlossen ist, und das Gehäuse ein Auskoppelelement vorsieht, durch das der UV-Laserstrahl extrakavitär, d. h. aus dem Gehäuse, austritt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse eine Gehäusewand aufweist, die ein vom Gehäuse umschlossenes Volumen gasdicht einschließt und die eine Ausnehmung vorsieht, dass die Ausnehmung von einer Metallmembran abgedeckt ist, die mit der Gehäusewand gasdicht verbunden ist, dass die Metallmembran eine dem Gehäuseinneren zugewandte Membraninnenseite und eine vom Gehäuse abgewandte Membranaußenseite aufweist, dass die Membraninnenseite mit einer thermisch zu stabilisierenden Einheit in thermischen Kontakt steht und dass die Membranaußenseite mit einer ...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserresonator zur Erzeugung von UV-Laserlicht mittels resonatorinterner Frequenzkonversion, mittels zweier Resonatorendspiegel, zwischen denen ein optisch anregbares Lasermedium zur Erzeugung eines Fundamentallaserstrahls mit einer im sichtbaren oder IR-Spektralbereich liegenden Fundamentalwellenlänge sowie eine optisch nicht lineare Anordnung vorgesehen sind, die zumindest einen Teil des Fundamentallaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer im UV-Spektralbereich liegenden Wellenlänge konvertiert, sowie mit einem wellenlängenselektiven Strahlteiler, der den UV-Laserstrahl räumlich vom Fundamentallaserstrahl trennt.
Stand der Technik
Kommerziell erhältliche Laseranordnungen zur Erzeugung ultravioletter Laserstrahlung im Bereich mehrerer Watt Ausgangsleistung basieren entweder auf Gasentladungsprozessen, bei denen Licht im ultravioletten Spektralbereich unmittelbar emittiert wird, beispielsweise mittels Excimer-Laser oder F₂-Laser, oder sehen die Verwendung von im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich emittierenden Lasersystemen vor, deren Emissionswellenlänge nachfolgend im Wege der Frequenzkonversion, d. h. durch Nutzung optisch nicht linearer Systeme, wie beispielsweise frequenzverdoppelnde, -verdreifachende oder -vervierfachende Kristallanordnungen, in den ultravioletten Spektralbereich umgewandelt wird.
Die weiteren Ausführungen beschränken sich auf Lasersysteme der zuletzt genannten Gattung und beschreiben darüber hinaus ausschließlich Laserresonatoren mit resonatorinterner Frequenzkonversion.
Ein derartiger Laserresonator geht beispielsweise aus der US-PS 5,278,852 hervor, der zwischen zwei Resonatorendspiegeln ein laseraktives Medium, beispielsweise ein Neodym-YAG-Kristall, zur Erzeugung eines Fundamentallaserstrahls mit einer Wellenlänge von 1064 nm vorsieht. Ferner sind innerhalb des Laserresonators zwei optisch nicht lineare Kristalle angeordnet, mit denen eine Frequenzverdoppelung sowie Frequenzmischung durchgeführt wird. So können auf diese Weise ausgehend von der Fundamentalwellenlänge von 1064 nm höher harmonische Wellenlängen erzeugt werden, d. h. 532 nm im Wege der Frequenzverdopplung, 355 nm im Wege einer Frequenzmischung der Fundamentalwellenlänge mit der zweiten Harmonischen, man spricht in diesem Fall auch von einer Frequenzverdreifachung, sowie 266 nm im Wege der Frequenzvervierfachung. Vergleichbar alternative Laserresonatoren zur Erzeugung von UV-Laserstrahlung mittels resonatorinterner Frequenzkonversion können auch der US-PS 6,002,695 , US 5,936,983 sowie der US 5,943,351 , um nur einige zu nennen, entnommen werden.
