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Die Erfindung betrifft eine Pockelszelle, umfassend wenigstens einen elektrooptischen Kristall, an dem wenigstens zwei voneinander beabstandete Elektroden angeordnet sind, sowie einen mit wenigstens einer der beiden Elektroden mechanisch verbundenen Grundkörper.
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Eine solche Pockelszelle wird beispielsweise in der
WO 2004057412 A2 beschrieben. Dort werden die Elektroden durch einen den Kristall umschließenden Grundkörper über eine isolierende hochspannungsfeste elastische Kunststoffmatte auf den Kristall gepresst. Die elastische Kunststoffmatte dient neben der elektrischen Isolation auch zum Ausgleich von etwaigen Unebenheiten, die beim Aufeinanderpressen von Grundkörper, Elektrode und Kristall zu mechanischen Spannungen führen könnten.
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Da die Dicke der Kunststoffmatte genügend groß gewählt werden muss, um für eine ausreichende Isolierung und Elastizität zu sorgen, kann eine solche Kunststoffmatte aufgrund der begrenzten thermischen Leitfähigkeit insbesondere bei hohen Laserleistungen zu thermischen Problemen führen.
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Bei elektrooptischen Kristallen, insbesondere solchen, die zur Schaltung hoher Laserleistungen verwendet werden, ist neben dem elektrooptischen Effekt auch der piezoelektrische Effekt relativ groß. Hohe Wechselspannungen können über den piezoelektrischen Effekt zu einer Variation der Kristallmaße führen, so dass die durch die elastische Halterung auftretenden mechanischen Kräfte wiederum elektrische Spannungen erzeugen. Diese können die optischen Eigenschaften des elektrooptischen Kristalls beeinträchtigen. Eine solche unerwünschte Rückkopplung kann insbesondere dann auftreten, wenn die Pockelszelle mit einer Frequenz betrieben wird, die mit der Resonanzfrequenz von mechanischen Schwingungen des Kristalls übereinstimmt.
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Dieser Effekt ist besonders groß, wenn die Pockelszelle z. B. in einem regenerativen Verstärker zur Schaltung hoher Laserleistungen genutzt wird. Zur Verringerung der Leistungsdichte der Laserstrahlung innerhalb des Kristalls wird in einem solchen Fall ein größerer Kristall genutzt, der dann mit entsprechend höheren Spannungen betrieben wird, so dass etwaige piezoelektrischen Effekte verstärkt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pockelszelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bereitzustellen, die die zuvor genannten Probleme vermeidet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pockelszelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kristall an wenigstens einer Fläche stoffschlüssig mit einer der Elektroden verbunden ist.
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Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Elektrode und Kristall wird eine Ausdehnung oder Kompression des Kristalls in Richtungen, die parallel zur Ebene der mit der Elektrode verbundenen Kristallfläche liegen, unterdrückt. Da auch bei einer durch den Piezoeffekt hervorgerufenen Ausdehnung bzw. Kompression des Kristalls in einer zu der verbundenen Kristallfläche senkrechten Richtung mit einer Kompression bzw. Ausdehnung des Kristalls in einer in der verbundenen Kristallfläche liegenden Richtung einhergeht, kann dem Piezoeffekt somit grundsätzlich entgegen gewirkt werden.
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Ferner werden durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Kristall und Elektrode etwaige mechanische Schwingungen gedämpft, so dass es nicht zu der zuvor genannten Rückkopplung kommen kann.
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Ein weiterer Vorteil einer solchen stoffschlüssigen Verbindung liegt darin, dass Lufteinschlüsse zwischen Elektrode und Kristall vermieden werden können.
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Zweckmäßigerweise ist der Grundkörper mechanisch so stabil, dass er durch seine Eigenmasse oder entsprechende Befestigungsmöglichkeiten an z. B. einem optischen Tisch etwaigen Vibrationen des Kristalls entgegenwirkt.
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Vorteilhafterweise sind die Elektroden in sich formstabil, um den Kristallkräften entsprechend entgegenwirken zu können. Dies kann durch Auswahl eines entsprechenden Materials (z. B. Kupfer) und einer ausreichenden Querschnittsfläche der Elektrode erreicht werden. Auch kann dann wenigstens eine der Elektroden mechanisch mit dem Grundkörper verbunden werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden eine größere Masse besitzen als der Kristall. Dadurch können verbleibende mechanische Schwingungen zwischen Kristall und Elektroden relativ zum Grundkörper gedämpft oder sogar vollständig unterdrückt werden.
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In einer Variante der Pockelszelle sind die Elektroden mit Kühlkanälen zur Führung einer Kühlflüssigkeit, wie z. B. DI Wasser oder anderer nicht leitender Flüssigkeiten versehen. Entsprechende Kühlmöglichkeiten können auch auf den Elektroden in Form von keramischen Kühlkörpern aufgebracht sein. Auch Kühllammellen zur passiven Kühlung mit Luft sind denkbar.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Elektrode und dem Kristall sich im Wesentlichen über die gesamte von der Elektrode bedeckten Fläche des Kristalls erstreckt. So können die Elektroden etwaigen piezoelektrischen Kräften innerhalb des Kristalls über die gesamte Länge des Kristalls durch entsprechende Zug- oder Druckkräfte, die durch die stoffschlüssige Verbindung auf den Kristall übertragen werden, entgegenwirken und diese effektiv unterdrücken.
