DE102016119443A1

DE102016119443A1 - Multipass-Laserverstärkungssystem und Verfahren zur Korrektur eines unsymmetrischen, transversalen Laserstrahldruckprofils in einem ein laseraktives Medium aufweisenden Festkörper

Info

Publication number: DE102016119443A1
Application number: DE102016119443.3A
Authority: DE
Inventors: Günther Renz; Frank Holzschuh
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-10-13
Also published as: DE102016119443B4

Abstract

Um ein Multipass-Laserverstärkungssystem, umfassend einen ein laseraktives Medium aufweisenden und eine Transversalebene definierenden Festkörper, dessen Rückseite mit einer hochreflektierenden Beschichtung für ein zu verstärkendes Laserstrahlungsfeld versehen ist, und eine Abbildungseinrichtung zum mehrfachen Abbilden und mehrfachen Umlenken des Laserstrahlungsfeldes, so dass dieses den Festkörper mehrfach durchsetzt zum Verstärken des laseraktiven Mediums, welche Abbildungseinrichtung mindestens ein Abbildungselement zum Abbilden des Laserstrahlungsfeldes und eine Mehrzahl von Umlenkeinheiten zum Umlenken des Laserstrahlungsfeldes umfasst, wobei das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart relativ zueinander angeordnet sind, dass das Laserstrahlungsfeld nach dem ersten Auftreffen an einer ersten Abbildungsposition auf dem Abbildungselement den Festkörper mindestens einfach, insbesondere mehrfach in einer Mehrzahl von Umläufen, zum Verstärken des Laserstrahlungsfelds durchstrahlt, so zu verbessern, dass die Strahlqualität bei einem Festkörperlaser verbessert wird, wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet sind, dass sich in einer vom Festkörper definierten Transversalebene die Vektorsumme aller Transversalkomponenten der Mehrzahl von Umläufen des Laserstrahlungsfelds aufgrund des Laserstrahlungsdrucks des Laserstrahlungsfelds auf den Festkörper einwirkenden Strahlungsdruckkräfte Null oder im Wesentlichen Null ist oder ein Minimum aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Multipass-Laserverstärkungssystem, umfassend einen ein laseraktives Medium aufweisenden und eine Transversalebene definierenden Festkörper, dessen Rückseite mit einer hochreflektierenden Beschichtung für ein zu verstärkendes Laserstrahlungsfeld versehen ist, und eine Abbildungseinrichtung zum mehrfachen Abbilden und mehrfachen Umlenken des Laserstrahlungsfeldes, so dass dieses den Festkörper mehrfach durchsetzt zum Verstärken des laseraktiven Mediums, welche Abbildungseinrichtung mindestens ein Abbildungselement zum Abbilden des Laserstrahlungsfeldes und eine Mehrzahl von Umlenkeinheiten zum Umlenken des Laserstrahlungsfeldes umfasst, wobei das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart relativ zueinander angeordnet sind, dass das Laserstrahlungsfeld nach dem ersten Auftreffen an einer ersten Abbildungsposition auf dem Abbildungselement den Festkörper in einer Mehrzahl von Umläufen zum Verstärken des Laserstrahlungsfelds durchstrahlt.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Korrektur eines unsymmetrischen transversalen Laserstrahlungsdruckprofils auf einem dünnen, ein laseraktives Medium aufweisenden Festkörper eines Laserverstärkungssystems, welches Laserstrahlungsdruckprofil durch ein den Festkörper durchsetzendes Laserstrahlungsfeld erzeugt wird, welches Laserverstärkungssystem eine Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung des Laserstrahlungsfeldes und eine Abbildungseinrichtung zum mehrfachen Abbilden und mehrfachen Umlenken des Laserstrahlungsfeldes umfasst, so dass dieses den Festkörper mindestens einfach, insbesondere mehrfach durchsetzt zum Verstärken des laseraktiven Mediums, wobei die Rückseite des Festkörpers mit einer hochreflektierenden Beschichtung für das Laserstrahlungsfeld versehen ist, welche Abbildungseinrichtung mindestens ein Abbildungselement zum Abbilden des Laserstrahlungsfeldes und eine Mehrzahl von Umlenkeinheiten zum Umlenken des Laserstrahlungsfeldes umfasst, wobei das Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart relativ zueinander angeordnet werden, dass mit dem Laserstrahlungsfeld nach dem ersten Auftreffen an einer ersten Abbildungsposition auf dem mindestens einen Abbildungselement der Festkörper in einer Mehrzahl von Umläufen zum Verstärken des Laserstrahlungsfelds durchstrahlt wird.
Bei einer Multipassverstärkung eines das Laserstrahlungsfeld definierenden Lasereingangsstrahles wird das Laserstrahlungsfeld mehrfach durch das laseraktive Material mit Hilfe von Umlenkspiegeleinheiten und abbildenden Optiken, die in einer Rechteck- oder Ringstruktur aufgebaut, geleitet. Je nach Konzentrationsgehalt des laseraktiven Materials, beispielsweise aktiver Ionen im in Form eines Kristalls ausgebildeten Festkörper, werden unterschiedliche Dicken für den Festkörper gewählt. Bei jedem Durchgang des Laserstrahlungsfeldes durch das beispielsweise 100 oder 300 µm dicke, laseraktive Material wird eine Verstärkung erzielt, bis das Laserstrahlungsfeld nach dem letzten Durchgang durch den Festkörper, zum Beispiel nach dem vierzigsten oder dem zehnten Durchgang, die maximale Verstärkung erreicht hat.
