-
Die
Erfindung betrifft einen Laser nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Der
Laser umfasst einen Endspiegel und einen Auskoppelspiegel, die als
Resonator angeordnet sind. Im Strahlengang des Resonators befindet
sich ein laseraktives Medium, zum Beispiel ein Laserkristall oder
-glas z. B. in Form eines so genannten „Stab” (Platte,
Scheibe) oder „Rod” (Rundstab). Zur Anregung des
Lasers müssen die Atome oder Moleküle des laseraktiven
Mediums zumindest zum Teil in angeregte Zustände versetzt
werden, so dass eine Besetzungsinversion vorliegt. Dazu muss von
außen Energie zugeführt werden. Dieser Prozess
wird als Pumpen bezeichnet. Es kann elektrisch z. B. in Form einer
Gasentladung oder durch die Injektion von Ladungsträgern
beim Halbleiterlaser als auch optisch durch Licht z. B. einer Gasentladungslampe
oder eines anderen Lasers, erfolgen.
-
Laser
werden anhand ihrer laseraktiven Medien eingeteilt, z. B. in Festkörperlaser,
Gaslaser oder Faserlaser. Bei Faserlasern ist ein dotierter Lichtleiter,
meist eine dotierte Glasfaser das laseraktive Medium. Bei herkömmlichen
Festkörperlasern ist das laseraktive Medium ein im Vergleich
zu einer Glasfaser starrer Körper, in dem zur Erzeugung
des Laserlichtes nur frei in dem Körper propagierendes Licht,
nicht jedoch zuvor an der Mantelfläche des Körpers
reflektiertes Licht beiträgt. Hierin unterscheidet sich
ein Festköperlaser von einem Faserlaser: Bei einem Faserlaser
trägt an der Mantelfläche reflektiertes Licht
ganz wesentlich zu Erzeugung von aus der Faser austretendem Laserlicht
bei. Faserlaser werden deshalb aus historischen Gründen
nicht den Festkörperlasern zugerechnet. Nachfolgend werden
diese herkömmlichen Festkörperlaser lediglich
als Festkörperlaser bezeichnet, d. h. der Begriff Festkörperlaser
umfasst nicht einen Faserlaser.
-
Festkörperlaser
haben den Vorteil, dass man zwischen dem Endspiegel und dem Auskoppelspiegel
einen oder mehrere Güteschalter anordnen kann. Deshalb
eignen sich Festkörperlaser zur Erzeugung gut kontrollierbarer
Laserimpulse. Im Vergleich zu Festkörperlasern haben Faserlaser
den Vorteil, dass die emittierte Laserstrahlung eine höhere
Strahlqualität aufweist. Zudem haben Faserlaser eine sehr gute
Leistungsskalierbarkeit. Nachtei lig an den bekannten Faserlasern
ist jedoch, dass gepulstes Lasern nur schwierig zu steuern ist.
-
Aus
der
GB 3,309,820 ist
ein Faserlaser mit einem passiven Güteschalter zur Erzeugung
gepulster Laserstrahlung bekannt: Der Faserlaser hat eine Pumplichtquelle,
die eine laseraktive Faser speist. Durch spontane Emission entstehende
Lichtquanten werden in einen mit der laseraktiven Faser gekoppelten „Lichtspeicher” eingespeist.
Der Lichtspeicher ist im Wesentlichen eine Lichtleiterschleife.
Mit zunehmender Besetzungsinversion steigt die spontane Emission
von Lichtquanten und entsprechend die Intensität des Lichtes
in dem Lichtspeicher. Durch Raleigh-Streuung wird ein Teil des im
Lichtspeicher gespeicherten Lichtes in die laseraktive Faser rückgestreut.
Wenn diese Rückstreuung einen Grenzwert übersteigt,
wird ein Laserpuls angeregt, der beim Durchlaufen der laseraktiven
Faser verstärkt wird. Dabei wird die Besetzungsinversion
abgebaut. Über die Intensität des Pumplichtes
lässt sich der zeitliche Abstand zwischen zwei Laserpulsen
einstellen. Weil die Streuzentren über den ganzen Lichtspeicher
verteilt sind, hat der Laser keinen Resonator mit einer festen Resonatorlänge.
Der Laser hat folglich ein entsprechend breites Frequenzspektrum.
-
Ein
Laser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus
der
DE 10 3004
012 307 A1 bekannt. Dieser Laser zeichnet sich durch einen
hohen Wirkungsgrad der Einkoppelung des Pumplichts und eine hohe
Leistungsdichte im laseraktiven Medium aus. Der Aufbau des Lasers
ermöglicht es in dem Strahlengang zwischen dem laseraktiven
Medium und dem Auskoppelspiegel einen oder mehrere Güteschalter
anzuordnen, so dass ein gepulster Festkörperlaser mit einer
sehr guten Steuerbarkeit der Pulsemission realisierbar ist.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines Faserlasers,
d. h. eine hohe Strahlqualität und Leistungsskalierbarkeit
mit den Vorteilen eines Festkörperlasers, nämlich
der guten Steuerbarkeit der Pulsemission, zu verbinden.
