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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung mit mindestens einem eine
passive Güteschaltung
aufweisenden laseraktiven Festkörper,
wobei der laseraktive Festkörper
mindestens einen ersten Bereich, der laseraktiv ist, und einen zweiten
Bereich, der nicht laseraktiv ist, aufweist, und wobei die Bereiche entlang
einer Längsachse
der Lasereinrichtung angeordnet sind.
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Lasereinrichtungen
der vorstehend genannten Art sind bekannt und werden unter anderem
in laserbasierten Zündeinrichtungen
für Brennkraftmaschinen
von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die bekannten Systeme ermöglichen
oftmals eine nur unzureichende Kühlung
und sind aufwändig
herzustellen und zu handhaben, was sich negativ auf die Fertigungskosten
auswirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Dementsprechend
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lasereinrichtung
der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine
bessere Kühlbarkeit
bei gleichzeitig wirtschaftlicherer Fertigung gegeben ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Lasereinrichtung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Länge
des zweiten Bereichs größer oder
gleich der eineinhalbfachen Länge
des ersten Bereichs ist, wobei die Länge des ersten und des zweiten
Bereichs jeweils entlang der Längsachse
der Lasereinrichtung gemessen wird. Hierdurch ist einerseits vorteilhaft
sichergestellt, dass eine verbesserte mechanische Handhabbarkeit
und auch eine verbesserte Kühlbarkeit
im Vergleich zu herkömmlichen
Systemen gegeben ist. Durch den größeren Längenanteil des nicht laseraktiven
beziehungsweise undotierten zweiten Bereichs im Vergleich zu dem
ersten, laseraktiven Bereich ist darüberhinaus vorteilhaft die Möglichkeit
gegeben, eine Resonatorkonfiguration großer Länge zu etablieren, die gleichzeitig
nur einen verhältnismäßig geringen Anteil
an dotiertem laseraktiven Material erfordert. Der erfindungsgemäß gegenüber dem
nicht laseraktiven Bereich kürzere
laseraktive Bereich bringt demnach eine Materialersparnis bei gleichbleibender Strahlqualität erzeugter
Laserstrahlung und insbesondere auch eine Verkürzung der Fertigungszeiten mit
sich, da kürzere
laseraktive Bereiche wie beispielsweise Laserkristalle schneller
herzustellen sind als solche mit größerer Länge.
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Vorteilhaft
kann der laseraktive Festkörper im
Wesentlichen Zylinderform aufweisen, wobei ein Querschnitt im Wesentlichen
kreisförmig
oder rechteckig ist, und die Länge
des ersten Bereichs ist kleiner als ein Durchmesser oder eine Kantenlänge des Querschnitts,
vorzugsweise um einen Faktor zwei oder mehr. Die sich hieraus ergebende
Scheibenform des ersten Bereichs ermöglicht eine optimale Kühlbarkeit
bei gleichzeitig geringem Materialverbrauch gegenüber den
weiteren, nicht laseraktiven Komponenten der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung.
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Noch
ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konfiguration mit dem verhältnismäßig kurzen
ersten Bereich besteht darin, dass für ein effizientes optisches
Pumpen des laseraktiven ersten Bereichs nur verhältnismäßig geringe Anforderungen an
die Strahlqualität
des verwendeten Pumplichts zu stellen sind, weil der laseraktive
Bereich, wie bereits beschrieben, im Wesentlichen Scheibenform aufweist.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ist
die Länge
des ersten Bereichs, die ebenso wie die Länge des zweiten Bereichs entlang
der Längsachse der
Lasereinrichtung gemessen wird, größer gleich etwa 60 μm. Besonders
bevorzugte Erfindungsvarianten weisen einen ersten Bereich mit einer
Länge von
etwa 100 μm
auf. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass unter Anwendung
der erfindungsgemäßen Dimensionierungsvorschrift,
das heißt
bei der Vorsehung eines entsprechend langen zweiten Bereichs, Laserimpulse
mit einer verhältnismäßig großen Strahlqualität erzeugt
werden können.