Photonen besitzen neben ihrer Energie auch einen Impuls. Bei einer sehr großen Ansammlung von Photonen, so wie sie bei leistungsstarken Lasern bis in den 100 kW-Bereich vorkommen, wird sich der Einfluss der Photonenimpulse auf die Verbiegung des dünnen, das laseraktive Material enthaltenden Festkörpers immer stärker bemerkbar machen. Ausgehend durch eine Verformung des dünnen, das laseraktive Material enthaltenden Festkörpers durch den Pumplaserstrahl wird sich das zu verstärkende Laserstrahlungsfeld zusätzlich auf die Verformung des dünnen, das laseraktive Material enthaltenden Festkörpers auswirken. Durch die Anordnung mehrerer Umlenkspiegel derart, dass das Laserstrahlungsfeld in einer sequentiellen Abfolge unter einem Winkel nicht senkrecht zur Oberfläche des Festkörpers auf diese auftrifft, entsteht durch die transversalen Lichtdruckkräften auf dem Festkörper eine mehr oder weniger große Abweichung des Laserstrahlungsfeldprofils von der idealen Rotationsymmetrie. Die ideale Rotationssymmetrie ist bei einer Gaußschen Grundmode gegeben.
Ein Laserverstärkungssystem der eingangs beschriebenen Art zum Anregen eines laseraktiven Materials ist beispielsweise aus der WO 01/57970 A1 bekannt. Es ist derart ausgebildet, dass das von einer Pumplaserstrahlungsquelle erzeugte Pumplaserstrahlungsfeld den Festkörper mehrfach durchsetzen kann, um im laseraktiven Material möglichst optimal absorbiert zu werden. Dazu wird das Pumplaserstrahlungsfeld fokussiert auf den Festkörper abgebildet und nach zweifachem Durchlauf durch den Festkörper mittels einer Umlenkeinheit wieder auf den Festkörper umgelenkt. Das Pumplaserstrahlungsfeld durchläuft den Festkörper nach jedem Auftreffen zweimal, da es an einer hochreflektierend beschichteten Rückseite des Festkörpers reflektiert und somit unter Berücksichtigung des Reflexionsgesetzes unter demselben Winkel den Festkörper verlässt, wie es auf den Festkörper aufgetroffen ist. Es wird daher auch als Multipass-Pumplaserstrahlungsfeld bezeichnet.
Ein Problem bei dieser Vorgehensweise ist der Strahlungsdruck, den das Multipass-Pumplaserstrahlungsfeld sowie das zu verstärkende Laserstrahlungsfeld auf den dünnen, das laseraktive Material enthaltenden Festkörper ausübt. Um eine hohe Ausgangsleistung des Laserverstärkersystems zu erreichen, wird insbesondere mit Leistungen im Bereich mehrerer zehn Kilowatt gearbeitet. Dementsprechend wird der dünne Festkörper, auf dem das Laserstrahlungsfeld fokussiert ist, mit einer sehr hohen Flächenleistung beaufschlagt. Da das Laserstrahlungsfeld nicht senkrecht zu einer vom Festkörper definierten Transversalebene auf den Festkörper auftrifft, sondern schräg, also unter einem Winkel, wirkt auf den Festkörper aufgrund des vom Laserstrahlungsfeld ausgeübten Strahlungsdrucks sowie aus Absorptions- und Emissionsprozessen im laseraktiven Material herrührenden Strahlungsdrücken auch eine Kraft parallel zur Transversalebene auf den Festkörper, also eine Transversalkraft. Diese führt zu einer unsymmetrischen Verformung des dünnen Festkörpers im Betrieb.
Thermographie-Messungen zeigen, dass an der Oberfläche des gepumpten, dünnen Festkörperlasermaterials eine Temperatur T von bis zu etwa 200°C herrscht, abhängig von einer Pumpleistungsdichte. Die heiße Oberfläche strahlt Wärme proportional zur vierten Potenz, also proportional zu T^4, ab und ist deshalb kühler als das Material im Innern des Festkörpers, wo sich auch mikroskopisch die laseraktiven, absorbierenden und emittierenden Ionen im Kristall befinden. Eine Thermographie-Kamera, die im Infrarotbereich zwischen 7,5 µm und 14 µm misst, ist deshalb für ein kristall-glasartiges Material mit einem Transmissionsbereich von 0,4 µm bis 3 µm undurchlässig.
Im Innern des dünnen Festkörpermaterials sind viel höhere Temperaturen zu erwarten. Diese erhöhten Temperaturen im Bereich von einigen hundert Grad führen zu einem stark reduzierten Elastizitätsmodul E und damit zu einer leichteren Verformung des dünnen Festkörperlasermaterials. Für ein Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG)-Material beträgt das Elastizitätsmodul etwa 100 GPa bei 20°C. Es ist aus der Literatur bekannt, dass das Elastizitätsmodul bei kristall-/glasartigen Materialien für Temperaturen ab etwa 250° stark abnimmt. Bei einer dünnen Festkörperscheibe von etwa 100 µm Dicke zeigen Messungen im Labor, dass das Elastizitätsmodul auf etwa ein Zehntel des Wertes abfällt, so dass es zu Verbiegungen im Sub-Wellenlängenbereich von 10 nm kommen kann, die sich auf die Strahlqualität des Lasers auswirken.
