DE102007033624B4

DE102007033624B4 - Wärmekapazitätslaser

Info

Publication number: DE102007033624B4
Application number: DE102007033624A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Eichhorn
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2027-07-18
Also published as: FR2919123B1; US20090022190A1; DE102007033624A1; FR2919123A1; US7792168B2

Abstract

Wärmekapazitätslaser (1) mit einem festen Lasermedium (10), einer Pumplichtquelle (20) und einem optischen Resonator (31, 32), derart, dass
• das Lasermedium (10) eine Längserstreckung (l) von mehr als 6 cm aufweist und seine Profilhöhe (d) kleiner ist als seine Längserstreckung (l),
• eine Einrichtung (21) zur Homogenisierung des Pumplichts eingesetzt ist,
• das Pumplicht über ein Ende oder beide Enden des Lasermediums (10) zuführbar ist,
• die Dotierung im Falle einer einseitigen Zuführung des Pumplichts an dem Pumplichtzuführungsende (11) am niedrigsten ist und von dort bis zum anderen Ende ansteigt oder im Falle einer zweiseitigen Zuführung an den Pumplichtzuführungsenden (11) am niedrigsten ist und von dort jeweils bis zur Mitte ansteigt,
• entweder eine Strahlformungsoptik (40) eingesetzt ist, die ein asphärisches Konversionselement ist und die den Laserstrahl im Laserbetrieb homogenisiert, das heißt die Grundmode des Laserstrahls in einen homogenisierten Laserstrahl mit einer Rechteckverteilung transformiert, in...

Description

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.
Die US 5 222 073 A zeigt einen Wärmekapazitätslaser mit einem festen Lasermedium, einer Pumplichtquelle und einem optischen Resonator. Das Lasermedium weist eine Längserstreckung von mehr als 6 cm auf und seine Profilhöhe ist kleiner als seine Längserstreckung. Es ist eine Einrichtung zur Homogenisierung des Pumplichts eingesetzt. Das Pumplicht wird jedoch nicht über ein Ende des Lasermediums, sondern radial zugeführt.
Aus der US 2007/0036195 A1 ist ein Laser mit einem festen Lasermedium, einer Pumplichtquelle und einem optischen Resonator bekannt. Bei diesem Laser ist eine Einrichtung zur Homogenisierung des Pumplichts eingesetzt. Das Pumplicht ist über ein Ende des Lasermediums zuführbar. Die Dotierung ist an dem Pumplichtzuführungsende am niedrigsten und steigt von dort bis zum anderen Ende an. In der Druckschrift finden sich keine Angaben darüber, ob das Lasermedium im Betrieb gekühlt oder nicht gekühlt wird. Aufgeführt ist, dass der Laser innerhalb des wehrtechnischen Bereiches als Zielmarkierer verwendet werden kann. Hieraus ist abzuleiten, dass das Lasermedium eine Längserstreckung von weniger als 6 cm aufweist und für die maximale Absorption der Pumpstrahlung auch bei ungünstiger Pumplicht-Wellenlängenverteilung ausgelegt ist.
Die DE 196 28 068 A1 betrifft einen Laser mit einem Grundmode-Determinator. Verwendung finden Blenden, welche Verluste im Resonator erzeugen. Diese Blenden erzielen weder eine kohärente Transformation eines Laserstrahls noch ein Rechteckprofil.
Die EP 0 878 884 A2 zeigt einen Laser mit einem gleichmäßig dotierten Lasermedium. Die Absorbtion der Pumpstrahlung erfolgt räumlich gezielt über eine Zwischenschaltung von Farbzentren, welche zu erzeugen und aufrecht zu erhalten bei hohen Temperaturen im Lasermedium erschwert wird.
Die US 2002/0122448 A1 zeigt einen gekühlten Laser mit einem festen Lasermedium, einer Pumplichtquelle und einem optischen Resonator. Das Lasermedium weist eine Längserstreckung von mehr als 6 cm auf und seine Profilhöhe ist kleiner als seine Längserstreckung. Eine Einrichtung zur Homogenisierung des Pumplichts ist eingesetzt. Das Pumplicht ist über ein Ende oder beide Enden des Lasermediums zuführbar. Im Lasermedium ist die Verteilung der Dopanten so gewählt, dass daraus eine gewünschte Modenverteilung des Laserstrahls resultiert.
Die US 6 937 636 B1 betrifft die Ausbildung eines Lasermedium. Um das Auftreten einer verstärkten Spontanemission (ASE oder „Amplified Spontaneous Emission”) abzuschwächen, ist das Lasermedium konisch geformt.
Die DE 102 41 984 A1 zeigt einen Laser mit einem festen Lasermedium, einer Pumplichtquelle und einem optischen Resonator. Das Pumplicht ist über ein Ende oder beide Enden des Lasermediums zuführbar. Die Dotierung ist im Falle einer einseitigen Zuführung des Pumplichts an dem Pumplichtzuführungsende am niedrigsten und steigt von dort bis zum anderen Ende an oder ist im Falle einer zweiseitigen Zuführung an den Pumplichtzuführungsenden am niedrigsten und steigt von dort jeweils bis zur Mitte an.
Die US 2002/0057725 A1 zeigt einen gekühlten Laser mit einem festen Lasermedium, einer Pumplichtquelle und einem optischen Resonator. Das Lasermedium weist eine Längserstreckung von mehr als 6 cm auf und seine Profilhöhe ist kleiner als seine Längserstreckung. Eine Einrichtung zur Homogenisierung des Pumplichts ist eingesetzt. Das Pumplicht wird über einen kleinen Bereich der Mantelfläche zugeführt. Beschrieben ist eine radial variable Dotierung, welche von der Mitte des Lasermediums zum Rand hin abfällt. Dabei ist jedoch der Randbereich weitgehend undotiert. Denn der Lasermode konzentriert sich auf den inneren, stark dotierten Bereich des Kristalls. Die variable Dotierung in radialer Richtung dient dazu, auch in den Randbereichen dieses Laserstrahls optisches Material bereitzustellen, so dass die Mode nicht durch eine scharfe Apertur begrenzt wird. Somit werden Beugungsverluste minimiert.
In der US 5 526 372 A sind die besonderen Eigenschaften eines Wärmekapazitätslasers 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.
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.
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 Strahlqualität des Lasers. Gerade bei hohen Laserleistungen vergrößert sich der nachteilige Effekt der thermischen Linse.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmekapazitätslaser zu schaffen, der eine hohe Strahlqualität bei einer gleichzeitig hohen Laserleistung aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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 Strahlqualität zu Gute. Erreichbar ist eine Strahiqualität 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.
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.
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 Laserstrahl 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 Laserstrahls 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.
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.
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.
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.
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.
Dies minimiert die verstärkte Spontanemission (ASE oder „Amplified Spontaneuous Emission”), welche sonst die Laserleistung begrenzen würde.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Mantelfläche des Lasermediums eine optische Politur auf. Die optische Politur bewirkt, dass das Pumplicht reflektiert wird.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen:
1 einen Wärmekapazitätslaser, als perspektivische Schemaskizze,
2 die Höhe der Dotierung über die Längsersteckung des Lasermediums aufgetragen, in Diagrammform,
3 das Profil des Lasermediums des in 1 dargestellten Wärmekapazitätslasers, als Schnittdarstellung, wobei der Schnittverlauf in 1 mit II-II gekennzeichnet ist,
4 die Höhe der Dotierung über den Durchmesser des Lasermediums aufgetragen, gemäß einer Konzeptalternative, bei der keine Strahlformungsoptik eingesetzt ist, in Diagrammform,
5 den Verlauf des Betrages der relativen Temperaturdifferenz über die Laserbetriebszeit aufgetragen, in Diagrammform,
6 eine Schemaskizze der Ausschalteinrichtung.
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.
Das Lasermedium 10 weist eine Längserstreckung von mehr als 6 cm auf und seine Profilhöhe ist kleiner als seine Längserstreckung l (2).
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.
Es ist eine Einrichtung 21 zur Homogenisierung des Pumplichts eingesetzt.
Das Pumplicht wird über beide Enden des Lasermediums 10 zugeführt. In Abweichung zur Darstellung kann die Zuführung auch einseitig über nur ein Ende erfolgen.
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.
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.
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.

