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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anregung verschiedener Lasermedien
zur Erzeugung von Laserlicht – ein Lasermodul. Voraussetzung
für die Generierung von Laserlicht ist eine Anregung (ein
Pumpen) von beispielsweise Atomen, Ionen, Molekülen oder
Quantenpunkten in koloidalen Lösungen oder als Halbleiter,
welche als laseraktives Medium eingesetzt werden können.
Durch die Anregung erfolgt eine Besetzung höher gelegener
Energieniveaus im laseraktiven Medium. Ist die Anregung stark genug,
kommt es zu einer Besetzungsinversion, wodurch Laserlicht als Folge
der stimulierten Emission abgestrahlt wird. In eine Pumpkammer wird dafür
Pumplicht einer Lichtquelle eingekoppelt. Dieses Licht trifft auf
das in der Pumpkammer enthaltene laseraktive Medium, wobei Reflexionen
das Pumplicht in eine zur Anregung des laseraktiven Mediums geeignete,
beispielsweise homogene Verteilung transformieren. Zur Erhöhung
der Pumpeffizienz und damit des auf die aufgewendete Pumplichtenergie
bezogenen Wirkungsgrades werden verschiedene Reflektor- und Spiegelanordnungen
eingesetzt. Ergebnis dieses Prozesses ist die Anregung eines laseraktiven
Mediums zur Abstrahlung von Laserlicht.
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Hintergrund der Erfindung
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Lasermodule
kommen in vielen Bereichen bereits zur Anwendung, insbesondere in
der Medizin oder der Industrie. Ihre entscheidenden Vorteile gegenüber
herkömmlichen Werkzeugen liegen sowohl in der Möglichkeit
eines berührungslosen Arbeitens als auch in der dabei erreichbaren
Präzision.
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Die
Deutsche Patentschrift
100 13 371 B4 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Laserlicht. Durch die Verspiegelung der Endflächen
der Pumpkammer und durch die Reflexion bzw. Totalreflexion an den
Wänden der Pumpkammer wird die eingekoppelte Lichtenergie
innerhalb der Pumpkammer verstärkt und vom laseraktiven
Medium absorbiert. Es kommt zur Abstrahlung von Laserlicht.
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Aus
der
Deutschen Offenlegungsschrift
1 764 967 ist ein Hohlspiegelsystem für Molekularverstärker
bekannt. Ein Hohlspiegel in Form eines Paraboloids oder auch in
Form eines parabolischen Zylinders begrenzt einen Raum, in dem sich
Pumplichtquelle und laseraktives Medium befinden. Zur Erfassung
des seitlichen Pumplichtes verschließt je ein ebener Spiegel
die beiden Seiten des parabolischen Zylinders. Der Hohlspiegel in
Form eines Paraboloids wird mittels eines ebenen Spiegels, dessen
Normale parallel zur Rotationsachse des Paraboloids verläuft, abgeschlossen.
Das von der Pumplichtquelle stammende Pumplicht wird praktisch vollständig
gespiegelt, durchdringt das laseraktive Medium mehrmals und wird
von dem laseraktiven Medium absorbiert.
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Die
Deutsche Patentschrift
199 25 648 B4 beschreibt ein Lasersystem mit einer Hohlspiegelanordnung.
Bei der Hohlspiegelanordnung handelt es sich um einen einzigen zusammenhängenden
Hohlspiegel, dessen reflektierende Innenfläche einen Teil eines
Rotationselipsoids bildet. Dadurch kann viel von dem Pumplicht eingefangen
und wieder zum laseraktiven Medium zurückgespiegelt werden,
wodurch das Pumplicht gut ausgenutzt wird.
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In
der
Deutschen Patentschrift
103 38 417 B3 wird eine Ausführung einer Laservorrichtung
betrachtet, bei der ein Parabolspiegel als Fokussierungsoptik ausgebildet
ist, welche einen Mehrfachdurchgang des Pumplichtes durch das laseraktive Medium
und damit eine Verstärkung des Pumplichtes bewirkt.
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Darstellung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Anregung von
Lasermedien zu schaffen, die Laserlicht hoher Ausgangsleistung auf
kleinem Raum erzeugen kann.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche
2 bis 13.
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Die
Vorrichtung – ein Lasermodul – umfasst eine Pumpkammer
mit einem in einer Flowtube enthaltenen laseraktiven Medium und
ein Mittel zum Einkoppeln von Pumpstrahlung einer Pumplichtquelle
in die Pumpkammer. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass
sich wenigstens ein Reflexionsmittel innerhalb der Pumpkammer befindet,
das die eingekoppelte Pumpstrahlung in eine langgestreckte Form auf
das laseraktive Medium transformiert. Dadurch wird ein hoher Ausnutzungsgrad
des laseraktiven Mediums erreicht.