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Es ist ferner günstig, wenn die Elektroden an zwei einander gegenüber liegenden Flächen des Kristalls angeordnet sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Flächen parallel zur Ausbreitungsrichtung der zur Schaltung vorgesehenen Laserstrahlung angeordnet sind.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Pockelszelle ist der Grundkörper elektrisch leitfähig und bildet eine Einheit mit einer der beiden Elektroden. Vorteilhafterweise bildet diese Elektrode die elektrische Masse, so dass eine Isolierung zu anderen Bauteilen nicht notwendig ist. In diesem Fall kann der Kristall über die stoffschlüssige Verbindung direkt mit dem Grundkörper verbunden werden.
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Es ist darüber hinaus günstig, wenn der Kristall mit beiden Elektroden stoffschlüssig verbunden ist. Mechanische Schwingungen zwischen Elektroden und Kristall können so vollständig unterdrückt werden. Insbesondere kann einer Variation der Kristallausdehnung in Richtungen parallel zur Verbindungsfläche von Kristall und Elektrode durch die stoffschlüssige Verbindung wirksam entgegengewirkt werden.
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Zweckmäßigerweise ist dabei die zweite Elektrode nicht am Grundkörper befestigt. Dies hat den Vorteil, dass keine weitere Isolierung der Elektroden notwendig ist. Die zweite Elektrode wird in diesem Fall nur durch den Kristall gehalten.
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Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Kristall und Elektrode kann beispielsweise durch Kleben realisiert sein. Denkbar ist ein UV-Kleber, der bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht aushärtet. Aber auch andere Klebstoffe sind einsetzbar.
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Andererseits kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen Kristall und Elektrode auch durch Löten realisiert sein. Dabei wird die mit der Elektrode verbundene Fläche des Kristalls metallisiert und die stoffschlüssige Verbindung zwischen Elektrode und Kristall durch ein entsprechendes Lot hergestellt. Durch eine solche Verbindung kann eine sehr feste Verbindung mit hoher thermischer Leitfähigkeit realisiert werden.
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Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kristall um einen BBO-Kristall. Dieser zeichnet sich durch eine geringe thermische Linse und durch geringe Depolarisationsverluste bei hohen Laserleistungen aus.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Pockelszelle so ausgelegt ist, dass sie mit einer an den Elektroden anliegenden Hochspannung betrieben werden kann, die 1 kV übersteigt. Dies hat den Vorteil, dass bei einer größeren durch die Pockelszelle zu schaltenden Laserleistung, die Kristallgröße des elektrooptischen Kristalls bei gleichbleibender Leistungsdichte in dem elektrooptischen Kristall an die Laserleistung angepasst werden kann und so die Pockelszelle zur Schaltung von Laserleistungen im Bereich von einigen 100 W geeignet ist.
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Der Vorteil der Erfindung, piezoelektrische Effekte zu minimieren, macht sich besonders bei hohen Spannungen und hohen Modulationsfrequenzen bemerkbar, insbesondere dann, wenn die Pockelszelle bei einer an den Elektroden anliegenden Spannung mit Modulationsfrequenzen im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz betrieben wird.
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Mehrere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pockelszelle werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Pockelszelle (1) mit einem elektrooptischen Kristall (2), bei der der elektrooptische Kristall (2) auf einer Seite mit einer Elektrode (3b) verklebt ist,
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2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Pockelszelle (1) mit einem elektrooptischen Kristall (2), wobei der Kristall (2) auf gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einer Elektrode (3a, 3b) durch Kleben verbunden ist,
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3 eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Pockelszelle (1) mit zwei elektrooptischen Kristallen (2a, 2b) zur Reduktion der bei Verwendung eines Kristalls (2) notwendigen Hochspannung, wobei die Kristalle (2a, 2b) auf zwei Seiten mit einer Elektrode (3a, 3b) verklebt sind und die Funktionsweise der Pockelszelle (1) in Kombination mit einem Polarisator (8) als elektrooptischem Schalter dargestellt ist,
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4 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pockelszelle (1), bei der der Grundkörper (5) und eine Elektrode (3b) eine Einheit bilden und die zweite Elektrode (3a) nur durch Kleben stoffschlüssig mit dem Kristall (2) verbunden ist, sowie