Sämtlichen Laseranordnungen, mit denen UV-Laserstrahlung erzeugt werden können, haftet die durch die Natur des UV-Lichtes bedingte Problematik an, dass nicht alle optischen Systeme zur Lichtstrahlführung von leistungsstarkem UV-Licht geeignet sind, da sie aufgrund von Absorptionseffekten im Spektralbereich von 400 nm und darunter Erwärmungen bis hin zu Überhitzungen erfahren, die zu irreversiblen Schäden führen können. Überdies treten bei hohen UV-Lichtintensitäten vor allem bedingt durch die Wechselwirkung zwischen UV-Licht und atmosphärischen Bestandteilen photoinduzierte bzw. photochemisch bedingte Ablagerungen an den innerhalb der Resonatoren enthaltenen optischen Komponenten auf, wodurch diese in Bezug auf ihre optischen Abbildungs- und Funktionseigenschaften beeinträchtigt werden und letztlich die Lasereffizienz herabgesetzt wird.
In der DE 10 2004 029 980 A1 wird ein Laser beschrieben, der vollständig innerhalb eines Gehäuses gasdicht untergebracht ist. In dem Gehäuse sind opt. Pumpmodule vorgesehen, die einen Fundamentallaserstrahl, vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 1064 nm erzeugen, der über einen Strahlteiler in ein harmonisches Erzeugungsmodul umgelenkt wird, in dem der Fundamentallaserstrahl frequenzverdoppelt sowie auch verdreifacht wird. Somit umfasst das Gehäuse auch jenen Resonatorbereich, innerhalb dem UV-Laserstrahlung erzeugt wird.
Maßnahmen zum Schutz eines nichtlinear optischen Elementes vor Kristalloberflächenschädigungen im Wege der vorstehend beschriebenen photoinduzierten Reaktionen mit der Umgebungsatmosphäre sind aus der US 2003/0011872 A1 zu entnehmen, die eine Kristallkapselung zum Gegenstand haben. Ähnliche Maßnahmen können der DE 10 2004 017 513 A1 sowie der US 6,002,697 entnommen werden.
Darstellung der Erfindung
Es besteht daher die Aufgabe, einen Laserresonator zur Erzeugung von UV-Laserstrahlung mittels resonatorinterner Frequenzkonversion mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln dahingehend zu modifizieren und zu verbessern, dass jegliche durch das Auftreten von UV-Laserstrahlung hervorgerufene Schädigungen, insbesondere an den resonatorinternen optischen Komponenten, weitgehend ausgeschlossen werden sollen. Insbesondere gilt es zu Zwecken einer möglichst optimierten Konversionseffizienz den nichtlinear optischen Kristall thermostabilisiert zu lagern. Die hierzu zu treffenden Maßnahmen sollen weder die Einsatzmöglichkeiten des Lasers beschränken, noch seine Betriebsbedingungen erschweren. Grundsätzlich soll erreicht werden, dass die Lebensdauer der mit UV-Laserstrahlung beaufschlagten optischen Komponenten, die letztlich lebensdauerbestimmend sind für das gesamte Lasersystem, entscheidend verlängert werden soll.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß ist ein Laserresonator zur Erzeugung von UV-Laserlicht mittels resonatorinterner Frequenzkonversion gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weitergebildet, dass das Gehäuse eine Gehäusewand aufweist, die ein vom Gehäuse umschlossenes Volumen gasdicht einschließt und die eine Ausnehmung vorsieht, dass die Ausnehmung von einer Metallmembran abgedeckt ist, die mit der Gehäusewand gasdicht verbunden ist, dass die Metallmembran eine dem Gehäuseinneren zugewandte Membraninnenseite und eine vom Gehäuse abgewandte Membranaußenseite aufweist, dass die Membraninnenseite mit einer thermisch zu stabilisierenden Einheit in thermischen Kontakt steht und dass die Membranaußenseite mit einer regelbaren Thermoeinheit, zur gezielten Zu- und Abfuhr von Wärme, in thermischen Kontakt steht.