Makroskopisch fließt die lokal erzeugte Wärme im laseraktiven Material mit der entsprechenden Wärmeleitfähigkeit des Materials und Wärmeübergängen zur gekühlten Seite der Scheibe ab. So bildet sich ein rotationssymmetrisches, sogenanntes "top-hat"-Temperaturprofil auf und im Innern des dünnen laseraktiven Festkörpermaterials aus. Diese rotationssymmetrische Temperaturverteilung, die durch den Pumplaserstrahl vorgegeben wird, umschließt den innerhalb liegenden Verstärkungsvolumenbereich des zu verstärkenden Laserstrahlungsfeldes und führt aufgrund des rotationssymmetrischen, annähernd konstanten Temperaturprofils zu keiner Verspannung des dünnen laseraktiven Materials und kann deshalb nicht für die unsymmetrische Verformung der Scheibe verantwortlich sein. Der longitudinale Anteil der Strahlungsdruckkraft bewirkt ein rotationssymmetrisch eingedrücktes Profil. Das darunterliegende Kleb- oder Lotmaterial mit einer Temperatur von etwa 100°C, dessen Form in erster Näherung einem Katenoid, also annähernd einer parabolischen Form, entspricht, führt deshalb nicht zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des Lasers, sondern verschiebt nur den Stabilitätsbereich des Resonators. Etwaige temperatur- und/oder spannungsabhängige Verformungen der Oberfläche eines Kühlelements, auch Kühlfinger genannt, von einer Halterung der dünnen Festkörperscheibe führen ebenfalls nur zu einer rotationssymmetrischen Verbiegung der dünnen Festkörperscheibe.
Da bei jedem Durchgang des zu verstärkenden Laserstrahlungsfeldes, das den Festkörper mehrfach durchstrahlt und daher auch als Multipass-Laserstrahlungsfeld bezeichnet werden kann, dessen Leistung aufgrund der Verstärkung im Festkörpers etwas erhöht ist, nimmt die jeweils wirkende Transversalkraft mit jedem Durchgang zu. Die Folge davon ist eine unsymmetrische Verformung des dünnen Festkörpers mit lokal ausgebildeten Druckkuhlen mit Tiefen im Sub-Wellenlängenbereich von etwa 10 nm, die zu Astigmatismus oder höhergeordneten Aberrationen führen. Diese Verformung hat Auswirkungen auf die Qualität der zu verstärkenden Lasermoden. Im Ergebnis werden sich daher mit dem bekannten Multipass-Laserverstärkungssystem im Festkörperlaser vorwiegend Lasermoden verstärken, deren Strahlprofile immer stärker von der rotationssymmetrischen Form abweichen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strahlqualität bei einem Multipass-Laserverstärkungssystem der eingangs beschriebenen Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einem Multipass-Laserverstärkungssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das abbildende Fokussierelement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet sind, dass sich in einer vom Festkörper definierten Transversalebene die Vektorsumme aller Transversalkomponenten der Mehrzahl von Umläufen des zu verstärkenden Laserstrahlungsfelds aufgrund des Strahlungsdrucks des Laserstrahlungsfelds auf den Festkörper einwirkenden Strahlungsdruckkräfte Null oder im Wesentlichen Null ist oder ein Minimum aufweist.
Anders als dies bei bekannten Multipass-Laserverstärkungssystemen der Fall ist, wird das Laserstrahlungsfeld durch die gezielte Anordnung des Abbildungselements, welches insbesondere fokussierend ausgebildet sein kann, und der Mehrzahl von Umlenkeinheiten so auf den Festkörper gerichtet, dass nach einer vorgegebenen Anzahl von Umläufen, die insbesondere durch eine Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten vorgegeben werden kann, Null oder möglichst Null ist. Da ein Betrag der Transversalkomponenten aufeinanderfolgender Umläufe des Laserstrahlungsfeldes aufgrund der Verstärkung von Laserleistung im Festkörper immer größer wird, ergibt sich bei einer herkömmlichen Anordnung des mindestens einen Abbildungselements und der Mehrzahl von Umlenkeinheiten stets eine resultierende Transversalkomponente, also eine Vektorsumme aller Transversalkomponenten derart, dass das Laserstrahlungsdruckprofil des Laserstrahlungsfelds unsymmetrisch ist und so zu einer unsymmetrischen Verformung der Festkörperscheibe führt. Diese hat den Nachteil, dass ein sich so beispielsweise ausbildender Astigmatismus zu einer Verformung eines Lasermodenprofils des Festkörperlasers führt. Durch die vorgeschlagene gezielte Anordnung des Fokussierelements und der Mehrzahl von Umlenkeinheiten kann dieser unsymmetrischen Verformung des Festkörpers wirkungsvoll entgegen gewirkt werden.
Günstig ist es, wenn das Fokussierelement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten relativ zueinander derart angeordnet sind, dass bei jedem Umlauf das Laserstrahlungsfeld vom mindestens einen Abbildungselement von einer Umlaufanfangsabbildungsposition in einem Hinlauf auf den Festkörper abgebildet wird, den Festkörper durchläuft, durch die Beschichtung an der Rückseite reflektiert wird, in einem Rücklauf den Festkörper ein zweites Mal durchläuft, an einer anderen Abbildungsposition wieder auf das mindestens eine Abbildungselement auftrifft, vom mindestens einen Abbildungselement auf eine der Umlenkeinheiten abgelenkt wird, von der einen der Umlenkeinheiten wieder auf das mindestens eine Abbildungselement zurückgelenkt und an einer von der Umlaufanfangsabbildungsposition verschiedenen Umlaufendabbildungsposition wieder auf das Abbildungselement auftrifft. Durch diese Anordnung des mindestens einen Abbildungselements und der Mehrzahl von Umlenkeinheiten kann bei einem Umlauf der Festkörper zweimal vom Laserstrahlungsfeld durchsetzt werden. Bei jedem nachfolgenden Umlauf wird dann die Umlaufanfangsabbildungsposition durch die Umlaufendabbildungsposition des vorangehenden Umlaufs definiert. Insbesondere können das Fokussierelement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet werden, dass die Umlaufanfangsfokussierpositionen aller Umläufe voneinander verschieden sind.