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In
einer Ausführungsform ist das Reflexionsmittel Teil der
Pumpkammer. In einer anderen Ausführungsform ist das Reflexionsmittel
Teil eines Elementes, wobei das Element bereichsweise oder vollständig
verspiegelt ist. Ein solches Element ermöglicht eine genaue
Positionierung des Reflexionsmittels innerhalb der Pumpkammer.
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Das
Element kann beispielsweise an der Innenseite des Mantels der Pumpkammer
angebracht sein. Das Element kann in einer weiteren Ausführungsform
auch an der Außenseite der Mantelfläche der Flowtube
angebracht sein. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibilität
bei der Ausgestaltung der Pumpkammer und der Flowtube.
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In
einer Ausführungsform sind die Pumpkammer und das Element
einteilig ausgebildet. Die Pumpkammer und das Element können
aber auch aus mehreren Teilen bestehen. Je nach Anwendung ist es
damit möglich, verschiedene Materialeigenschaften auszunutzen,
beispielsweise Reflexionseigenschaften.
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In
einer anderen Ausführungsform sind die Flowtube und das
Element einteilig ausgebildet. Die Flowtube und das Element können
aber auch aus mehreren Teilen bestehen. Auch bei einer solchen Ausführungsform
besteht die Möglichkeit der Ausnutzung verschiedener Materialeigenschaften,
beispielsweise durch Anpassung von Brechungsindizes.
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In
einer Ausführungsform ist die Pumpkammer bereichsweise
lichtreflektierend gestaltet, sodass eingekoppeltes Pumplicht einer
Pumplichtquelle in der Pumpkammer reflektiert werden kann.
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Eine
weitere Ausführungsform ist so gestaltet, dass das laseraktive
Medium optional longitudinal angeregt wird, sodass zusätzliche
Lichtenergie zur Anregung des laseraktiven Mediums zur Verfügung
steht.
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Die
zuvor genannten und weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung werden auch anhand der Ausführungsbeispiele
deutlich, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben
werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Von
den Figuren zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Lasermoduls,
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2a eine
schematische Darstellung eines Strahlenverlaufes innerhalb eines
in einer Seitenansicht dargestellten Elementes,
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2b eine
schematische Darstellung eines Strahlenverlaufes innerhalb eines
in einer Draufsicht dargestellten Elementes und
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2c eine
schematische Darstellung eines Strahlenverlaufes innerhalb eines
in einer Seitenansicht dargestellten Elementes mit Anbindung an
eine Flowtube.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 ist
schematisch ein Lasermodul dargestellt. In einer Pumpkammer 101,
die beispielsweise aus einem Zylinder 102 und zwei Endflächen 103 gebildet
wird, befindet sich ein laseraktives Medium 104 innerhalb
einer Flowtube 105. Auf der Mantelfläche 106 der
Flowtube 105 befinden sich beispielsweise vier Elemente 107.
Ein Bestandteil der Elemente 107 ist jeweils ein Reflexionsmittel 108.
Die Reflexionsmittel 108 sind so auf ein laseraktives Medium 104 in
der Flowtube 105 gerichtet, dass dort das über Lichtleitsysteme 109 eingekoppelte
Pumplicht in eine langgestreckte Form transformiert wird. Eine Kühlflüssigkeit
durchströmt den Spalt 110 zwischen laseraktivem
Medium 104 und Flowtube 105.
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Funktionsweise:
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Die
optische Anregung des laseraktiven Mediums 104 erfolgt
mit einer geeigneten Pumplichtquelle. Zu diesem Zweck wird das Licht
der Pumplichtquelle mittels eines oder mehrerer Lichtleitsysteme 109 über
die Elemente 107 mit den Reflexionsmitteln 108 durch
die Flowtube 105 und den mit Kühlflüssigkeit
gefüllten Spalt 110 in das laseraktive Medium 104 eingekoppelt.
Die Reflexionsmittel 108, welche sich innerhalb der Pumpkammer 101 befinden,
sowie die bereichsweise verspiegelten Mantelinnenflächen
des Zylinders 102 und Innenflächen der Endflächen 103 der
Pumpkammer 101 reflektieren das Licht der Pumplichtquelle
innerhalb der Pumpkammer 101 und der Elemente 107.
Das laseraktive Medium 104 absorbiert das transformierte Licht
der Pumplichtquelle. Es erfolgt eine optische Anregung des laseraktiven
Mediums 104, die nach Überschreiten der Laserschwelle
zur Abstrahlung von Laserlicht durch das laseraktive Medium 104 führt.
Die Kühlflüssigkeit, die den Spalt 110 durchströmt, übernimmt
dabei das Kühlen des laseraktiven Mediums 104.