In besonders vorteilhafter Weise wird das Volumen innerhalb des Gehäuses vor Inbetriebnahme des Laserresonators mit aufbereiteten Gasen befüllt, so dass jegliche Absorptionserscheinungen von UV-Licht an Luftbestandteilen auszuschließen sind. Problematisch ist hier beispielsweise eine Kontamination aus Kohlenwasserstoffen und Siloxanen. Diese oder deren Spaltprodukte können die optischen Eigenschaften der optischen Grenzschichten wesentlich verschlechtern. Diese werden im beschriebenen Aufbau weitgehend vermieden, so dass unter weitgehender Beseitigung der bezeichneten Verlustmechanismen mit Hilfe der lösungsgemäßen, den wenigstens UV-Lichtführenden Teil des Laserresonators gasdicht umschließenden Umkapselung leistungsstarke UV-Laserstrahlen erzeugen zu können und dies mit erhöhter Lebensdauer aller für die UV-Lichterzeugung relevanter optischer Elemente.
Um gleichfalls ausschließen zu können, dass sich durch Wechselwirkungen zwischen sämtlichen innerhalb des Resonators enthaltenen Materialoberflächen, sei es die Gehäuseinnenwand, optische Komponenten sowie auch deren Befestigungseinheiten, unter Einfluß von UV-Licht Verunreinigungen im Wege von Ausgasungs- oder Ausdampfungsprozessen ausbilden können, die sich letztlich auf die technischen Oberflächen der die Laserstrahlung beeinflussenden optischen Komponenten niederschlagen können, ist die Wahl der Materialien von sämtlichen innerhalb des Gehäuses eingeschlossenen Komponenten derart zu treffen, dass die Materialien keinerlei Materialdegradationen in Gegenwart von UV-Licht unterliegen dürfen. Dies gilt insbesondere für Haft- und Dichtmittel, die zur Fixierung entsprechender optischer Elemente in Befestigungsvorrichtungen bzw. zur Spaltabdichtung zur Gewährleistung eines gasdichten Gehäuses dienen. So eignen sich hierzu vorzugsweise aus Metall bestehende Dichtungen sowie Bondverbindungen auf Metallbasis. Auch eignen sich keramische Werkstoffe und Gläser als Aufbau- und Verbindungswerkstoffe.
Der lösungsgemäß ausgebildete Laserresonator ist auch deshalb kostengünstig auszuführen, weil lediglich jene Resonatorteile gekapselt werden, längs derer sich UV-Licht ausbreitet, wohingehend jener Resonatorbereich, in dem das laseraktive Medium vorgesehen ist, grundsätzlich offen und frei zugänglich ausgebildet sein kann. Dies erleichtert insbesondere die Zuführung von Pumplicht, zumal die hierfür erforderliche Pumplichtquelle außerhalb des Laserresonators vorzusehen ist, beispielsweise in Form eines Diodenlaserarrays oder eine sonstige zu Pumplichtzwecken geeignete Pumplichtquelle. Besonders geeignete Lasermedien basieren auf mit Neodym oder Praseodym dotierten Kristallen, beispielsweise Nd:YAG, Nd:YVO₄ oder Pr:YLF. Je nach Lasermedium ist die Pumplichtwellenlänge auf die Absorptionscharakteristik des Laseraktiven Kristalls geeignet auszuwählen.
Bezüglich spezieller Ausführungsvarianten eines lösungsgemäß ausgebildeten Laserresonators wird auf die nachstehenden Beschreibungen unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
Insbesondere die von dem Gehäuse eingeschlossene, optisch nichtlineare Anordnung zur Frequenzkonversion der Fundamentalwellenlänge erfordert neben einer räumlich präzisen Positionierung relativ zu dem die Anordnung durchdringenden Fundamentallaserstrahl, eine möglichst stabile Temperierung. So finden Anordnungen doppelbrechender Kristalle zur Frequenzkonversion Einsatz, so beispielsweise KTP, LiNbO, BBO, LBO, um nur einige gängige frequenzverdoppelnde sowie frequenzmischende Kristalle zu nennen. Der Wirkungsgrad der Frequenzkonversion eines Laserstrahls beim Durchgang durch einen derartigen Kristall kann mehr oder weniger von der Kristalltemperatur abhängen, und so bedarf es in den meisten Fällen einer die Kristalle auf einer vorgebbaren konstanten Temperatur haltenden Vorrichtung. In an sich bekannter Weise sehen derartige Thermostatvorrichtungen elektrisch betreibbare Heiz- und Kühlelemente vor, zu deren Betrieb elektrische Zuleitungen erforderlich sind. Dieses Erfordernis wirft jedoch in Verbindung mit dem Resonatorkonzept, bei dem wenigstens ein Teilbereich des Resonators in einem gasdichten Gehäuse untergebracht ist, Probleme auf, zumal eine gasdichte Kabeldurchführung durch eine Gehäusewand, die den entsprechenden Resonatorteil umfasst, technisch als nicht trivial lösbar anzusehen ist, insbesondere im Hinblick darauf, dass jegliche organische Dichtmaterialien, die zu in Verbindung mit UV-Licht zu Ausgasungserscheinungen tendieren, vermieden werden sollen.