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Bevorzugt
kann ein Wirtsmaterial des ersten Bereichs und/oder der zweite Bereich
YAG, Yttrium Aluminium Granat, und/oder GGG, Gadolinium Gallium
Granat, und/oder GSGG, Gadolinium Scandium Gallium Granat, aufweisen.
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Als
Dotierstoff für
das Wirtsmaterial des ersten Bereichs ist bevorzugt Ytterbium eingesetzt,
wobei die Dotierung erfindungsgemäß mehr als 2 at.%, vorzugsweise
jedoch mehr als 3 at.%, beträgt,
so dass sich eine verhältnismäßig kleine
Absorptionslänge
in dem laseraktiven ersten Bereich ergibt, wodurch ein besonders
effizientes Pumpen auch bei der verhältnismäßig geringen Länge des
laseraktiven ersten Bereichs gegeben ist.
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Optional
kann ausgangsseitig der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung ein optischer
Verstärker vorgesehen
sein, der bevorzugt ebenfalls eine Dotierung von 3 oder mehr at.%
aufweist. Der optische Verstärker
kann monolithisch mit dem laseraktiven Festkörper ausgebildet sein. Alternativ
hierzu können
die betreffenden Komponenten jedoch auch diskret angeordnet sein.
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Die
erfindungsgemäße Lasereinrichtung kann
vorteilhaft zum Aufbau einer laserbasierten Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs oder eines Stationärmotors verwendet werden, oder
generell auch für
alle anderen Anwendungsbereiche, bei denen Laserimpulse mit hoher
Impulsenergie wirtschaftlich erzeugt werden müssen.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Lasereinrichtung
zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
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2 eine
Ausführungsform
der Lasereinrichtung aus 1 im Detail, und
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3a bis 3e unterschiedliche
Ausführungsformen
eines Laseroszillators der in 2 abgebildeten
Lasereinrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die
Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen
in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet
ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von
einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt
durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail beziehungsweise
Common-Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen
ist.
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In
den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird
mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in
den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit
einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt
wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und
Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.
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Beispielsweise
kann es sich bei der Pumplichtquelle 30 um eine Halbleiter-Laserdiode handeln,
die in Abhängigkeit
eines Steuerstroms ein entsprechendes Pumplicht über die Lichtleitereinrichtung 28 an
die Lasereinrichtung 26 ausgibt. Obwohl Halbleiter-Laserdioden
und andere klein bauende Pumplichtquellen bevorzugt für einen
Einsatz in dem Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, ist für den Betrieb
der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 prinzipiell
jede Art von Pumplichtquelle verwendbar.
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2 zeigt
schematisch eine Detailansicht der Lasereinrichtung 26 aus 1.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, weist die Lasereinrichtung 26 einen
laseraktiven Festkörper 44 auf, dem
eine auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung 46 zugeordnet
ist. Der laseraktive Festkörper 44 bildet
hierbei zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie
dem in 2 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und
dem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen Schwingverhalten
von der passiven Güteschaltung 46 abhängt und
damit zumindest mittelbar in an sich bekannter Weise steuerbar ist.
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Bei
der in 2 abgebildeten Konfiguration der Lasereinrichtung 26 wird
Pumplicht 60 auf den Einkoppelspiegel 42 geleitet.
Da der Einkoppelspiegel 42 für die Wellenlängen des
Pumplichts 60 durchsichtig ist, dringt das Pumplicht 60 in
den laseraktiven Festkörper 44 ein
und führt
darin zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion. Bevorzugt
wird das Pumplicht 60 durch eine nicht abgebildete Einkoppeloptik
auf den laseraktiven ersten Bereich 44a gebündelt, um
ein effizientes optisches Pumpen zu ermöglichen.
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Während die
passive Güteschaltung 46 ihren Ruhezustand
aufweist, in dem sie einen verhältnismäßig kleinen
Transmissionskoeffizienten besitzt, wird ein Laserbetrieb in dem
laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise
in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44, 46 vermieden.
Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch die Strahlungsdichte in dem
Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 an,
so dass die passive Güteschaltung 46 ausbleicht,
d. h. einen größeren Transmissionskoeffizienten
annimmt, und der Laserbetrieb beginnen kann.