Abweichend zur Darstellung in 1 ist es als zweite Konzeptalternative möglich, keine Strahlformungsoptik einzusetzen. In diesem Fall behält der Laserstrahl 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.
Die in 1 gezeigte Einrichtung 21 zur Homogenisierung des Pumplichts ist ein innenverspiegelter Lichthohlleiter oder ein homogener, transparenter Lichtleiter.
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.
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.
Jedes Pumplichtzuführungsende 11 des Lasermediums 10 ist konisch aufgeweitet.
Wie in 3 illustriert, weist die Mantelfläche des Lasermediums 10 eine optische Politur 15 auf.
Auf der optischen Politur 15 ist eine optische Verspiegelung 16 aufgetragen, die selektiv das Pumplicht reflektiert.
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.
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.
Das Lasermedium 10 ist mit Erbium dotiert. Thulium oder Holmium wäre auch möglich, möchte man ein Laserlicht im augensicheren Wellenlängenbereich um 2 μm haben.
Prinzipiell kann auch Neodym oder Ytterbium für eine Emission im nicht augensicheren Wellenlängenbereich um 1,06 μm eingesetzt werden.
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.
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 (T_mittlere) 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)/T_mittlere 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 t_N wieder wie zu Anfang gleichmäßig, aber erhöht ist. Danach steigt der Betrag von ΔT wieder an. Bei t_N ändert die Steigung des Kurvenverlaufs ihr Vorzeichen. Der Zeitpunkt t_N 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 t_A. 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 P_P und der Parameter der Laserleistung P_L 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 t_A eingetragen. Danach wird ein erhitztes Lasermedium 10 durch ein gekühltes, in 1 gezeigtes Lasermedium 10₁ ersetzt.