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5 eine schematische Seitenansicht eines letzten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Pockelszelle (1), ähnlich zur Pockelszelle (1) aus 4, wobei hier die frei mit dem Kristall (2) verbundene Elektrode (3a) Kühllammellen aufweist.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Pockelszelle (1) wiedergegeben, bei der ein elektrooptischer Kristall (2) in einem Grundkörper (5a, 5b) zwischen zwei Elektroden (3a, 3b) festgeklemmt ist. Der Grundkörper (5a, 5b) kann beispielsweise aus zwei fest miteinander verbundenen Schenkeln oder durch zwei durch Federkräfte miteinander verbundene separate Schenkel bestehen. Die beiden Elektroden (3a, 3b) sind durch einen Isolator (4a, 4b) von dem Grundkörper (5a, 5b) elektrisch isoliert angeordnet. Zur Unterdrückung von mechanischen Schwingungen des Kristalls (2) ist der Kristall auf einer Seite mit einer der beiden Elektroden (3b) über eine Klebstoffschicht (6) stoffschlüssig verbunden. Der elektrooptische Kristall (2) wird von einem Laserstrahl (7) durchsetzt, wobei die Flächen, an denen die Elektroden (3a, 3b) angebracht sind sich gegenüberliegen und parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (7) angeordnet sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Pockelszelle ist in 2 dargestellt. Die Pockelszelle (1) entspricht weitgehend der in 1 dargestellten Pockelszelle (1). Anders als bei der in 1 dargestellten Pockelszelle (1) ist hier jedoch die zweite Elektrode (3a) ebenfalls mit einer Klebstoffschicht ganzflächig mit dem Kristall (2) verbunden. Eine Ausdehnung des Kristalls in einer Richtung, die parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (7) entspricht, wird so unterdrückt. Einer durch das an den Elektroden (3a, 3b) anliegende elektrische Feld über den Piezoeffekt hervorgerufenen Kraft kann dadurch entgegengewirkt werden. Da einer durch den Piezoeffekt hervorgerufenen Kontraktion des Kristalls (2) in einer Richtung eine Ausdehnung des Kristalls (2) in einer dazu senkrechten Richtung einhergeht, kann durch diese stoffschlüssige Verbindung auch eine Ausdehnung des Kristalls (2) in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (7) verhindert werden.
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In 3 ist eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Pockelszelle (1) mit zwei elektrooptischen Kristallen zur Reduktion der bei Verwendung eines Kristalls notwendigen Hochspannung dargestellt. Hier sind beide Kristalle (2a, 2b) jeweils auf zwei Seiten mit einer Elektrode (3a, 3b) verklebt. Ferner ist die Funktionsweise der Pockelszelle (1) durch einen ebenfalls dargestellten Polarisator (8) wiedergegeben. Je nachdem, ob eine Spannung an den Elektroden (3a, 3b) anliegt oder nicht, wird die Polarisation des Laserlichts entlang des in der Figur dargestellten Laserstrahls (7) gedreht oder bleibt konstant. Die Pockelszelle (1) ist dabei so ausgelegt, dass sie bei anliegender Spannung die Polarisation des Laserlichts um genau 90° von s- zu p-polarisiertem Licht (oder anders herum) dreht. Je nach ursprünglicher Polarisation des Laserlichts vor der Pockelszelle (1) und angelegter Spannung, wird das Laserlicht dann an dem Polarisator reflektiert oder transmittiert. Die beiden möglichen Strahlengänge für s-polarisiertes (10) und p-polarisiertes Licht (9) sind in der Figur wiedergegeben.
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In 4 ist eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pockelszelle (1) dargestellt. Anders als in den früheren Ausführungsbeispielen ist hier die zweite Elektrode (3a) nur über den Kristall (2) mit dem Grundkörper (5) verbunden. Der Grundkörper (5) und die erste Elektrode (3b) bilden eine Einheit. Dabei ist der Grundkörper (5) aus einem leitfähigen Material hergestellt. Beide Elektroden (3a, 3b) sind über eine Klebstoffschicht (6) mit dem elektrooptischen Kristall (2) verbunden.
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Die beiden Elektroden (3a, 3b) sind über entsprechende Leitungen mit einer Spannungsquelle verbunden. Dabei ist insbesondere die Leitung für die frei an dem Kristall (2) befestigte Elektrode (3a) durch eine mechanisch bewegliche Leitung mit der Spannungsquelle verbunden.
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5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines letzten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Pockelszelle (1). Die in dieser Figur dargestellte Pockelszelle (1) ist ähnlich zur Pockelszelle (1) aus 4, wobei hier die frei mit dem Kristall (2) verbundene Elektrode (3a) Kühllammellen zur passiven Kühlung durch Luft aufweist. Selbstverständlich sind auch andere Kühlmöglichkeiten denkbar. Beispielsweise könnten die Kühllammellen durch einen mit DI-Wasser durchströmten Keramikkühlkörper ersetzt werden. Gegebenenfalls können auch Kühlkanäle in der Elektrode für DI-Wasser vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pockelszelle
- 2
- elektro-optischer Kristall
- 3
- Elektroden
- 4
- Isolator
- 5
- Grundkörper
- 6
- Klebstoff
- 7
- Laserstrahl
- 8
- Polarisator
- 9
- p-polarisierter Anteil des Laserstrahls
- 10
- s-polarisierter Anteil des Laserstrahls
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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