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Auf
diese Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24,
der eine verhältnismäßig hohe
Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird gegebenenfalls
unter Verwendung einer weiteren Lichtleitereinrichtung oder auch
direkt durch ein nicht abgebildetes Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 in
den Brennraum 14 (1) der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt,
so dass der darin vorhandene Kraftstoff 22 entzündet wird.
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Vorteilhaft
kann dem Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 ein
optischer Verstärker 50 zur
optischen Verstärkung
des Laserimpulses 24 zugeordnet sein, wie dies in 2 gezeigt
ist. Der optische Verstärker 50 ist
bevorzugt monolithisch in den laseraktiven Festkörper 44 integriert,
kann jedoch auch als separate Komponente vorgesehen sein, vgl. 2.
Um eine effiziente Verstärkung
der Laserimpulse 24 zu ermöglichen, muss auch der optische
Verstärker 50 mit einer
hinreichend großen
Pumpenergie in Form des Pumplichts 60 beaufschlagt werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass in dem laseraktiven Festkörper 44 neben
dem ersten, laseraktiven Bereich 44a ein zweiter, nicht
laseraktiver Bereich 44b vorhanden ist, wobei für die Länge lb des
zweiten Bereichs 44b gilt, dass sie größer oder gleich der eineinhalbfachen
Länge la
des ersten, laseraktiven Bereichs 44a ist.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, wird eine Länge der passiven Güteschaltung 46 bei
der erfindungsgemäßen Dimensionierungsvorschrift
der Länge
lb des zweiten Bereichs 44b hinzugerechnet.
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Durch
die erfindungsgemäße Dimensionierung
ist aufgrund der Gesamtlänge
la + lb eine sichere Handhabbarkeit der Lasereinrichtung 26 gewährleistet.
Gleichzeitig muss nur eine verhältnismäßig geringe
Menge laseraktiven Materials zum Aufbau des ersten Bereichs 44a bereitgestellt
werden, so dass eine entsprechend günstige Fertigung der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 möglich ist.
Darüberhinaus
ergeben sich auch Vorteile bei den Fertigungszeiten, weil laseraktive
Bereiche 44a mit der verhältnismäßig geringen Länge la wesentlich schneller
herzustellen sind, beispielsweise im Wege einer Kristallzüchtung,
als entsprechend längere
Bereiche.
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Aufgrund
der verhältnismäßig großen Gesamtlänge der
erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 ergibt
sich ferner eine verhältnismäßig hohe Strahlqualität der erzeugten
Laserimpulse 24.
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Besonders
bevorzugt weist der laseraktive Festkörper 44 im Wesentlichen
Zylinderform auf, wobei ein Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig oder rechteckig
ist. Die Länge
la des ersten Bereichs 44a ist hierbei vorteilhaft kleiner
als ein Durchmesser oder eine Kantenlänge des Querschnitts, vorzugsweise
um den Faktor zwei oder mehr, so dass sich eine scheibenförmige Konfiguration
für den
laseraktiven Bereich 44a ergibt. Durch die Scheibenform
des laseraktiven Bereichs 44a ist eine besonders gute Kühlbarkeit
des laseraktiven Bereichs 44a gegeben.
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Das
Wirtsmaterial des ersten Bereichs 44a weist bevorzugt YAG,
Yttrium Aluminium Granat, und/oder GGG, Gadolinium Gallium Granat, und/oder
GSGG, Gadolinium Scandium Gallium Granat, auf. Dieselben Materialien
können
auch zur Ausbildung des zweiten Bereichs 44b vorgesehen
sein, wobei in diesem Fall das Wirtsmaterial undotiert bleibt.
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Als
Dotierstoff für
den laseraktiven Bereich 44a wird bevorzugt Ytterbium verwendet,
wobei eine Dotierung mindestens 2 at.%, vorzugsweise jedoch mehr
als 3 at.%, umfasst.
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Der
Auskoppelspiegel 48 besitzt vorzugsweise eine Auskoppelreflektivität zwischen
15% und 99% für
Wellenlängen
des Laserimpulses 24.