Zur Vermeidung des vorstehend skizzierten Problems bzw. zu dessen Lösung sieht die Gehäusewand des Gehäuses hierzu eine Ausnehmung vor, die von einer dünnwandigen Metallmembran, gasdicht abgedichtet ist und dies mit Hilfe UV-Licht resistenter Materialien vorzugsweise mittels einer Löt- oder Bondverbindung. Als Lötmaterialien eignen sich hierzu insbesondere Weichlötmaterialien, wie beispielsweise Indium/Zinn, Indium/Wismut, Wismut/Zinn sowie Kombinationen aus den vorstehenden Stoffverbindungen. Auch ist es möglich die Metalldichtung im Wege einer Bondverbindung mit der übrigen Gehäusewand zu verbinden, beispielsweise unter Verwendung reinen Indiums.
Zur Temperaturstabilisierung, beispielsweise eines optisch nichtlinearen Kristalls, wird dieser, der zumeist in einer Halterung gefasst ist, thermisch innerhalb des Gehäuses an die Metallmembran kontaktiert. An der Aussenseite der Metallmembran hingegen wird eine steuerbare Thermoeinheit angebracht, mit der eine gezielte Zu- und Abfuhr von Wärme möglich ist. Die Metallmembran dient somit zum einen als gasdichte Trennwand zwischen dem Gehäuseinneren und dem äußeren des Gehäuses, zum anderen als thermische Schnittstelle zwischen der Temperatur zu stabilisierenden Einheit, beispielsweise in Form des optisch nichtlinearen Kristalls, und einer außerhalb des Gehäuses vorgesehenen, regelbaren Thermoeinheit.
Um parasitären Wärmefluß zwischen temperierten Kristallhalter und Gehäuse zu vermeiden, ist die Metallmembran derart zu dimensionieren, so dass die Metallmembrandicke sehr viel kleiner ist als ihre laterale Flächenerstreckung, um auf diese Weise zu gewährleisten, dass einerseits ein möglichst optimaler Wärmeübergang von der Außen- zur Innenseite der Metallmembran, andererseits jedoch ein möglichst schlechter, längs zur Metallmembranfläche gerichteter Wärmeaustausch besteht. Wie es im Weiteren noch näher zu erläutern gilt, weist die vorzugsweise aus Chrom-Nickel-Stahl bestehende Metallmembran eine Dicke von einigen 10 μm, vorzugsweise 60 μm bis hin zu 300 μm auf und überdeckt dabei eine Ausnehmung, deren Größe einige cm² bis hin zu einigen dm² Oberfläche aufweisen kann. Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass Temperaturschwankungen des Gehäuses Einfluß auf die Temperatur des Kristalls, und somit der Effizienz der Frequenzkonversion nehmen. Außerdem wird der Wärmeeintrag in das Gehäuse minimiert.
