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Die
Erfindung betrifft einen Wärmekapazitätslaser.
Dies ist ein Laser, bei dem das Lasermedium im Laserbetrieb nicht
gekühlt wird. Die Betriebsdauer des Lasermediums ist durch
seine Wärmekapazität begrenzt. Die Wärmekapazität
ist definiert als Produkt der Masse des Lasermediums multipliziert mit
seiner spezifischen Wärmekapazität.
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In
der
US 5 526 372 A ist
erstmalig ein Wärmekapazitätslaser beschrieben
worden. Der Wärmekapazitätslaser weist ein festes
Lasermedium, eine Pumplichtquelle und einem optischen Resonator
auf. Das Besondere am Wärmekapazitätslaser besteht darin,
dass keine Kühlung während des Laserbetriebs stattfindet.
Vielmehr wird die Abwärme im Lasermedium selbst gespeichert.
Entsprechend hängt die Dauer des Laserbetriebs von der
maximal speicherbaren Wärmeenergie im Lasermedium ab. Die
maximal speicherbare Wärmeenergie wiederum hängt
von der Masse des Lasermediums, der spezifischen Wärmekapazität
des Materials des Lasermediums und der Differenz zwischen der Anfangstemperatur
und Endtemperatur ab. In der
US
5 526 372 A wird besonders auf die Temperaturverteilung
im Lasermedium eingegangen. Es wird als sehr vorteilhaft dargestellt,
dass außen im Lasermedium eine höhere Temperatur
herrscht als innen. Entsprechend liegt außen eine höhere
temperaturbedingte Ausdehnung vor. Dies bedeutet, dass außen
im Lasermedium Druckspannungen herrschen, die erwünscht
sind. Das Lasermedium ist mechanisch gesehen mit Glas vergleichbar,
das hohe Druckspannungen, aber nur geringe Zugspannungen verkraftet.
Die äußeren Druckspannungen führen bei äußeren
Kerben nicht zu einer Rissausbreitung. Bezogen auf die zuvor genannte
Dauer des Laserbetriebs erhöhen die Druckspannungen im
Mantelbereich die zulässige Maximaltemperatur im Lasermedium.
Dadurch erhöht sich die speicherbare Wärmemenge,
wodurch die Dauer des Laserbetriebs verlängert ist.
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Die
US 6 862 308 B2 zeigt
einen weiteren Wärmekapazitätslaser. Bei diesem
Wärmekapazitätslaser wird ein Magazin mit mehreren
Lasermedien und einer Ent- und Beladeeinrichtung eingesetzt. Wenn
ein Lasermedium seine Maximaltemperatur erreicht hat, wird es entladen
und gekühlt. Zwischenzeitlich wird es durch ein kühles,
neues Lasermedium aus dem Magazin ersetzt. Auch in dieser Schrift
wird auf die höhere Temperatur im Außenbereich
des Lasermediums und die dadurch erzielten Druckspannungen verbunden
mit einem Zulassen höherer Temperaturen hingewiesen.