Vorteilhaft ist es, wenn zwei aufeinanderfolgende Umläufe ein Umlaufpaar bilden und wenn das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet sind, dass die Transversalkomponenten der zwei Umläufe des Umlaufpaars einander entgegengerichtet oder im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind. Die Transversalkomponenten aufeinanderfolgender Umläufe unterscheiden sich nur um einen Betrag, der sich aufgrund von Verstärkung im Laserstrahlungsfeld ergibt, insbesondere wegen der Verstärkung eines Teils des Laserstrahlungsfelds im Festkörper. Damit heben sich aber die Transversalkomponenten aufeinander folgender Umläufe nahezu auf. Dadurch lässt sich insgesamt die Vektorsumme aller Transversalkomponenten auf einfache Weise bei dem vorgeschlagenen Laserverstärkungssystem minimieren und insbesondere auf Null reduzieren.
Vorzugsweise ist jeder Umlauf der Mehrzahl von Umläufen nur einem Umlaufpaar zugeordnet. Dadurch kann im Wesentlichen verhindert werden, dass das Laserstrahlungsfeld nur innerhalb einer vorgegebenen Ebene die Abbildungseinrichtung und den Festkörper durchläuft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zwei aufeinanderfolgende Umlaufpaare ein Umlaufdoppelpaar bilden und dass das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet sind, dass die Transversalkomponenten des einen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars unter einem Winkel quer zu den Transversalkomponenten des anderen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars verlaufen. Auf diese Weise wird insbesondere sichergestellt, dass das Laserstrahlungsfeld die Abbildungseinrichtung und den Festkörper nicht nur in einer Ebene durchstrahlt, sondern dass resultierende Transversalkomponenten aufeinanderfolgender Umlaufdoppelpaare quer zueinander orientiert sind.
Günstig ist es, wenn der Winkel in einem Bereich zwischen 0° und 180° liegt. Insbesondere kann der Winkel davon abhängen, wie viele Umläufe des Laserstrahlungsfelds vorgesehen sind. Diese Anzahl kann insbesondere durch eine Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten vorgegeben werden.
Vorzugsweise liegt der Winkel in einem Bereich zwischen 75° und 105°. Insbesondere kann der Winkel 90° betragen. So lassen sich beispielsweise Transversalkomponenten erzeugen derart, dass diese von jeweils vier aufeinanderfolgenden Umläufen senkrecht zueinander verlaufen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn jedes Umlaufpaar nur einem Umlaufdoppelpaar zugeordnet ist. Zudem kann so eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Transversalkomponenten in der Transversalebene erreicht werden.
Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet sind, dass ein zwischen zwei benachbarten Transversalkomponenten, die nicht zwingend aufeinanderfolgenden Umläufen zugeordnet sind, eingeschlossener Versatzwinkel in einem Bereich von etwa dem 0,8fachen bis etwa dem 1,2fachen des Quotienten aus 360 und der Anzahl der Mehrzahl von Umläufen in ° entspricht. Diese Ausgestaltung der Abbildungseinrichtung ermöglicht es, insbesondere bei einer ausreichend großen Anzahl von Umläufen, eine statistische Verteilung oder eine im Wesentlichen statistische Verteilung der Orientierung der Transversalkomponenten in der Transversalebene zu erzwingen. Je mehr Umläufe ermöglicht werden, umso gleichmäßiger können insbesondere aufgrund aufeinanderfolgender Umläufe sich ergebende Transversalkomponenten in der Transversalebene über einen Umfang von 360° verteilt werden, so dass sich diese resultierenden Transversalkomponenten von Umlaufpaaren idealerweise vollständig gegeneinander aufheben oder zumindest ein akzeptables Minimum aufweisen.
Vorzugsweise definiert die Mehrzahl von Umlenkeinheiten die Mehrzahl von Umläufen derart, dass eine Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten um 1 kleiner ist als eine Anzahl der Mehrzahl von Umläufen. So kann durch die Vorgabe der Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten die Anzahl der Mehrzahl von Umläufen direkt vorgegeben werden.
Das Laserverstärkungssystem lässt sich insbesondere zur Ausbildung eines Festkörperscheibenlasers einsetzen, wenn der Festkörper in Form einer Festkörperscheibe ausgebildet ist.
Auf einfache Weise lässt sich das Laserstrahlungsfeld umlenken und gleichzeitig fokussieren, wenn das mindestens eine Abbildungselement in Form einer Abbildungsoptik ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Abbildungsoptik in Form einer Linse oder eines Spiegels ausgebildet sein.
Um eine möglichst optimale Kompensation der Transversalkomponenten der Mehrzahl von Umläufen zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten mindestens 10 beträgt. Vorzugsweise beträgt sie mindestens 30. Es können aber auch deutlich mehr als 50 Umlenkeinheiten vorgesehen sein. Aufgrund einer endlichen Ausdehnung des Laserstrahlungsfelds beim Durchlaufen der Abbildungseinrichtung und der Festkörperscheibe lassen sich jedoch in einem vorgegebenen Raumvolumen nur eine endliche Anzahl von Umlenkeinheiten sinnvoll anordnen.
Um das Laserverstärkungssystem, insbesondere das Multipass-Laserverstärkungssystem, möglichst kompakt auszubilden, ist es vorteilhaft, wenn die Mehrzahl von Umlenkeinheiten den Festkörper ringförmig umgibt.