Selbstverständlich ist es möglich auf die vorstehende Weise sämtliche innerhalb des Resonators vorhandenen, zumeist optische Komponenten, die eine Temperierung erfordern, mit einer entsprechend vorgesehenen Metallmembran thermisch zu kontaktieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 schematisierter Aufbau eines Laserresonators mit resonatorinterner Frequenzverdopplung und -mischung zur Erzeugung von UV-Laserstrahlung,
2 alternativer Resonatoraufbau mit resonatorinterner Frequenzverdopplung, sowie
3 Längsschnittsdarstellung durch ein thermisch gekoppeltes resonatorintern vorgesehenes optisches Element über eine Metallmembran längs der Gehäusewand.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist ein schematisierter Laserresonator dargestellt, der zwei Laserresonatorendspiegel 1, 2 vorsieht, zwischen denen ein laseraktives Medium 3, vorzugsweise Nd:YAG, Nd:YVO4 oder Pr:YLF vorgesehen ist, das von einer außerhalb des Laserresonator befindlichen Pumplichtquelle (nicht dargestellt) optisch angeregt wird. Hierzu ist ein wellenlängenselektives Element in Form eines dichroitischen Spiegels 4 innerhalb des Laserresonators vorgesehen, der durchlässig für einen geeigneten Pumplichtstrahl 5 jedoch hochreflektierend ausgebildet ist für den durch optische Anregung innerhalb des Lasermediums 3 erzeugbaren Fundamentallaserstrahl 5, der an der Oberfläche des dichroitischen Spiegels 4 vollständig in der in 1 angegebenen Weise reflektiert wird. Optional kann zu Zwecken einer extern vorgebbaren Güteschaltung des Laserresonators ein Q-Switch-Element 7 vorgesehen werden, durch den leistungsstarke Laserimpulse erzeugbar sind. Unter Annahme, dass das Lasermedium 3 ein Nd:YAG-Kristall ist, weist der Fundamentallaserstrahl 6 eine Wellenlänge von 1064 nm auf und tritt über eine innerhalb des Resonators vorgesehene optische Abbildungseinheit 8 durch ein Eintrittsfenster 9 in ein von einem Gehäuse 10 gasdicht umschlossenes Volumen V ein, in dem der im Weiteren zu beschreibenden Resonatorteil, längs dem im Wege der Frequenzkonversion UV-Laserlicht erzeugt und geführt wird, enthalten ist.
Vom Gehäuse 10 umschlossen ist der Resonatorendspiegel 2, an dem der Fundamentallaserstrahl 6 reflektiert wird. In Strahlrichtung des am Resonatorenspiegel 2 reflektierten Fundamentallaserstrahls ist dem Resonatorendspiegel 2 nachfolgend ein nichtlinear optischer Kristall 11 zur Frequenzverdopplung vorgesehen, durch den die Wellenlänge eines Teils des Fundamentallaserstrahls 6 im Wege der Frequenzverdopplung auf 532 nm konvertiert wird. Im Weiteren ist im Strahlverlauf von rechts nach links ein frequenzverdreifachender Kristall 12 vorgesehen, der eine Mischung des Fundamentallaserstrahls 6 mit dem frequenzverdoppelnden Laserstrahl vornimmt, wodurch ein UV-Laserstrahl mit einer Wellenlänge typischerweise von 355 nm erzeugt wird. Der aus dem frequenzverdreifachenden Kristall 12 nach links austretende UV-Laserstrahl 13 trifft auf einen wellenlängenselektiven Strahlteiler 14, vorzugsweise in Form eines dichroitischen Spiegels, der den UV-Laserstrahl 13 senkrecht nach oben über ein entsprechendes Auskoppelfenster 15 aus dem Gehäuse 10 auskoppelt. Gleichsam dem Eintrittsfenster 9 ist auch das Austrittsfenster 15 gasdicht mit der Gehäusewand des Gehäuses 10 verbunden. Der sich von rechts nach links ausbreitende Fundamentallaserstrahl 6 durchläuft den dichroitischen Spiegel 14 nahezu verlustfrei und verlässt das Gehäuse 10 über das Eintrittsfenster 9 längs des in 1 dargestellten Resonatorastes.