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Bei
dem Wärmekapazitätslaser nach der
US 5 526 372 A oder der
US 6 862 308 B2 handelt
man sich aufgrund der hinsichtlich der Festigkeit gewünschten
Temperaturunterschiede jedoch einen Nachteil ein. Dadurch, dass
außen eine höhere Temperatur als innen vorliegt,
kommt es zur Ausbildung einer sogenannten thermischen Linse. Ferner
induziert der Wechsel von Druckspannung auf Zugspannung im Lasermedium
eine Doppelbrechung. Dies verschlechtert die Stahlqualität
des Lasers. Gerade bei hohen Laserleistungen vergrößert
sich der nachteilige Effekt der thermischen Linse.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmekapazitätslaser
zu schaffen, der eine hohe Stahlqualität bei einer gleichzeitig
hohen Laserleistung aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruches 1 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass sich das
Lasermedium im Betrieb an allen seinen Punkten gleichmäßig
erwärmt. Dadurch treten im Innern des Lasermediums geringe mechanische
Spannungen auf. Dadurch lassen sich hohe Leistungen von 10 kW bis über
1 MW erzielen. Hinsichtlich der optischen Laserqualität
ist eine spannungsinduzierte Doppelbrechung minimiert und es bildet
sich keine thermische Linse. Dies kommt einer guten Stahlqualität
zu Gute. Erreichbar ist eine Strahlqualität M2 von
kleiner als 5. Der Wärmekapazitätslaser weist
zunächst ein festes Lasermedium, eine Pumplichtquelle und
einen optischen Resonator auf. Das Lasermedium weist eine Längserstreckung von
mehr als 6 cm auf. Seine Profilhöhe ist kleiner als seine
Längserstreckung. Ein Lasermedium derartiger Länge
und derartigem Verhältnis zwischen Länge und Profilhöhe
bedeutet, dass eine lange Absorptionsstrecke vorliegt. Eine lange
Absorptionsstrecke bewirkt eine geringere Verlustwärme
pro Volumen und damit eine längere Betriebsdauer des Lasermediums
sowie geringere thermische Spannungen.
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Es
wird zunächst eine Einrichtung zur Homogenisierung des
Pumplichts eingesetzt. Das Pumplicht ist über ein Ende
oder beide Enden des Lasermediums zuführbar. Die Einrichtung
zur Homogenisierung des Pumplichts bewirkt, dass am Pumplichtzuführungsende
das Pumplicht mit einer gleichmäßigen Strahlungsdichte
zugeführt wird. Dadurch leuchtet das Pumplicht das Lasermedium über den
gesamten Querschnitt homogen aus. Dies sorgt für einen
gleichförmigen Energieeintrag über den Querschnitt.
Mit dieser Maßnahme erzielt man eine gleichmäßige
Erwärmung in radialer Richtung. Die Dotierung ist im Falle
einer einseitigen Zuführung des Pumplichts an dem Pumplichtzuführungsende
am niedrigsten und steigt von dort bis zum anderen Ende an. Die
Dotierung ist im Falle einer zweiseitigen Zuführung an
den Pumplichtzuführungsenden am niedrigsten und steigt
von dort jeweils bis zur Mitte an. Mit dieser Maßnahme
erreicht man eine gleichmäßige Erwärmung
auch in axialer Richtung. Denn die axial ansteigende Dotierung verursacht
eine ebenso ansteigende Absorption pro Volumen, welche die durch die
Absorption selbst fallende Pumpleistung derart kompensiert, dass
in jedem Volumenelement längs der Achse gleich viel Pumpleistung
absorbiert wird.
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Entweder
ist eine Strahlformungsoptik eingesetzt, die den Laserstrahl im
Laserbetrieb homogenisiert, in Verbindung mit einer radial gleichmäßigen Dotierung
des Lasermediums. Oder es ist keine Strahlformungsoptik eingesetzt
und der Laserstahl weist ein Gauß'sches Profil in Verbindung
mit einer radialen Dotierungsverteilung des Lasermediums auf, bei
der die Dotierung vom Rand bis zur Mitte hin zunimmt. Die erstgenannte
Alternative der Verwendung einer Strahlformungsoptik ermöglicht
eine radial gleichmäßige Energie-Extraktion durch
die Laserstrahlung, so dass in Verbindung mit dem gleichmäßigen
Pumplicht-Energieeintrag eine im Lasermedium homogen verteilte Verlustwärme
resultiert. Dagegen beruht die zweite Alternative des Gauß'schen Strahlprofils
auf der Überlegung, das Dotierungsprofil radial so anzupassen,
dass die homogen verteilte Verlustwärme pro Volumen im
Zusammenspiel des Gauß'schen Strahlprofils des Laserstahls
und der homogenen Pumplichtverteilung entsteht. Da an Stellen hoher
Laserintensität die im Kristall gespeicherte Energie effizienter
abgebaut wird, muss dort mehr Pumplicht absorbiert werden, um eine
resultierende homogene radiale Wärmeerzeugung zu gewährleisten.