Besonders kompakt ausbilden lässt sich das Laserverstärkungssystem, insbesondere das Multipass-Laserverstärkungssystem, wenn die Mehrzahl von Umlenkeinheiten eine den Festkörper umgebende Doppel- oder Mehrfachringstruktur definieren. Dies eröffnet insbesondere die Möglichkeit, Durchläufe des Multipass-Laserstrahlungsfelds durch den Festkörper so zu erzwingen, dass das Laserstrahlungsfeld beim ersten Umlauf eines Umlaufpaars zunächst auf eine Umlenkeinheit eines äußeren Rings trifft und dadurch unter einem größeren Winkel bezogen auf eine Flächennormale der Transversalebene trifft als beim nachfolgenden Umlauf, wenn das Laserstrahlungsfeld durch eine Umlenkeinheit eines inneren Rings umgelenkt wird. So ist zwar grundsätzlich die Transversalkomponente des zweiten Umlaufs des Umlaufpaars größer als die des ersten Umlaufpaars. Aufgrund des steileren Einfallwinkels lässt sich die Zunahme des Betrags der Transversalkomponente jedoch ganz oder teilweise durch die Vorgabe des Einfallswinkels des Pumpstrahlungsfelds auf den Festkörper durch entsprechende Anordnung der Mehrzahl von Umlenkeinheiten in der Doppel- oder Mehrfachringstruktur in gewünschter Weise vorgeben.
Auf besonders einfache Weise ausbilden lässt sich das Laserverstärkungssystem, wenn jede der Mehrzahl von Umlenkeinheiten zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Reflexionsflächen umfasst. Insbesondere kann ein Winkel zwischen den Reflexionsflächen der Umlenkeinheiten 90° betragen. So ist es auf einfache Weise möglich, ein Laserstrahlungsfeld, welches den Festkörper einmal durchstrahlt hat, an der Rückseite des Festkörpers reflektiert wurde und dann den Festkörper ein zweites Mal durchstrahlt hat, wieder zurück auf den Festkörper umzulenken und optional auf diesen zu fokussieren.
Vorteilhaft ist es, wenn die Abbildungseinrichtung mindestens ein kollimierendes Element aufweist, welches das vom Festkörper weg auf das mindestens eine Abbildungselement hin gerichtete Laserstrahlungsfeld zwischenkollimiert. Mit dem mindestens einen kollimierenden Element kann eine Aufweitung des Laserstrahlungsfeldes durch Zwischenkollimierung verhindert werden. Das mindestens eine Abbildungselement ermöglicht dann wiederum eine erneute Beaufschlagung oder wiederholte Beaufschlagung des Festkörpers durch das Laserstrahlungsfeld in einem besonders kleinen Flächenbereich, um dort im laseraktiven Medium eine optimale Verstärkung desselben zu erreichen.
Eine besonders kompakte Ausgestaltung des Multipass-Laserverstärkungssystems lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die Mehrzahl von Umlenkeinheiten den Festkörper ringförmig umgibt. Insbesondere können eine oder mehrere der Mehrzahl von Umlenkeinheiten als abbildende Umlenkeinheiten ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn die Mehrzahl von Umlenkeinheiten eine den Festkörper umgebende Doppel- oder Mehrfachringstruktur definiert. So lässt sich ein besonders kompaktes Laserverstärkungssystem ausbilden.
Günstigerweise ist der Festkörper ein Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG)-Kristall. Dieser kann insbesondere Ytterbium enthalten. Beispielsweise kann er mit Ytterbium als laseraktivem Material dotiert sein. Alternativ können auch Kristalle eingesetzt werden, die einem Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG)-Kristall ähnlich und die mit Seltenen Erden wie beispielsweise Ytterbium dotiert sind. Durch die Wahl des Festkörpers und des in diesem enthaltenen laseraktiven Materials kann die Wellenlänge des Festkörperlasers in gewünschter Weise vorgegeben werden.
Ferner wird die eingangs gestellte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet werden, dass sich in einer vom Festkörper definierten Transversalebene die Vektorsumme aller Transversalkomponenten der Mehrzahl von Umläufen des Laserstrahlungsfelds aufgrund des Laserstrahlungsdrucks des Laserstrahlungsfelds auf den Festkörper einwirkende Laserstrahlungsdruckkräfte Null oder im Wesentlichen Null ist oder ein Minimum aufweist.
Wie bereits oben beschrieben lässt sich so auf einfache Weise eine unsymmetrische Verformung des Festkörpers durch die Strahlungsdruckkräfte verhindern oder zumindest minimieren.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten relativ zueinander derart angeordnet werden, dass bei jedem Umlauf das Laserstrahlungsfeld vom mindestens einen Abbildungselement von einer Umlaufanfangsabbildungsposition in einem Hinlauf auf den Festkörper fokussiert wird, den Festkörper durchläuft, durch die Beschichtung an der Rückseite reflektiert wird, in einem Rücklauf den Festkörper ein zweites Mal durchläuft, an einer anderen Abbildungsposition wieder auf das mindestens eine Abbildungselement auftrifft, vom mindestens einen Abbildungselement auf eine der Umlenkeinheiten abgelenkt wird, von der einen der Umlenkeinheiten wieder auf das mindestens eine Abbildungselement zurückgelenkt und an einer von der Umlaufanfangsabbildungsposition verschiedenen Umlaufendabbildungsposition wieder auf das mindestens eine Abbildungselement auftrifft. Durch diese Anordnung des mindestens einen Abbildungselements und der Mehrzahl von Umlenkeinheiten kann bei einem Umlauf der Festkörper zweimal vom Laserstrahlungsfeld durchsetzt werden. Bei jedem nachfolgenden Umlauf wird dann die Umlaufanfangsabbildungsposition durch die Umlaufendabbildungsposition des vorangehenden Umlaufs definiert. Insbesondere können das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet werden, dass die Umlaufanfangsabbildungspositionen aller Umläufe voneinander verschieden sind.