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Die
erfindungsgemäße scheibenförmige Konfiguration
für den
laseraktiven ersten Bereich 44a kann ganz besonders vorteilhaft
mit der verhältnismäßig großen Länge lb des
nicht laseraktiven zweiten Bereichs 44b kombiniert werden,
weil bei einem Bondprozess der beiden Komponenten 44a, 44b geringere
mechanische Spannungen auftreten, verglichen zu einer Konfiguration,
welche allein die Verbindung von mehreren scheibenförmigen Körpern zum Gegenstand
hat.
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Erfindungsgemäß kann darüberhinaus
auch durch eine entsprechende Verteilung von nicht laseraktivem
Material 44b – auch
in mehreren, voneinander getrennten Bereichen – das thermische Verhalten der
erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 beeinflusst
werden. Insbesondere dann, wenn das laseraktive Material des ersten
Bereichs 44a und/oder der passive Güteschalter 46 durch
Bereiche undotierten Materials 44b von dem Ein- beziehungsweise
Auskoppelspiegel 42, 48 getrennt sind, lassen
sich thermische Effekte, wie beispielsweise die Ausbildung einer
thermischen Linse, im Bereich der Spiegel 42, 48 vermeiden.
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Im
Gegensatz zu der in 2 abgebildeten Konfiguration
ist auch ein longitudinales optisches Pumpen der Lasereinrichtung 26 von
ihrem in 2 abgebildeten rechten Ende
möglich,
wobei bevorzugt ein Strahlteiler beziehungsweise ein Umlenkspiegel (nicht
gezeigt) eingesetzt wird, um einerseits das Pumplicht 60 in
den laseraktiven Festkörper 44 einzukoppeln,
und um andererseits ein effizientes Auskoppeln der erzeugten Laserimpulse 24 zu
ermöglichen.
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Ganz
besonders vorteilhaft besitzen die laseraktiven Bereiche 44a, 50 eine
Dotierung von vorzugsweise größer 3 at.%,
so dass eine entsprechend geringe Absorptionslänge in den betreffenden Komponenten
gegeben ist, wodurch ein effizientes optisches Pumpen ermöglicht ist.
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Ebenfalls
besonders vorteilhaft ist es, wenn der optische Verstärker 50 inklusive
gegebenenfalls vorhandener optischer Beschichtungen (nicht gezeigt)
zusammen mit dem laseraktiven Festkörper 44 monolithisch
ausgebildet ist. Eine separate Anordnung der betreffenden Komponenten 44, 50 ist
ebenfalls denkbar.
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Der
passive Güteschalter 46 hat
vorzugsweise eine Anfangstransmission zwischen 15% und 99%.
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In
den 3a bis 3e sind
beispielhaft weitere Konfigurationen für die Bereiche 44a, 44b innerhalb
des Laseroszillators angegeben, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips
erhalten werden können.
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3a zeigt
eine erste Konfiguration, bei der der laseraktive Bereich 44a direkt
neben dem Einkoppelspiegel 42 angeordnet ist. Optisch nachgeordnet
ist dem laseraktiven Bereich 44a der zweite, nicht laseraktive
Bereich 44b. An den zweiten, nicht laseraktiven Bereich 44b schließt sich,
wie aus 3a ersichtlich, die passive
Güteschaltung 46 an,
der auf ihrer in 3a rechten Seite schließlich der
Auskoppelspiegel 48 zugeordnet ist. Der Doppelpfeil L symbolisiert
eine Längsachse
der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26,
entlang der auch die erfindungsgemäß betrachteten Längen la,
lb der Bereiche 44a, 44b gemessen werden.
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3b zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
der Lasereinrichtung 26, bei der die passive Güteschaltung 46 zwischen
dem ersten Bereich 44a und dem zweiten Bereich 44b angeordnet ist.