Unter Vorraussetzung des radial homogen verteilten Pumplichts muss
daher die Dotierung in der Stabmitte größer sein
als am Rand.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist eine Ausschalteinrichtung eingesetzt,
mit der der Laserbetrieb spätestens dann unterbrechbar
ist, wenn die maximale relative Temperaturdifferenz bezogen auf
die mittlere Temperatur des Lasermediums in Kelvin an verschiedenen
Punkten längs und quer des Lasermediums 6% beträgt.
Bis zur angegebenen Temperaturdifferenz liegt eine gute Strahlqualität
vor. Der thermische Linseneffekt ist bis zur angegebenen Prozentgrenze
vernachlässigbar. Ferner liegt die mechanische Beanspruchung
des Lasermediums niedrig.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Ausschalteinrichtung
einen Auswertungsrechner, der an Temperatursensoren angeschlossen
ist, mit denen die Temperaturen an zwei Punkten des Lasermediums
messbar sind, und mit dem der Parameter der Pumpleistung und der
Parameter der Laserleistung verarbeitbar ist. Der Vorteil der vorgenannten
Ausschalteinrichtung liegt darin, dass die Werte der Parameter der
Pumpleistung und der Laserleistung ohnehin vorliegen. Zusätzlich
werden lediglich noch zwei Temperatursensoren benötigt.
Ein vorhandener Rechner kann die Aufgabe als Auswertungsrechner
mit übernehmen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zur Homogenisierung
des Pumplichts ein innenverspiegelter Lichthohlleiter oder ein homogener,
transparenter Lichtleiter. Letzterer kann beispielsweise ein totalreflektierender
Pyramidenstumpf aus optisch transparentem Material sein. Das homogenisierte
Pumplicht wird dann durch Totalreflexion im Lasermedium geleitet
und füllt dessen Querschnitt homogen aus. Dabei wird es
effizient absorbiert.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Pumplichtzuführungsende
des Lasermediums konisch aufgeweitet. Dies ermöglicht einen
guten Übergang der Einrichtung zur Homogenisierung des
Pumplichts an das Lasermedium, wodurch das Pumplicht mit einem hohen
Wirkungsgrad eingekoppelt wird. Die konischen Enden brechen zusätzlich
die exakte Zylindersymmetrie. Dadurch addiert sich für
das spontan emittierte Licht bei jeder internen Reflexion im Lasermedium
im Bereich der Enden ein kleiner zusätzlicher Reflexions-Winkel
auf den propagierenden Lichtstahl auf, so dass sich keine beliebig
langen Propagationsstrecken für die spontane Emission ergeben.
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Dies
minimiert die verstärkte Spontanemission (ASE oder „Amplified
Spontaneuous Emission"), welche sonst die Laserleistung begrenzen
würde.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Mantelfläche
des Lasermediums eine optische Politur auf. Die optische Politur
bewirkt, dass das Pumplicht reflektiert wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist auf der optischen Politur
zusätzlich eine optische Verspiegelung aufgetragen, die
selektiv das Pumplicht reflektiert. Hierdurch wird das Pumplicht noch
besser ausgenutzt. Gleichzeitig verlässt das spontan emittierte
Licht das Lasermedium und verhindert somit einen ASE-Aufbau.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Lasermedium unterhalb
der Politur einen Außenmantel auf, der mit Ionen zur Absorption der
spontanen Emission dotiert ist. Die Mittel zur Absorption verhindern
eine Mehrfachreflexion der Lichtstrahlen der spontanen Emission
innerhalb des Lasermediums. Dadurch wird die Ausgangsleistung des Lasers
nicht durch ASE begrenzt. Besonders vorteilhaft ist es hierbei,
wenn die Dicke des Außenmantels und die Höhe seiner
Dotierung derart ausgebildet sind, dass sich im Laserbetrieb annähernd
gleiche Temperaturen im Außenmantel wie im restlichen Lasermedium
einstellen. Dadurch wird das Gesamtkonzept eines sich gleichmäßig
erwärmenden Lasermediums berücksichtigt. Ist eine
optische Verspiegelung aufgetragen, so kann die Eigenschaft der
selektiven Reflexion des Pumplichts verringert oder sogar fallengelassen
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Lasermedium mit Erbium,
Thulium oder Holmium dotiert. Mit jeder der vorgenannten Dotierungen
erzielt man einen Laserstrahl im augensicheren Spektralbereich.
