DE102009011186A1 - Vorrichtung zur Anregung von Lasermedien - Google Patents

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Abstract

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Anregung von Lasermedien zu schaffen, die Laserlicht hoher Ausgangsleistung auf kleinem Raum erzeugen kann. Es wird ein Lasermodul vorgeschlagen, das eine Pumpkammer 101 mit einem laseraktiven Medium 104 in einer Flowtube 105 und einem Lichtleitsystem 109 zum Einkoppeln von Pumpstrahlung einer Pumplichtquelle in die Pumpkammer 101 umfasst. Das Lasermodul zeichnet sich dadurch aus, dass sich wenigstens ein Reflexionsmittel 108 innerhalb der Pumpkammer 101 befindet und dass das Reflexionsmittel 108 die eingekoppelte Pumpstrahlung in einer langgestreckten Form auf das laseraktive Medium 104 transformiert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Darstellung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Anregung von Lasermedien zu schaffen, die Laserlicht hoher Ausgangsleistung auf kleinem Raum erzeugen kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer Ausführungsform ist die Pumpkammer bereichsweise lichtreflektierend gestaltet, sodass eingekoppeltes Pumplicht einer Pumplichtquelle in der Pumpkammer reflektiert werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Von den Figuren zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Lasermoduls,
  • 2a eine schematische Darstellung eines Strahlenverlaufes innerhalb eines in einer Seitenansicht dargestellten Elementes,
  • 2b eine schematische Darstellung eines Strahlenverlaufes innerhalb eines in einer Draufsicht dargestellten Elementes und
  • 2c eine schematische Darstellung eines Strahlenverlaufes innerhalb eines in einer Seitenansicht dargestellten Elementes mit Anbindung an eine Flowtube.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • 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.
  • Funktionsweise:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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
    • - DE 10013371 B4 [0003]
    • - DE 1764967 A [0004]
    • - DE 19925648 B4 [0005]
    • - DE 10338417 B3 [0006]

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Anregung von Lasermedien unter Verwendung einer Pumpkammer, in welcher wenigstens abschnittsweise ein laseraktives Medium in einer Flowtube enthalten ist, und eines Mittels zum Einkoppeln von Pumpstrahlung einer Pumplichtquelle in die Pumpkammer, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb der Pumpkammer wenigstens ein Reflexionsmittel befindet, das die eingekoppelte Pumpstrahlung in eine langgestreckte Form auf das laseraktive Medium transformiert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Reflexionsmittel Teil der Pumpkammer ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Reflexionsmittel Teil eines Elementes ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Element bereichsweise lichtreflektierend gestaltet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Element vollständig lichtreflektierend gestaltet ist.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Element an einer Innenseite eines Zylinders der Pumpkammer angebracht ist.
  7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Element an einer Außenseite einer Mantelfläche der Flowtube angebracht ist.
  8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Pumpkammer und das Element aus einem Teil bestehen.
  9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Flowtube und das Element aus einem Teil bestehen.
  10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Pumpkammer und das Element aus mehreren Teilen bestehen.
  11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Flowtube und das Element aus mehreren Teilen bestehen.
  12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei der die Pumpkammer bereichsweise lichtreflektierend gestaltet ist.
  13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei der das laseraktive Medium longitudinal angeregt wird.
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