-
Diese
Aufgabe ist durch einen Laser nach dem Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
-
Der
Laser umfasst ein laseraktives Medium, das ein- oder mehrstückig
sein kann, sowie Mittel zum Pumpen eines laseraktiven Mediums. Das
laseraktive Medium ist im Strahlengang eines Resonators angeordnet.
Der Resonator weist einen Endspiegel und einen Auskoppelspiegel
auf. Natürlich können die Spiegel aus mehreren
Teilspiegeln bestehen. Aus dem laseraktiven Medium austretendes
Licht wird in einen Lichtleiter, z. B. eine lichtleitende Faser,
eingekoppelt. Der Lichtleiter leitet das Licht zu dem Auskoppelspiegel.
Entsprechend ist in dem Strahlengang zwischen dem laseraktiven Medium
und dem Auskoppelspiegel mindestens ein Mittel zum Einkoppeln von
aus dem laseraktiven Medium austretendem Licht in den Lichtleiter
angeordnet. Die Mittel zum Einkoppeln sind im einfachsten Fall eine
Linse. Der Laser hat die oben genannten Vorteile eines herkömmlichen
Festkörperlasers, weil in dem Strahlengang innerhalb des
Resonators ein oder mehrere – je nach Anwendungszweck auszuwählende – Güterschalter
angeordnet werden können. Zudem kann der Laser mit einem
Faserverstärker, d. h. einem Faserlaser, gekoppelt werden.
Folglich ist neben der guten Steuerbarkeit der Pulsemission auch
eine hohe Strahlqualität und eine gute Leistungsskalierbarkeit gegeben.
-
Bevorzugt
ist der Auskoppelspiegel ein in die lichtleitende Faser eingebrachter
Reflektor, z. B. ein Bragg-Gitter. Dies hat den Vorteil, dass Licht,
ohne aus der Faser ausgekoppelt zu werden, im Resonator propagieren
kann. Aus dem Auskoppelspiegel austretendes Laserlicht kann zudem
sehr einfach und mit geringer Dämpfung mit einem Faserverstärker
gekoppelt werden. Dazu genügt es den außerhalb
des Resonators endenden Teil der lichtleitenden Faser mit einem
Faserverstärker zu verspleißen oder zu verschweißen.
-
Vorzugsweise
ist die lichtleitende Faser nicht laseraktiv, dies ermöglicht
eine besonders gute Steuerbarkeit der Impulsemission. Alternativ
kann die lichtleitende Faser auch ein laseraktives Medium sein,
dadurch kann die Energie der einzelnen Laserpulse durch eine entsprechende
Wahl der Länge der laseraktiven lichtleitenden Faser in
einem großen Bereich skaliert werden.
-
Zur
Steuerung der Laserpulse kann im Strahlengang zwischen dem laseraktiven
Medium und der lichtleitenden Faser mindestens ein Güteschalter
angeordnet sein. Geeignet sind insbesondere passive, elektro-optische
und/oder akusto-optische Güteschalter.
-
Vorzugsweise
umfasst das optische Mittel zum Einkoppeln von aus dem laseraktiven
Medium austretenden Licht Lichtleiter eine GRIN-Linse. Die GRIN-Linse
ist bevorzugt unmittelbar an das laseraktive Medium angesetzt, wodurch
die Anzahl möglicherweise reflektierender Grenzflächen
reduziert wird. Aus dem gleichen Grund ist die GRIN-Linse bevorzugt
unmittelbar mit der lichtleitenden Faser verbunden oder einstückig
mit dieser ausgeführt.
-
Zum
Pumpen des laseraktiven Mediums wird bevorzugt Pumplicht über
den Endspiegel in das laseraktive Medium eingekoppelt.
-
Der
Endspiegel kann beispielsweise auf das laseraktive Medium aufgedampft
sein. Anhand der Zeichnung wird die Erfindung schematisch vereinfacht
näher erläutert. Es zeigt:
-
1 einen
ersten Laser,
-
2 einen
zweiter Laser, und
-
3 einen
dritten Laser.
-
Der
Laser in 1 hat einen Resonator, der durch
einen Endspiegel 30 und einen Auskoppelspiegel 75,
der hier durch ein Bragg-Gitter, welches in einer nicht laseraktiven
lichtleitenden Faser 70 ist, begrenzt wird. In dem durch
die Linien angedeuteten Strahlengang 80 ist ein laseraktives
Medium 40, hier beispielsweise ein YAG-Stab. Weiter ist
in dem Strahlengang 80 ein Güteschalter 50.