Die Wellenlänge ist größer als 1400 nm.
Jede der genannten Dotierungen passt sehr gut zu der langen Absorptionsstrecke
von mehr als 6 cm.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Wärmekapazitätslaser
ein Magazin mit mehreren Lasermedien und einer Ent- und Beladeeinrichtung
auf, um ein erhitztes Lasermedium durch ein kühleres zu
ersetzen. Diese aus der
US
6 862 308 B2 bekannte Einzelmaßnahme eignet sich besonders
gut für den hier vorgestellten Wärmekapazitätslaser.
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Ein
Nebenanspruch ist auf das Lasermedium gerichtet. Denn das Lasermedium
für den Wärmekapazitätslaser stellt ein
eigenständiges Fertigungsbauteil dar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Wärmekapazitätslaser, als perspektivische Schemaskizze,
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2 die
Höhe der Dotierung über die Längsersteckung
des Lasermediums aufgetragen, in Diagrammform,
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3 das
Profil des Lasermediums des in 1 dargestellten
Wärmekapazitätslasers, als Schnittdarstellung,
wobei der Schnittverlauf in 1 mit II-II
gekennzeichnet ist,
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4 die
Höhe der Dotierung über den Durchmesser des Lasermediums
aufgetragen, gemäß einer Konzeptalternative, bei
der keine Strahlformungsoptik eingesetzt ist, in Diagrammform,
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5 den
Verlauf des Betrages der relativen Temperaturdifferenz über
die Laserbetriebszeit aufgetragen, in Diagrammform,
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6 eine
Schemaskizze der Ausschalteinrichtung.
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Die 1 zeigt
einen Wärmekapazitätslaser 1. Dieser
weist zunächst ein festes Lasermedium 10, eine
Pumplichtquelle 20 und einen optischen Resonator auf. Der
optische Resonator besteht aus einem undurchlässigen Spiegel 31 und
einem teildurchlässigen Spiegel 32.
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Das
Lasermedium 10 weist eine Längserstreckung von
mehr als 6 cm auf und seine Profilhöhe ist kleiner als
seine Längserstreckung l (2).
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Lasermedium 10 einen
runden Querschnitt auf. In Abweichung hierzu kann das Profil auch
polygonal sein. Mit einem polygonalen Querschnitt kann man besonders
homogene Pumplichtverteilungen erzeugen. Dies trifft besonders auf
die niedrigen Polygone zu, die vier oder fünf Ecken aufweisen.
Ein runder Querschnitt weist gekrümmte Mantelflächen
auf, welche die nachteilige Tendenz haben, das geleitete Licht auf
die Stabachse zu fokussieren. Andererseits sind runde Querschnitte
einfacher herzustellen.
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Es
ist eine Einrichtung 21 zur Homogenisierung des Pumplichts
eingesetzt.
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Das
Pumplicht wird über beide Enden des Lasermediums 10 zugeführt.
In Abweichung zur Darstellung kann die Zuführung auch einseitig über
nur ein Ende erfolgen.
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Im
Falle einer zweiseitigen Zuführung ist die Höhe
der Dotierung Do an den Pumplichtzuführungsenden 11 am
niedrigsten und steigt von dort jeweils bis zur Mitte an. Die 2 illustriert
dies.
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Im
nicht dargestellten Fall einer einseitigen Zuführung des
Pumplichts ist die Dotierung an dem Pumplichtzuführungsende 11 am
niedrigsten und steigt von dort bis zum anderen Ende an.