Der in 1 dargestellte Laserresonator verfügt somit über zwei Bereiche, nämlich einen „ungeschützten", lediglich staubfreien Bereich, längs dem sich ausschließlich der Fundamentallaserstrahl 6 ausbreitet, der über eine Wellenlänge verfügt, die als unproblematisch betrachtet werden kann im Hinblick auf Wechselwirkungen mit den längs des Strahlverlaufes vorgesehenen optischen Elementen, insbesondere auch unbedenklich hinsichtlich der Wechselwirkung mit den atmosphärischen Umgebungsbestandteilen. Der zweite Laserresonatorbereich weist hingegen eine gasdichte Kapselung durch das Gehäuse 10 auf, das eben jene optischen Bestandteile des Laserresonators umfasst, die vom dem UV-Laserstrahl beaufschlagt werden. So ist das diesen zweiten Bereich gasdicht umhüllende Gehäuse 10 vorzugsweise mit chemisch gereinigten Gasen befüllt oder evakuiert, so dass möglichst keinerlei Verlustmechanismen in Bezug auf die Erzeugung und Ausbreitung von UV-Laserstrahlung innerhalb des Gehäuses auftreten. Auch sind jegliche innerhalb des Gehäuses eingebrachte Materialien inert bzw. resistent gegenüber der Wechselwirkung mit UV-Licht, so dass keinerlei, wie aus dem Stand der Technik bekannt, schadhafte Oberflächenkontaminationen, insbesondere an optisch wirksamen Oberflächen entstehen können.
Die Gehäusewand des Gehäuses 10 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gefertigt, beispielsweise aus Edelstahl, Invar oder Aluminium. Die in der Gehäusewand 10 integrierten Ein- bzw. Austrittsfenster 9, 15 sind vorzugsweise über Metalldichtungen, beispielsweise über Indium-Bondverbindungen gasdicht mit dem Gehäuse 10 verbunden und enthalten somit ebenfalls keinerlei Materialien, die in Gegenwart oder in Wechselwirkung mit UV-Strahlung zu schadhaften Materialdegradationen führen könnten.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Laserresonator mit resonatorinterner Frequenzkonversion ist in 2 dargestellt, bei dem im Unterschied zum Laserresonator gemäß 1 das Lasermedium 3 aus einem Praseodym-dotierten Kristall, vorzugsweise Pr:YLF besteht, so dass ein Fundamentallaserstrahl mit einer Wellenlänge beispielsweise von 720 nm im Wege optischer Anregung mit einem entsprechend gewählten Pumplichtstrahl 5 erzeugbar ist. Der im sichtbaren Spektralbereich liegende Fundamentallaserstrahl 6 tritt gleichsam über das Eintrittsfenster 9 in das Innere des Gehäuses 10 ein und passiert einen dichroitischen Strahlteiler 14 nahezu verlustfrei und wird im Weiteren mit Hilfe eines frequenzverdoppelnden Kristalls 11 zumindest teilweise frequenzverdoppelt, so dass am Laserresonatorendspiegel 2 sowohl der Fundamentallaserstrahl 6 als auch der frequenzverdoppelte UV-Laserstrahl 13 reflektiert werden. Im Rücklauf wird der UV-Laserstrahl 13 am dichroitischen Strahlteiler 14 räumlich vom Fundamentallaserstrahl 6 getrennt und verlässt das Gehäuse 10 über das Austrittsfenster 15. Auf die übrigen Komponenten des Laserresonators mit jeweils identischen Bezugszeichen verglichen zum Ausführungsbeispiel zu 1 wird auf dieses verwiesen um Wiederholungen zu vermeiden.