Vorteilhaft ist es, wenn zwei aufeinanderfolgende Umläufe ein Umlaufpaar bilden und wenn das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet werden, dass die Transversalkomponenten der zwei Umläufe des Umlaufpaars einander entgegengerichtet oder im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind. Die Transversalkomponenten aufeinanderfolgender Umläufe unterscheiden sich nur um einen Betrag, der sich aufgrund der Verstärkung im Laserstrahlungsfeld ergibt. Damit heben sich aber die Transversalkomponenten aufeinander folgender Umläufe nahezu auf.
Dadurch lässt sich insgesamt die Vektorsumme aller Transversalkomponenten auf einfache Weise bei dem vorgeschlagenen Laserverstärkungssystem minimieren und insbesondere auf Null reduzieren.
Vorzugsweise wird jeder Umlauf der Mehrzahl von Umläufen nur einem Umlaufpaar zugeordnet. Dadurch kann im Wesentlichen verhindert werden, dass das Laserstrahlungsfeld nur innerhalb einer vorgegebenen Ebene die Abbildungseinrichtung und den Festkörper durchläuft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwei aufeinanderfolgende Umlaufpaare ein Umlaufdoppelpaar bilden und dass das mindestens eine Abbildungselement und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten derart angeordnet werden, dass die Transversalkomponenten des einen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars unter einem Winkel quer zu den Transversalkomponenten des anderen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars verlaufen. Auf diese Weise wird insbesondere sichergestellt, dass das Laserstrahlungsfeld die Abbildungseinrichtung und den Festkörper nicht nur in einer Ebene durchstrahlt, sondern dass resultierende Transversalkomponenten aufeinanderfolgender Umlaufdoppelpaare quer zueinander orientiert sind.
Günstig ist es, wenn der Winkel in einem Bereich zwischen 0° und 180° vorgegeben wird. Insbesondere kann der Winkel davon abhängen, wie viele Umläufe des Pumpstrahlungsfelds vorgesehen sind. Diese Anzahl kann insbesondere durch eine Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten vorgegeben werden.
Vorzugsweise wird der Winkel in einem Bereich zwischen 75° und 105° vorgegeben. Insbesondere kann der Winkel mit 90° vorgegeben werden. So lassen sich beispielsweise Transversalkomponenten erzeugen derart, dass diese von jeweils vier aufeinanderfolgenden Umläufen senkrecht zueinander verlaufen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn jedes Umlaufpaar nur einem Umlaufdoppelpaar zugeordnet wird. Zudem kann so eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Transversalkomponenten in der Transversalebene erreicht werden.
Das Laserverstärkungssystem lässt sich insbesondere zur Verstärkung eines Lasers einsetzen, wenn der Festkörper in Form einer Festkörperscheibe ausgebildet ist.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Scheibenlasers (Stand der Technik);
2: eine schematische Darstellung des Aufbaus eine Laserverstärkungssystems (Stand der Technik);
3: eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Multipass-Laserverstärkungssytems und wirkende transversale Druckkräfte bei vier Verstärkungsdurchgängen durch die Festkörperscheibe (Stand der Technik);
4: schematische Darstellung der Simulation der Verbiegung einer Glasscheibe in Folge einer Beaufschlagung mit einem Laserstrahlungsfeld;
5: schematische Darstellung einer unverformten Festkörperscheibe vor dem Beaufschlagen mit einem Laserstrahlungsfeld;
6: eine schematische Darstellung der Verformung einer dünnen Festkörperscheibe durch den Laserstrahlungsdruck eines Laserstrahlungsfeldes;
7: eine schematische Darstellung der auf eine dünne Festkörperscheibe im Pumplaser- und verstärkten Laserstrahlmodenloch wirkenden Laserstrahlungsdruckkräfte;
8: eine schematische Darstellung der in Folge des Laserstrahlungsfeldes wirkenden Strahlungsdruckkräfte ohne Rückreflexion des Laserstrahlungsfeldes an der Rückseite der Festkörperscheibe;
9: eine schematische Darstellung einer Rechteckanordnung mit 16 Umlenkeinheiten und schematisch eingezeichneten Transversalkräften in der Transversalebene des Festkörpers (Stand der Technik);
10: eine beispielshafte Darstellung einer Anordnung von zehn die Festkörperscheibe umgebenden Umlenkeinheiten (Stand der Technik);
11: eine schematische Darstellung einer Doppelringstruktur mit 2 mal 6 Verstärkungsdurchgängen und schematisch eingezeichneten Transversalkräften;
12: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Doppelringstruktur mit 2 mal 6 Verstärkungsdurchgängen durch die Festkörperscheibe sowie beispielhaft eingezeichneten Transversalkräften; und
13: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Doppelringstruktur mit 2 mal 6 Verstärkungsdurchgängen sowie schematisch in der Transversalebene wirkenden Transversalkräften.
In 1 ist schematisch der Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Scheibenlasers 10 dargestellt. Er umfasst eine dünne Festkörperscheibe 12 die auf einer Kühlplatte 14 angeordnet und deren Rückseite 16 hochreflektierend beschichtet ist.
Ein Resonator 18 des Scheibenlasers 10 wird definiert einerseits durch die Rückseite 16, die einen Endspiegel 20 bildet, und andererseits durch einen Auskoppelspiegel 22. Der Resonator 18 definiert ein Resonatorstrahlungsfeld 24.
Durch den Auskoppelspiegel 22 kann Laserstrahlung 26 je nach Wahl des Materials der Festkörperscheibe und des in ihr enthaltenen laseraktiven Materials kontinuierlich oder gepulst ausgekoppelt werden.