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Die 1 zeigt
eine erste Konzeptalternative, bei der eine Strahlformungsoptik 40 eingesetzt ist,
die den Laserstrahl im Laserbetrieb homogenisiert, in Verbindung
mit einer radial gleichmäßigen Dotierung des Lasermediums 10.
Als Strahlformungsoptik ist ein asphärisches Konversionselement eingesetzt.
Dies kann mit asphärischen Linsen bewerkstelligt werden.
Die Strahlformungsoptik 40 transformiert die Grundmode
des Laserstrahls in einen homogenisierten Laserstrahl mit einer
Rechteckverteilung. Die Rechteckverteilung besitzt einen strahlhomogenen
Durchmesser, welcher mindestens 95% des Querschnitts des Lasermediums 10 ausfüllt und
am Rand schnell genug auf Null abfällt, um an der Apertur
des Lasermediums Beugungsverluste zu minimieren. Bei der Rechteckverteilung
spielen die Flanken am Rand, das heißt der Übergang
von der homogenen Intensität auf Null, eine entscheidende Rolle:
- • Sind sie zu flach, wird das Lasermedium 10 nicht homogen
genug abgebaut, und man erhält durch thermische Effekte
eine geringere Strahlqualität und wegen der schlechteren Überlappung
von Pump- und Laserprofil auch eine geringere Effizienz des Lasers.
- • Sind sie zu steil, divergiert der Rechteck-Strahl durch
Beugung zu stark und über der Länge des Lasermediums
kann kein gleichbleibender Durchmesser aufrechterhalten werden.
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Abweichend
zur Darstellung in 1 ist es als zweite Konzeptalternative
möglich, keine Strahlformungsoptik einzusetzen. In diesem
Fall behält der Laserstahl sein Gauß'sches Profil
bei. Ferner ist die radiale Dotierungsverteilung des Lasermediums
derart, dass die Dotierung Do vom Rand zur Mitte hin zunimmt, wie 4 illustriert.
Mit d ist der Durchmesser des Lasermediums bezeichnet.
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Die
in 1 gezeigte Einrichtung 21 zur Homogenisierung
des Pumplichts ist ein innenverspiegelter Lichthohlleiter oder ein
homogener, transparenter Lichtleiter.
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Bei
Verwendung von Pumpquellen mit geringer Strahldivergenz (< 4°) kann
auch eine holographische Phasenplatte im Pumplicht-Strahlengang eingesetzt
werden. Diese homogenisiert das Pumplicht, welches das jeweilige
Ende des Lasermediums ausleuchtet. In diesem Fall werden keine Lichthohlleiter
oder transparente Lichtleiter zur Homogenisierung benötigt.
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Über
Spiegel 22 gelangt das homogenisierte Pumplicht in den
Strahlengang. Auf die Spiegel 22 kann verzichtet werden.
Dann ist beispielsweise das homogenisierte Pumplicht in einem spitzen
Winkel zur Längsachse des Lasermediums 10 den Pumplichtzuführungsenden 11 zuzuführen.
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Jedes
Pumplichtzuführungsende 11 des Lasermediums 10 ist
konisch aufgeweitet.
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Wie
in 3 illustriert, weist die Mantelfläche des
Lasermediums 10 eine optische Politur 15 auf.
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Auf
der optischen Politur 15 ist eine optische Verspiegelung 16 aufgetragen,
die selektiv das Pumplicht reflektiert.
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Das
Lasermedium 10 weist unterhalb der optischen Politur 15 einen
Außenmantel 14 auf, der mit Ionen zur Absorption
der spontanen Emission dotiert ist. Im Fall von Erbium als laseraktives
Ion wäre dies beispielsweise Dysprosium oder Thulium. Die
Dicke des Außenmantels 14 und die Höhe
seiner Dotierung sind derart ausgebildet, dass sich im Laserbetrieb
annähernd gleiche Temperaturen im Außenmantel 14 wie
im restlichen Lasermedium 10 einstellen. Durch die Absorption
der spontanen Emission heizt sich der Außenmantel 14 auf
vergleichbare Temperaturen auf, wie im restlichen Lasermedium 10.