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Die
Reflexion des in die Pumpkammer 101 eingekoppelten Pumplichtes
zur Ausleuchtung und Anregung des laseraktiven Mediums 104 erfolgt über lichtreflektierende
Bereiche. Zu diesen Bereichen gehören beispielsweise die Mantelinnenflächen
des Zylinders 102 und die Innenflächen der Endflächen 103 der
Pumpkammer 101. An den Stellen einer Endfläche 103,
an denen das Licht der Pumplichtquelle mittels der Lichtleitsysteme 109 in
die Pumpkammer 101 eingeleitet wird; ist die Endfläche 103 der
Pumpkammer 101 nicht verspiegelt.
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Als
einen weiteren lichtreflektierenden Bereich innerhalb der Pumpkammer 101 enthält
das Element 107 das Reflexionsmittel 108. In einer
Abwandlung enthält das Element 107 zusätzlich
zu dem Reflexionsmittel 108 bereichsweise weitere Spiegelflächen.
Auch eine vollständige Verspiegelung ist möglich.
Ausgenommen von einer Verspiegelung sind bei der vollständigen
Verspiegelung des Elements 107 einerseits die Schnittstelle
zur Mantelfläche 106 der Flowtube 105 und
andererseits die Schnittstelle zu dem Lichtleitsystem 109.
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Die
Pumpkammer enthält mindestens ein Element 107 mit
einem Reflexionsmittel 108. Die Anzahl der Elemente 107 mit
jeweils einem Reflexionsmittel 108 ist je nach Ausführungsform
variabel. Mehrere Elemente 107 sind in regelmäßigen
oder unregelmäßigen Abständen um die
Flowtube 105 herum angeordnet. Eine umlaufende Anordnung
in Form eines einzigen Elementes 107 ist ebenfalls möglich.
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In
einer Ausgestaltung des Elementes 107 ist vorgesehen, dass
das Element 107 aus einem Vollmaterial ausgebildet ist.
Es ist aber auch möglich, das Element 107 an einer
Seite offen zu gestalten, wobei die offene Seite gegenüber
der Seite liegt, die das Reflexionsmittel 108 enthält.
Ein dergestalt offenes Element 107 lässt sich
sowohl leer als auch gefüllt in die Pumpkammer einbringen.
Als Füllungen sind beispielsweise verschiedene transparente
dielektrische Medien verwendbar. Dadurch wird die Ausnutzung der
unterschiedlichen Brechungsindizes der verschiedenen Materialien
möglich.
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Die
Form des Reflexionsmittels 108 bestimmt die Form der Transformation
des über die Lichtleitsysteme 109 eingekoppelten
Pumplichtes auf der Mantelfläche des laseraktiven Mediums 104.
Das von den Lichtleitsystemen 109 abgestrahlte Licht trifft in
einer annähernd kreisförmigen Fläche
auf das Reflexionsmittel 108. Das Reflexionsmittel 108 weist
in seiner Längsausdehnung eine gekrümmte Form
auf. Dadurch wird das in die Flowtube 105 eingekoppelte Pumplicht
in eine langgestreckte Form auf das laseraktive Medium 104 transformiert.
Die Ausdehnung dieser langgestreckten Form ist dabei u. a. abhängig von
den geometrischen Eigenschaften des Reflexionsmittels 108,
beispielsweise von Länge, Breite und Krümmung
des Reflexionsmittels 108. Die Transformation kann dabei
beispielsweise bis zu einer Größe der äußeren
Abmessungen des laseraktiven Mediums erfolgen.
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Abwandlungen
zu einer gekrümmten Form des Reflexionsmittels 108,
wie beispielsweise eine gerade Form oder ein Paraboloid, transformieren
das in die Flowtube 105 eingekoppelte Pumplicht ebenfalls
in einer langgestreckten Form auf das laseraktive Medium 104.
Auch mittels einer facettierten Form wird eine langgestreckte Transformation
erreicht, wobei es sich bei einer facettierten Form um eine Form handelt,
die durch einen Oberflächenschliff beispielsweise in geometrischer
Form entsteht.
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In
einer Ausführungsform sind die Flowtube 105 und
das Element 107 einteilig ausgebildet. Dadurch reduzieren
sich die an den Übergängen unterschiedlicher Medien üblicherweise
entstehenden Lichtbrechungseffekte. Bei einer anderen Ausführungsform
sind die Flowtube 105 und das Element 107 aus
mehreren Teilen ausgebildet. Dadurch ergeben sich fertigungstechnische
Vorteile bei der Herstellung der Teile. Dabei können gleiche
oder auch verschiedene Materialien für die Flowtube 105 und das
Element 107 verwendet werden. Durch die Verwendung verschiedener
Materialien ergibt sich auch hier die Möglichkeit, die
unterschiedlichen Brechungsindizes der Materialien auszunutzen.
Eine Verbindung zwischen der Flowtube 105 und dem Element 107 wird
beispielsweise über einen Kleber für Laseroptiken
realisiert. Aber auch andere Befestigungsarten sind möglich.