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.
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.
In Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Wärmekapazitätslaser auch zur Verstärkung eines Laserstrahles eingesetzt werden.
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.

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: Strahlformungsoptik
50: Ausschalteinrichtung
51: Auswertungsrechner
52: Ausschalter des Laserbetriebs
ΔT: relative Temperaturdifferenz
t: Zeit
t_A: Abschaltzeitpunkt
t_N: Nullpunkt
T₁: erster Temperatursensor
T₂: zweiter Temperatursensor
P_P: Pumpleistung
P_L: Laserleistung
60: Magazin für Lasermedien

Claims

Wärmekapazitätslaser (1) mit einem festen Lasermedium (10), einer Pumplichtquelle (20) und einem optischen Resonator (31, 32), derart, dass • das Lasermedium (10) eine Längserstreckung (l) von mehr als 6 cm aufweist und seine Profilhöhe (d) kleiner ist als seine Längserstreckung (l), • eine Einrichtung (21) zur Homogenisierung des Pumplichts eingesetzt ist, • das Pumplicht über ein Ende oder beide Enden des Lasermediums (10) zuführbar ist, • die Dotierung im Falle einer einseitigen Zuführung des Pumplichts an dem Pumplichtzuführungsende (11) am niedrigsten ist und von dort bis zum anderen Ende ansteigt oder im Falle einer zweiseitigen Zuführung an den Pumplichtzuführungsenden (11) am niedrigsten ist und von dort jeweils bis zur Mitte ansteigt, • entweder eine Strahlformungsoptik (40) eingesetzt ist, die ein asphärisches Konversionselement ist und die den Laserstrahl im Laserbetrieb homogenisiert, das heißt die Grundmode des Laserstrahls in einen homogenisierten Laserstrahl mit einer Rechteckverteilung transformiert, in Verbindung mit einer radial gleichmäßigen Dotierung des Lasermediums (10), zur Ermöglichung einer radial gleichmäßigen Energie-Extraktion durch die Laserstrahlung, so dass in Verbindung mit dem gleichmäßigen Pumplicht-Energieeintrag eine im Lasermedium homogen verteilte Verlustwärme resultiert, • oder keine Strahlformungsoptik eingesetzt ist und der Laserstrahl ein Gauß'sches Profil aufweist in Verbindung mit einer radialen Dotierungsverteilung des Lasermediums (10), bei der die Dotierung vom Rand zur Mitte hin ansteigt und das Dotierungsprofil radial so angepasst ist, dass eine homogen verteilte Verlustwärme pro Volumen im Zusammenspiel des Gauß'schen Strahlprofils des Laserstrahls und der homogenen Pumplichtverteilung entsteht.
Wärmekapazitätslaser (1) nach Anspruch 1, bei dem eine Ausschalteinrichtung (50) eingesetzt ist, mit der der Laserbetrieb spätestens dann unterbrechbar ist, wenn die maximale relative Temperaturdifferenz (ΔT) bezogen auf die mittlere Temperatur des Lasermediums (10) in Kelvin an verschiedenen Punkten längs und quer des Lasermediums (10) 6% beträgt.
Wärmekapazitätslaser (1) nach Anspruch 2, bei dem die Ausschalteinrichtung (50) einen Auswertungsrechner (51) umfasst, 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, und mit dem der Parameter der Pumpleistung (P_P) und der Parameter der Laserleistung (P_L) verarbeitbar ist.
Wärmekapazitätslaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Einrichtung (21) zur Homogenisierung des Pumplichts ein innenverspiegelter Lichthohlleiter oder ein homogener, transparenter Lichtleiter ist.
Wärmekapazitätslaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem jedes Pumplichtzuführungsende (11) des Lasermediums (10) konisch aufgeweitet ist.
Wärmekapazitätslaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Mantelfläche des Lasermediums (10) eine optische Politur (15) aufweist.
Wärmekapazitätslaser (1) nach Anspruch 6, bei dem auf der optischen Politur (15) eine optische Verspiegelung (16) aufgetragen ist, die selektiv das Pumplicht reflektiert.
Wärmekapazitätslaser (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Lasermedium (10) unterhalb der Politur einen Außenmantel (15) aufweist, der mit Ionen zur Absorption der spontanen Emission dotiert ist.
Wärmekapazitätslaser (1) nach Anspruch 8, bei dem die Dicke des Außenmantels (14) und die Höhe seiner Dotierung derart ausgebildet sind, dass sich im Laserbetrieb annähernd gleiche Temperaturen im Außenmantel (14) wie im restlichen Lasermedium (10) einstellen.
Wärmekapazitätslaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Lasermedium (10) mit Erbium, Thulium oder Holmium dotiert ist.
Wärmekapazitätslaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der ein Magazin (60) mit mehreren Lasermedien und eine Ent- und Beladeeinrichtung aufweist, um ein erhitztes Lasermedium (10) durch ein kühleres Lasermedium (10₁ , 10₂ , 10₃ ) zu ersetzen.