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Der
Außenmantel 14, der Teil des Lasermediums 10 ist,
kann abweichend zur Darstellung auch eine nachträglich
aufgebrachte Beschichtung oder Schicht sein, die beispielsweise
aufgedampft ist.
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Das
Lasermedium 10 ist mit Erbium dotiert. Thulium oder Holmium
wäre auch möglich, möchte man ein Laserlicht
im augensicheren Wellenlängenbereich um 2 μm haben.
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Prinzipiell
kann auch Neodym oder Ytterbium für eine Emission im nicht
augensicheren Wellenlängenbereich um 1,06 μm eingesetzt
werden.
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Die
Lasermedien können aus einem dotierten Einkristall oder
einer transparenten Keramik bestehen. Das Lasermedium kann polykristallin
oder amorph aufgebaut sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Lasermedium ein keramisches YAG, das, wie zuvor schon dargelegt,
mit Erbium dotiert ist.
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Nachfolgend
wird der Betrieb des Wärmekapazitätslasers beschrieben:
- • Zunächst wird das Pumplicht
eingeschaltet. Es werden Laserdioden als Pumplichtquelle eingesetzt,
deren Emission über einen innenverspiegelten Lichthohlleiter
konzentriert und homogenisiert wird.
- • Das Lasermedium 10 weist eine Länge
von 10 cm auf, so dass das Pumplicht beim Durchgang optimal absorbiert
wird.
- • Das Lasermedium 10 emittiert nun seinerseits die
gewünschte Laserstrahlung, wobei es sich durch die anfallende
Verlustwärme erwärmt.
- • Eine Ausschalteinrichtung 50 ist eingesetzt,
mit der der Laserbetrieb spätestens dann unterbrechbar
ist, wenn die maximale relative Temperaturdifferenz bezogen auf
die mittlere Temperatur (Tmittlere) des
Lasermediums in Kelvin an verschiedenen Punkten längs und
quer des Lasermediums 6% beträgt.
- • 5 illustriert dies am Beispiel
eines radial homogen dotierten Lasermediums mit axial variabler Dotierung
entsprechend 2. Die Größe ΔT
= (Tmax – Tmin)/Tmittlere gibt
dabei die relative Temperaturdifferenz an, wobei Tmin und Tmax an den Stabenden
und in der Stabmitte auftreten. Durch die Wahl des Dotierungsprofils
lässt sich nun erreichen, dass die Temperaturverteilung
im Lasermedium 10 nach einer Betriebsdauer tN wieder wie
zu Anfang gleichmäßig, aber erhöht ist.
Danach steigt der Betrag von ΔT wieder an. Bei tN ändert die Steigung des Kurvenverlaufs
ihr Vorzeichen. Der Zeitpunkt tN ist durch
die Wahl der Dotierung so gelegt, dass er bei ca. 2/3 der gewünschten
Betriebsdauer des Lasermediums liegt. Dann ist ΔT nach
ca. 1/3 der Betriebsdauer etwa so hoch wie gegen Ende der Betriebsdauer bei
dem eingezeichneten Abschaltzeitpunkt tA. Die
Betriebsdauer liegt im Bereich von 0,1 bis 5 Sekunden.
- • Wie 6 illustriert, umfasst die Ausschalteinrichtung 50 einen
Auswertungsrechner 51, der an einen ersten Temperatursensor
T1 und einen zweiten Temperatursensor T2 angeschlossen ist, mit denen die Temperaturen
an zwei Punkten des Lasermediums 10 messbar sind. Die Temperatursensoren
T1 und T2 bestimmen
die Temperatur pyrometrisch. Mit dem Auswertungsrechner 51 ist ferner
der Parameter der Pumpleistung PP und der
Parameter der Laserleistung PL verarbeitbar. Aus
dem zeitlichen Integral über die Differenz von Pump- und
Laserleistung errechnet der Auswertungsrechner 51 die mittlere
Temperatur. Man erhält aus diesen Informationen die in 5 gezeigte
Kurve.