Eine Pumpstrahlungsquelle 28 erzeugt ein Pumpstrahlungsfeld 30, das über eine Abbildungseinrichtung 32, welche beispielsweise einen Parabolspiegel 38 umfasst und auch als Pumpmodul bezeichnet wird, auf die Festkörperscheibe 12 abgebildet wird und diese gegebenenfalls nach mehrfacher Umlenkung mehrfach durchläuft. Die ausgekoppelte Laserstrahlung 26 kann dann beispielsweise in einem nachfolgenden Multipass-Laserverstärkungssystem 130 verstärkt werden.
2 zeigt in ähnlicher Weise schematisch den Aufbau des Multipass-Laserverstärkungssystems 130. Ein Laserstrahlungsfeld 132, beispielsweise erzeugt von einem Festkörperlaser in Form des Scheibenlasers 10, wird über eine Abbildungseinrichtung 134 mit mehreren, insbesondere fokussierenden Abbildungselementen 136a, 136b und 136c, auf die Festkörperscheibe 12 fokussiert. Die Abbildungselemente 136a, 136b und 136c können insbesondere auch jeweils einen Teil einer Oberfläche eines Parabolspiegels 136 bilden. Das verstärkte Laserstrahlungsfeld 132 durchläuft die Festkörperscheibe 12, wird an deren Rückseite 16 reflektiert und durchläuft die Festkörperscheibe 12 nochmal und trifft auf das fokussierende Abbildungselement 136b. Von dort wird es auf die Umlenkeinheit 138 umgelenkt, die das Laserstrahlungsfeld 132 auf das fokussierende Abbildungselement 136c umlenkt, von dem das Laserstrahlungsfeld 132 wieder auf die Festkörperscheibe 12 trifft und diese wiederum zweimal durchläuft und dadurch verstärkt wird.
In 3 ist schematisch die Funktionsweise eines Multipass-Laserverstärkungssystems gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei Strahlungsdruckkräfte auf die Festkörperscheibe 12 in einer von dieser definierten Transversalebene 34 wirken. Bei dieser schematischen Darstellung wird angenommen, dass die gestrichelt eingezeichnete Festkörperscheibe 12 im Zentrum der dargestellten Ringstruktur sitzt.
Das zu verstärkende Laserstrahlungsfeld 132 trifft an der Position "1" auf ein fokussierendes Element der Abbildungseinrichtung 134 in Form einer Abbildungsoptik 136. Von dort wird das Lasertrahlungsfeld 132 umgelenkt und trifft fokussiert auf die Festkörperscheibe 12. Es wirkt eine Transversalkraft 36a in der Transversalebene 34. Nach zweifachem Durchlaufen der Festkörperscheibe 12 aufgrund der hochreflektierend beschichteten Rückseite 16 trifft das Laserstrahlungsfeld 132 an der Position "2" wieder auf die Abbildungsoptik 136. Um das Laserstrahlungsfeld 132 wieder auf die Festkörperscheibe 12 fokussieren zu können, wird es über eine erste Umlenkeinheit mit zwei bezogen auf eine Symmetrieebene unter einem Winkel von 90° zueinander ausgerichteten Reflexionsflächen und wieder auf die Abbildungsoptik 136 an die Position "3" umgelenkt. Von dort durchläuft das Laserstrahlungsfeld 132 wiederum die Festkörperscheibe 12 zweimal, wobei eine Transversalkraft 36b auf die Festkörperscheibe 12 ausgeübt wird. Das Laserstrahlungsfeld 132 trifft an Position "4" wieder auf die Abbildungsoptik 136.
Um das Laserstrahlungsfeld 132 wieder zurück auf die Festkörperscheibe 12 zu fokussieren, wird das von der Abbildungsoptik 136 reflektierte Laserstrahlungsfeld 132 von einer zweiten Umlenkeinheit, die zwei ebenfalls um einen Winkel von 90° gegeneinander geneigte Reflexionsflächen und umfasst. Die zweite Umlenkeinheit definiert eine Symmetrieebene 58 zwischen den beiden Reflexionsflächen und, die relativ zur Symmetrieebene 42 um einen Winkel geneigt ist.
Mit der zweiten Umlenkeinheit wird das Laserstrahlungsfeld 132 auf die Abbildungsoptik 136 zurück umgelenkt, und zwar an die Position "5". Von dort durchläuft das Laserstrahlungsfeld 132 die Festkörperscheibe 12 wiederum zweimal und übt auf diese die Transversalkraft 36c aus.
Das Laserstrahlungsfeld 132 trifft dann wieder auf die Abbildungsoptik 136, und zwar an Position "6". Die erste Umlenkeinheit führt das Laserstrahlungsfeld 132 wieder auf die Abbildungsoptik 136 zurück, und zwar an Position "7". Von dort wird das Laserstrahlungsfeld 132 wieder auf die Festkörperscheibe 12 fokussiert und durchläuft diese zweimal, wobei die Transversalkraft 36d in der Transversalebene 34 auf die Festkörperscheibe 12 ausgeübt wird.
Das Laserstrahlungsfeld 132 verlässt dann das Multipass-Laserverstärkungssystem 130.
Die Transversalkräfte beginnend mit der Transversalkraft 36a nehmen sukzessive in ihrer Größe zu. Dies liegt daran, dass das Laserstrahlungsfeld 132 bei jedem Durchlaufen der Festkörperscheibe 12 durch Verstärkung Strahlungsleistung aus der Festkörperscheibe 12 aufnimmt und damit der auf die Festkörperscheibe 12 wirkende Strahlungsdruck erhöht wird.