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Im
Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß 3a, 3b ist
in 3c eine erfindungsgemäße Konfiguration der Lasereinrichtung 26 abgebildet,
bei der mehrere nicht laseraktive Bereiche 44b, 44b' vorgesehen
sind. Wie aus 3c ersichtlich ist, befindet sich
der erste nicht laseraktive Bereich 44b zwischen dem Einkoppelspiegel 42 und
dem laseraktiven Bereich 44a, während der zweite nicht laseraktive
Bereich 44b' zwischen
dem passiven Güteschalter 46 und
dem Auskoppelspiegel 48 angeordnet ist.
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In 3d sind
insgesamt drei nicht laseraktive Bereiche 44b, 44b', 44'' in dem laseraktiven Festkörper 44 der
Lasereinrichtung 26 vorgesehen, wobei die beiden nicht
laseraktiven Bereiche 44b, 44b'' analog
zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3c eine
thermische Entkopplung zwischen dem Einkoppelspiegel 42,
dem Auskoppelspiegel 48 und den weiteren Komponenten 44a, 44b', 46 bewirken. Hierdurch
wird insbesondere das Ausbilden einer thermischen Linse vermieden
sowie eine gegebenenfalls unzulässig
hohe thermische Belastung der üblicherweise
als dielektrische Schichten ausgebildeten Ein- und Auskoppelspiegel 42, 48.
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Der
dritte nicht laseraktive Bereich 44b' ist, wie aus 3d ersichtlich,
zwischen dem laseraktiven Bereich 44a und dem passiven
Güteschalter 46 angeordnet.
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3e gibt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 wieder, bei
der der laseraktive erste Bereich 44a von zwei nicht laseraktiven
Bereichen 44b, 44b' umgeben
ist.
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Insgesamt
ist bei allen vorstehend beschriebenen Konfigurationen die erfindungsgemäße geometrische
Randbedingung für
die Länge
la des ersten laseraktiven Bereichs 44a erfüllt, die
fordert, dass die Länge
lb des nicht laseraktiven Bereichs 44b gegebenenfalls unter
Hinzurechnung der passiven Güteschaltung 46 größer gleich
der eineinhalbfachen Länge
la des ersten Bereichs 44a ist. Im Falle mehrerer nicht
laseraktiver Bereiche werden deren einzelne Längen addiert, um die Bezugsgröße lb zu
erhalten.
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Je
nach Anordnung der laseraktiven Bereiche 44a, 50 ist
das Pumplicht 60 entsprechend in den laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise
auf den Verstärker 50 zu
fokussieren, um ein effizientes optisches Pumpen zu ermöglichen.
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Ergänzend zu
den unter Bezugnahme auf die 3a bis 3e beschriebenen
Konfigurationen kann die Lasereinrichtung 26 auch derart
ausgebildet sein, dass sich die folgende Reihenfolge der Komponenten
entlang der Längsachse
L (3a) ergibt: Einkoppelspiegel 42, undotierter
Bereich 44b, passive Güteschaltung 46,
laseraktiver Bereich 44a; Auskoppelspiegel 48.
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Obwohl
alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 26 jeweils
einen undotierten, das heißt
nicht laseraktiven, Bereich 44b aufweisen, kann das erfindungsgemäße Prinzip
auch ohne die Verwendung eines separaten undotierten Bereichs 44b umgesetzt werden.
Hierbei weist der entsprechende Laseroszillator allein einen laseraktiven
Bereich 44a sowie die passive Güteschaltung 46 auf
und die Ein- beziehungsweise Auskoppelspiegel 42, 48.
In diesem Fall wird als Länge
lb des nicht laseraktiven Bereichs die Länge der passiven Güteschaltung 46 entlang
der Längsachse
L (3a) betrachtet. Das heißt, in diesem Fall ist die Länge lb der
passiven Güteschaltung 46 mindestens
etwa eineinhalbmal so groß zu
wählen
wie die Länge
la des laseraktiven Bereichs 44a.
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Dem
optischen Verstärker 50 (2)
können
analog zu den beschriebenen nicht laseraktiven Bereichen 44b,
.. auch eigene nicht laseraktive Bereiche (nicht gezeigt) zugeordnet
sein, mit denen er beispielsweise einen monolithischen Körper ausbilden kann.