Zwischen dem Güteschalter 50 und der lichtleitenden
Faser 70 sind Mittel 60 zum Einkoppeln von aus
dem laseraktiven Medium 40 austretendem Licht, welche hier
beispielhaft und schematisiert als Linse dargestellt sind. Zum Pumpen
des laseraktiven Mediums 40 hat der Laser Mittel zum Pumpen 10,
hier ein schematisch angedeutetes Diodenarray. Das von dem Diodenarray 10 emittierte
Licht wird über eine Linse 20 und durch den Endspiegel 30 in
das laseraktive Medium 40 eingekoppelt.
-
Beim
Betrieb des Lasers wird das laseraktive Medium 40 zunächst
durch von dem Diodenarray 10 emittiertes Licht gepumpt,
wobei durch den Güteschalter 50 eine stimulierte
Emission unterbunden wird, bis die Besetzungsinversion des laseraktiven Mediums 40 einen
vorgegebenen Wert erreicht hat. Anschließend wird der Strahlengang 80 durch
den Güteschalter 50 freigegeben und es kommt zur
stimulierten Emission, wobei die Beset zungsinversion zumindest weitgehend
abgebaut wird. Der Güteschalter 50 wird wieder
umgeschaltet, so dass weitere stimulierte Emissionen so lange unterbunden
wird, bis die Besetzungsinversion wieder ihren vorgegebenen Wert
erreicht hat. Das beim Lasern aus der lichtleitenden Faser 70 an
deren Ende 78 austretende Laserlicht, wird einem nicht
dargestellten Faserverstärker als Eingangssignal zugeführt.
-
Der
Laser in 2 hat, wie der Laser in 1,
einen Resonator aus einem Endspiegel 30 und einem Bragg-Gitter
als Auskoppelspiegel 75. In dem angedeuteten Strahlengang 80 ist
als laseraktives Medium 40 ein YAG-Stab, der durch drei
Mittel zum Pumpen, hier Pumplichtquellen 10, gepumpt wird.
Zwischen dem laseraktiven Medium 40 und der lichtleitenden
Faser 70 ist eine GRIN-Linse 60 als Mittel zum
Einkoppeln von aus dem laseraktiven Medium 40 austretendem
Licht in die lichtleitende, nicht laseraktive Faser 70.
Das an dem Ende 78 aus der lichtleitenden Faser 70 austretende
Laserlicht, kann einen Faserverstärker (nicht dargestellt)
triggern, wozu das Ende 78 bevorzugt unmittelbar mit dem entsprechenden
Eingang des Faserverstärkers gekoppelt wird. Ebenfalls
nicht dargestellt ist ein Güteschalter, der z. B. zwischen
dem Endspiegel 30 und dem YAG-Stab 40 im Strahlengang 80 angeordnet werden
kann.
-
Der
Laser in 3 unterscheidet sich von dem
Laser in 1 im Wesentlichen durch den Strahlengang
des Pumplichts: Das laseraktive Medium (nicht sichtbar) ist in einer
Ausnehmung eines Kühlfingers 45 angeordnet und
wird durch Pumplicht eines fasergekoppelten Diodenlasers 10 gepumpt. Dazu
wird das Pumplicht über eine Linse 20 und einen
Hohlspiegel 25 in das laseraktive Medium eingekoppelt.
Ein Teil des von dem fasergekoppelten Diodenlaser 10 emittierten
Pumplichts tritt wieder aus dem laseraktiven Medium aus und trifft
auf einen anderen Bereich des Hohlspiegels 25. Von dort
wird es zu einem Prisma gespiegelt. Durch das Prisma wird das Pumplicht
auf einen weiteren Bereich des Hohlspiegels 25 geworfen
und dort so umgelenkt, dass es wieder in das laseraktive Medium
eingekoppelt wird. Der Laser hat einen Resonator, der einen Enspiegel (nicht
dargestellt, weil im Kühlfinger angeordnet) und einen Auskoppelspiegel 75 umfasst.
Im Strahlengang des Resonators ist ein Güteschalter 50,
sowie eine Linse 60 als Mittel zum Einkoppeln von aus dem laseraktiven
Medium austretendem Licht in eine lichtleitende Faser 70,
in die der Auskoppelspiegel – ein Bragg-Gitter 75 – eingebracht
ist. Das aus der Endfläche 78 der lichtleitenden
Faser 70 austretende Laserlicht kann z. B. einem Faserverstärker
zugeführt werden.
-
- 10
- Mittel
zum Pumpen
- 20
- Linse
- 25
- Hohlspiegel
- 30
- Endspiegel
- 40
- laseraktives
Medium
- 50
- Güteschalter
- 60
- Mittel
zum Einkoppeln von aus laseraktivem Medium 40 austretendem
Licht in lichtleitende Faser 70
- 70
- lichtleitende
Faser
- 75
- Auskoppelspiegel
- 78
- dem
laseraktiven Medium 40 abgewandtes Ende der lichtleitenden
Faser
- 80
- Strahlengang
des Lichts im Resonator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - GB 3309820 [0005]
- - DE 103004012307 A1 [0006]