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Bei
einer Ausbildung des Elementes 107 als inverses Element,
also als Element, bei dem das Innere des Kreises mit dem Äußeren
des Kreises vertauscht wird, wird das Element 107 an der
Innenseite des Zylinders 102 der Pumpkammer 101 angebracht. In
einer Ausführungsform sind hier ebenfalls die Pumpkammer 101 und
das Element 107 einteilig ausgebildet. Bei einer anderen
Ausführungsform sind die Pumpkammer 101 und das
Element 107 aus mehreren Teilen ausgebildet. Dadurch ergeben
sich fertigungstechnische Vorteile bei der Herstellung der Teile.
Dabei können gleiche oder auch verschiedene Materialien
für die Pumpkammer 101 und das Element 107 verwendet
werden. Eine Verbindung zwischen der Pumpkammer 101 und
dem Element 107 wird beispielsweise über einen
Kleber für Laseroptiken realisiert. Aber auch andere Befestigungsarten sind
möglich.
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Eine
bereichsweise Ausbildung der Pumpkammer 101 in Form des
eingesetzten Reflexionsmittels 108 ermöglicht
eine Integration des Reflexionsmittels in die Wand des Zylinders 102 der
Pumpkammer 101. Ein Element 107 wird damit gegenstandslos.
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In 2a ist
schematisch ein typischer Strahlenverlauf innerhalb eines in einer
Seitenansicht dargestellten Elementes aufgezeigt. 2b zeigt
schematisch einen typischen Strahlenverlauf innerhalb eines in einer
Draufsicht dargestellten Elementes. Über ein Lichtleitsystem 109 wird
Pumplicht einer Pumplichtquelle in ein Element 107 eingeleitet. Die
Reflexion des eingeleiteten Pumplichtes erfolgt an einem Reflexionsmittel 108,
welches Bestandteil des Elementes 107 ist.
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In 2c ist
schematisch das Element in einer Seitenansicht mit Anbindung an
eine Flowtube dargestellt. Die Einkopplung von Pumplicht einer Pumplichtquelle
erfolgt über ein Lichtleitsystem 109 in ein Element 107.
Reflektiert wird das Pumplicht an einem Reflexionsmittel 108,
welches Bestandteil des Elementes 107 ist. Dabei tritt
das Pumplicht durch eine Endfläche 103 der Pumpkammer 101.
Die Pumpkammer 101 wird durch einen Zylinder 102 begrenzt.
Die reflektierte Strahlung dringt über die Mantelfläche 106 der
Flowtube 105 durch die Wand der Flowtube 105 und
durch die sich im Spalt 110 befindende Kühlflüssigkeit
und trifft dann auf das laseraktive Medium 104.
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Die
Tatsache, dass durch die Verwendung eines Reflexionsmittels 108 in
gekrümmter Form eine langgestreckte Transformation des
in die Flowtube 105 eingebrachten Pumplichts auf der Längsausdehnung
des laseraktiven Mediums 104 erfolgt, ermöglicht
eine effektive Ausnutzung des laseraktiven Mediums 104.
Das schafft die Voraussetzung dafür, dass für
ein solcherart gestaltetes Lasermodul durch eine Längenoptimierung
des laseraktiven Mediums 104 eine kompakte Bauweise der
Pumpkammer 101 und damit des gesamten Lasermoduls bei gleichbleibender
oder erhöhter Ausgangsleistung des Laserlichtes realisierbar
ist. Damit ergeben sich für ein solches Lasermodul vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten, die bislang aufgrund des erforderlichen
großen Bauraumes der Lasermodule nicht bzw. nur über
sogenannte Lichttransmissionssysteme, also Systeme, die ein Lichtsignal
von Ort A nach Ort B weiterleiten, umsetzbar waren. Als Beispiel
werden hier genannt Laserapplikationen in der minimal-invasiven
Chirurgie (MIC) oder in der Zahnmedizin. Lasermodule können
direkt in die Handstücke, welche üblicherweise
in der Medizin zum Einsatz kommen, integriert werden. Ebenfalls
möglich ist die Integration in Bearbeitungswerkzeugen zur
hochpräzisen Bearbeitung von Werkstücken bzw.
Werkstoffen.
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- 101
- Pumpkammer
- 102
- Zylinder
der Pumpkammer
- 103
- Endfläche
der Pumpkammer
- 104
- Laseraktives
Medium
- 105
- Flowtube
- 106
- Mantelfläche
der Flowtube
- 107
- Element
- 108
- Reflexionsmittel
- 109
- Lichtleitsysteme
- 110
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10013371
B4 [0003]
- - DE 1764967 A [0004]
- - DE 19925648 B4 [0005]
- - DE 10338417 B3 [0006]