In 3 ist eine lösungsgemäße Ausgestaltung des Gehäuses 10 bzw. dessen Gehäusewand 10', gemäß den Ausführungen zu den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 dargestellt. So ist es für manche optisch nichtlineare Kristalle – sowie auch für einige weitere optische Komponenten – erforderlich, für eine konstante Betriebstemperatur zu sorgen, um Kriterien zur Phasenanpassung zwischen den sich innerhalb des Kristalls ausbreitenden Strahlungskomponenten zu Zwecken einer effektiven Frequenzkonversion zu erfüllen. Von besonderer Bedeutung ist, wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass das Gehäuse 10 gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Insofern würden im Inneren des Gehäuses vorzusehende, elektrisch betriebene Thermostateinheiten durch die Gehäusewand hindurch zuführende elektrische Versorgungsleitungen erfordern, deren gasdichte Gehäusewanddurchführung, bzw. anorganische elektrische Isolierung, technische Probleme bereiten würde. Um diese Problematik zu umgehen, sieht das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eine leitungslose thermische Kopplung längs eines Bereiches innerhalb der Gehäusewand 10' vor. So sei zum besseren Verständnis des Längsschnittes in 3 angenommen, dass der oberhalb der Gehäusewand 10' befindliche Raumbereich V jener ist, der von dem Gehäuse gasdicht umschlossen ist, wohingegen der untere Bereich dem atmosphärischen Umgebungsbereich entspricht. Die Gehäusewand 10' weist eine Ausnehmung 16 auf, die innwandig von einer Metallmembran 17 abgedeckt ist. Die Metallmembran 17 liegt hierbei bündig in einer, in der Gehäusewand 10' eingearbeiteten Aufnahmenut 16' auf, in der die Metallmembran 17 mittels einer Weichlotverbindung 18 gasdicht mit der Gehäusewand 10' verbunden ist. Die vorzugsweise aus Edelstahl bestehende Metallmembran 17 weist typischerweise eine Membrandicke von 60 μm und eine laterale Membranerstreckung von einigen cm bis hin zu einigen dm auf und ist aus Gründen einer besseren Oberflächenbenetzbarkeit mit dem Lotmaterial mit Gold oder einer Goldmittelverbindung oberflächenbeschichtet.
Unmittelbar auf der dem Gehäuseinneren V zugewandten Seite der Metallmembran 17 ist gleichfalls über eine Weichlotverbindung 18 die Befestigungsvorrichtung 19 eines optisch nichtlinearen Kristalls 11 oder eines anderweitigen optischen Elementes vorgesehen, so dass diese in einem unmittelbaren körperlichen und insofern auch guten thermischen Kontakt zur Metallmembran 17 steht. An der Unterseite der Metallmembran 17 ist eine steuerbare Thermoeinheit 20 vorgesehen, die gleichfalls über eine Weichlotschicht 18 mit der Metallmembranaußenseite bzw. -unterseite innig verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Thermoelementes 20 sieht dieses eine über die Weichlotverbindung 18 mit der Metallmembranunterseite verbundene, aus einer Aluminiumnitridkeramik gefertigte, wärmeleitende Platte 21 auf, an der ein Temperatursensor 22, beispielsweise ein NTC-Widerstand angebracht ist. Gleichfalls mit der Platte 21 ist ein elektrisches Heiz- bzw. Kühlelement 23 vorgesehen, beispielsweise ein Peltierelement, das in Abhängigkeit der festgestellten Temperatur entsprechend geregelt wird. Die hierfür erforderlichen elektrischen Verbindungsleitungen 24 können problemlos zu einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit geführt werden. Zur Abfuhr von Abwärme und zur mechanischen Halterung der elektrischen Thermokomponenten dient ein Sockelelement 25, mit dem das Thermoelement 20 an der Außenseite des Gehäuses 10 verbunden ist.
Alle Komponenten oberhalb der in 3 dargestellten Metallmembran 17 befinden sich innerhalb des vom Gehäuse 10 umgebenden Volumens V und sind somit der UV-Strahlung ausgesetzt. Alle unterhalb der Metallmembran 17 enthaltenen Komponenten können grundsätzlich mit konventionellen Materialien, an die keinerlei Anforderungen hinsichtlich UV-Licht-Resistenz gestellt werden müssen, gefertigt sein.