- • Wie 1 illustriert, weist der Wärmekapazitätslaser
ein trommelartiges oder revolverartiges Magazin 60 mit
mehreren Lasermedien 101 , 102 , 103 und
weitere, nicht mit dargestellte Lasermedien auf. Einzelheiten einer
Ent- und Beladeeinrichtung oder einer Kühleinrichtung sind
ebenfalls nicht mit dargestellt. Die in 6 gezeigte
Ausschalteinrichtung 50 unterbricht den Laserbetrieb mit
dem Ausschalter 52. In 5 ist der
Abschaltzeitpunkt tA eingetragen. Danach
wird ein erhitztes Lasermedium 10 durch ein gekühltes,
in 1 gezeigtes Lasermedium 101 ersetzt.
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Mit
dem zuvor beschriebenen Wärmekapazitätslaser ist
problemlos eine Skalierung möglich. Denn sämtliche
Betriebsparameter, vor allem die Aufheizung, die Betriebsdauer oder
die Effizienz, sind nur von den Pump- und Laserintensitäten
abhängig. Durch eine Vergrößerung des
Querschnitts erzielt man dann die notwendige Skalierung unter Beibehaltung
der Pump-Intensität. Wird dabei das Profil vergleichbar
mit der Längsausdehnung, kann bei allen Lasermedien, welche
keine Mindestdotierung benötigen, wie zum Beispiel resonant
gepumptes Erbium, die Dotierung herabgesetzt werden, um die Absorptionsstrecke
wieder zu verlängern. Damit bleibt die zu Grunde liegende
vorteilhafte Geometrie eines Lasermediums mit einer Profilhöhe
kleiner seiner Längserstreckung erhalten, und gleichzeitig
erhöht sich dabei die Betriebsdauer durch die zunehmende
Wärmekapazität.
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Bei
Lasermedien, welche eine hohe Anregungslebensdauer besitzen, wie
zum Beispiel 7 ms bei Erbium in YAG, kann durch Einfügen
eines Güteschalters eine gepulste Emission des Lasers erzielt werden.
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In
Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann der
Wärmekapazitätslaser auch zur Verstärkung
eines Laserstrahles eingesetzt werden.
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Durch
Modulation des Pumplichts auf einer Resonanzfrequenz der Relaxationsschwingungen des
Lasers ist ebenso eine Pulserzeugung möglich. Dies ist
eine effiziente Möglichkeit zur Erzeugung von Pulsen mit
einer moderaten Leistungsüberhöhung um den Faktor
5 bis 50.
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- 1
- Wärmekapazitätslaser
- 10,
101, 102, 103
- Lasermedium
- 11
- Pumplichtzuführungsende
- 14
- Mantelbereich
- 15
- Politur
- 16
- Verspiegelung
- l
- Länge
des Lasermediums
- d
- Profilhöhe
oder Durchmesser im Fall eines Kreisprofils
- Do
- Dotierungshöhe
- 20
- Pumplichtquelle
- 21
- Einrichtung
zur Homogenisierung des Pumplichts
- 22
- Spiegel
- 31
- erstes
Teil eines optischen Resonators, undurchlässiger Spiegel
- 32
- zweites
Teil eines optischen Resonators, teildurchlässiger Spiegel
- 40
- Stahlformungsoptik
- 50
- Ausschalteinrichtung
- 51
- Auswertungsrechner
- 52
- Ausschalter
des Laserbetriebs
- ΔT
- relative
Temperaturdifferenz
- t
- Zeit
- tA
- Abschaltzeitpunkt
- tN
- Nullpunkt
- T1
- erster
Temperatursensor
- T2
- zweiter
Temperatursensor
- PP
- Pumpleistung
- PL
- Laserleistung
- 60
- Magazin
für Lasermedien
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5526372
A [0002, 0002, 0004]
- - US 6862308 B2 [0003, 0004, 0019]