1, 2: Laserresonatorendspiegel
3: Lasermedium
4: Strahlteiler
5: Pumplichtstrahl
6: Fundamentallaserstrahl
7: Güteschalter
8: intrakavitäre Abbildungseinheit
9: Eintrittsfenster
10: Gehäuse
10': Gehäusewand
11: Frequenzverdoppler
12: Frequenzmischer
13: UV-Laserstrahl
14: wellenselektiver Strahlteiler
15: Austrittsfenster
16: Ausnehmung
17: Metallmembran
18: Weichlotverbindung
19: Befestigungsvorrichtung
20: Thermoelement
21: wärmeleitfähige Platte
22: Thermosensor
23: elektrisches Heiz-Kühlelement
24: elektrische Versorgungsleitungen
25: Sockelelement

Claims

Laserresonator zur Erzeugung von UV-Laserstrahlung mittels resonatorinterner Frequenzkonversion, mit zwei Resonatorendspiegeln, zwischen denen ein optisch anregbares Lasermedium zur Erzeugung eines Fundamentallaserstrahls mit einer im sichtbaren oder IR-Spektralbereich liegenden Fundamentalwellenlänge sowie eine optisch nicht lineare Anordnung vorgesehen sind, die zumindest einen Teil des Fundamentallaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer im UV-Spektralbereich liegenden Wellenlänge konvertiert sowie mit einem Wellenlängenselektiven Strahlteiler, der den UV-Laserstrahl räumlich vom Fundamentallaserstrahl trennt, wobei zumindest jener Teil des Resonators, längs dem sich der UV-Laserstrahl ausbildet und ausbreitet von einem Gehäuse gasdicht umschlossen ist, und das Gehäuse ein Auskoppelelement vorsieht, durch das der UV-Laserstrahl extrakavitär, d. h. aus dem Gehäuse, austritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Gehäusewand aufweist, die ein vom Gehäuse umschlossenes Volumen gasdicht einschließt und die eine Ausnehmung vorsieht, dass die Ausnehmung von einer Metallmembran abgedeckt ist, die mit der Gehäusewand gasdicht verbunden ist, dass die Metallmembran eine dem Gehäuseinneren zugewandte Membraninnenseite und eine vom Gehäuse abgewandte Membranaußenseite aufweist, dass die Membraninnenseite mit einer thermisch zu stabilisierenden Einheit in thermischem Kontakt steht und dass die Membranaußenseite mit einer regelbaren Thermoeinheit, zur gezielten Zu- und Abfuhr von Wärme, in thermischem Kontakt steht.
Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die optisch nicht lineare Anordnung sowie ein Resonatorendspiegel innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, an dem zumindest der Fundamentallaserstrahl in Reflexion auftrifft.
Laserresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch anregbare Lasermedium ein Festkörperkristall ist, der mit einem Pumplichtstrahl optisch anregbar ist.
Laserresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperkristall aus der Gruppe der nachfolgenden Kristalle gewählt ist: Nd:YVO₄, Nd:YAG, Pr:YLF.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein für den Fundamentallaserstrahl durchlässiges Durchtrittsfenster vorsieht.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses ein wellenlängenselektiver Strahlteiler vorgesehen ist, der den Fundamentallaserstrahl vom UV-Laserstrahl räumlich aufteilt.
Laserresonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler ein dichroitischer Spiegel ist.
Laserresonator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch nichtlineare Anordnung wenigstens einen optisch nichtlinearen Kristall vorsieht, der von dem Fundamentallaserstrahl durchstrahlt wird, der aus dem Kristall über eine Kristallfläche gemeinsam mit dem UV-Laserstrahl austritt, und dass diese Kristallfläche gegenüber dem Fundamental- und UV-Laserstrahl nahe des Brewsterwinkels angeordnet ist.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement ein für den UV-Laserstrahl durchlässiges Durchtrittsfenster ist.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement mit dem Gehäuse über eine Metalldichtung abgedichtet ist.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche für die Gasdichtheit des Gehäuses verantwortlichen Komponenten mittels Metalldichtungen mit dem Gehäuse gasdicht abdichten.
Laserresonator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldichtungen aus einem Weichlotmaterial bestehen.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmembran über eine Membrandicke verfügt, die sehr viel kleiner ist, als ihre laterale Metallmembranerstreckung.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmembran aus Edelstahl mit einer Membrandicke von 50 bis 300 μm besteht und eine maximale laterale Erstreckung von einigen Zentimeter bis hin zu einigen Dezimetern aufweist.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmembran mittels Weichlot mit dem Gehäuse gasdicht verbunden ist.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur stabilisierende Einheit sowie auch die steuerbare Thermoeinheit mittels Weichlot an die Membran gefügt sind.