Summiert man die eingezeichneten Transversalkräfte 36a bis 36d vektoriell auf, ergibt sich ein resultierender Transversalkraftvektor 64, der in 3 schematisch eingezeichnet ist. Damit ergibt sich eine resultierende, in der Transversalebene 34 wirkende Gesamtkraft, die sich aufgrund des durch das Laserstrahlungsfeld 132 ausgeübten Strahlungsdrucks auf die Festkörperscheibe 12 ergibt, mit der unerwünschten Folge, dass sich die Festkörperscheibe 12 asymmetrisch verformt und dadurch ein Laserstrahlsprofil des Laserstrahlungsfelds 132 ebenfalls asymmetrisch verformt.
In 4 ist beispielhaft dargestellt, wie sich eine Glasscheibe 80 bei einer Laserleistungsdichte von 100 kW pro cm² auf einer Fläche von 100 mm² in longitudinaler Richtung verbiegt. Ein Strahlungsdruck p berechnet sich hier zu etwa 10^–3 N/mm². Angenommen wurde eine Dicke der Glasscheibe von 100 µm.
4 zeigt die Verbiegung der an den 10 mm voneinander beabstandeten Stützpunkten 82 unterstützten Glasscheibe 80 in Abhängigkeit eines Abstands von einer Mittelachse der Glasscheibe 80. Im Zentrum des Fokus des Laserstrahlungsfelds 132 auf der Glasscheibe 80 ergibt sich eine Verbiegung von etwa einige 100 nm aufgrund des herrschenden Strahlungsdrucks.
Die Auswirkungen der schräg, also unter einem Winkel 83 zu einer senkrecht zur Transversalebene verlaufenden Flächennormalen 84 sind beispielhaft in 5 dargestellt. Die Festkörperscheibe 12 aus einem YAG-Kristall weist typischerweise eine Dicke 86 in einem Bereich von 100 bis 300 µm auf.
Die Auswirkungen des auf die Festkörperscheibe 12 auftreffenden Laserstrahlungsfelds 132 sind beispielshaft in 6 dargestellt. Es bildete sich eine im Wesentlichen hohlkugelige Vertiefung 90, auch als Krater bezeichnet, auf der Oberseite 88 der Festkörperscheibe 12, und zwar durch den longitudinalen Strahlungsdruck parallel zur Flächennormale 84. Eine Wärmeausdehnung der Festkörperscheibe 12 beträgt nur wenige nm und ist deshalb zu vernachlässigen.
Die Festkörperscheibe 12 ist mit einer Schicht 94 aus Lot oder Epoxidkleber auf der Kühlplatte 14 befestigt.
In 7 sind die Strahlungsdruckkräfte des durch das Laserstrahlungsfeld 132 auf die Festkörperscheibe 12 einwirkenden Strahlungsdrucks schematisch eingezeichnet. Die wirkende Strahlungsdruckkraft 98 kann vektoriell zerlegt werden in die Transversalkraft 36, auch als Transversalkomponente bezeichnet, parallel zur Transversalebene 34 und in eine Longitudinalkraft 96 parallel zur Flächennormalen 84.
Im Bereich des Laserfokus 100 des Pumplaserstrahlungsfelds und des Laserstrahlungsfelds 132 erwärmt sich eine Oberseite 88 der Festkörperscheibe 12 auf etwa 200°C. Auf der Rückseite 16 beträgt die Temperatur im Übergang zur Schicht 94 etwa 50°C. Außerhalb des Laserfokus 100 ist noch Pumplaserstrahlung vorhanden. Außerhalb der Pumplaserstrahlung beträgt die Temperatur in der Schicht 94 nur etwa 20°C.
Die Kühlplatte 14 kann insbesondere aus Kupfer oder Diamant ausgebildet sein und eine Dicke 102 von etwa 1 bis 2 mm aufweisen. Eine Dicke 104 der Schicht 94 liegt je nach Fertigungstechnik im Mikrometerbereich. Die Festkörperscheibe 12 weist, insbesondere auch im Bereich der Vertiefung, eine Dicke von etwa 0,1 bis 0,3 mm auf.
Durch die wie in 7 eingezeichnet wirkende Transversalkraft 36 ergibt sich eine von der Rotationssymmetrie abweichende Verformung der Vertiefung 90, die dann zu einer Verformung des idealerweise rotationssymmetrischen Lasermodenprofils des Resonatorstrahlungsfelds 24 führt.
Der Strahlungsdruck des Laserstrahlungsfelds 132 wirkt sich wie beschrieben auf die Festkörperscheibe 12 aus. Der Strahlungsdruck p, der sich aus der Überlagerung der zu verstärkenden, schräg unter einem Winkel zur Scheibennormalen verlaufenden Laserstrahlen im Multipass-Laserverstärkungssystem 130 sowie den Emissions- und Absorptionsprozessen in den laseraktiven Ionen ergibt, lässt sich bei einer Laserleistung von einigen 10 kW und einigen 10fa chen Durchgängen durch die Festkörperscheibe 12 auf etwa 10^–3 N/mm² abschätzen. Dies ist in 8 schematisch dargestellt.
9 zeigt beispielhaft für eine insgesamt 16 Umlenkeinheiten umfassende Abbildungseinrichtung des Stands der Technik in der Transversalebene wirkende Transversalkomponenten der vom Laserstrahlungsfelds 132 ausgeübten Strahlungsdruckkräfte auf die Festkörperscheibe 12. Durch die rechteckige Anordnung ist es praktisch unmöglich, eine Kompensation der Transversalkomponenten der Strahlungsdruckkräfte zu erreichen. Dies erkennt man direkt aus den schematisch eingezeichneten Transversalkomponenten.
10 zeigt beispielhaft eine reale Anordnung von insgesamt zehn Umlenkeinheiten 138 nach dem Stand der Technik, die eine die Festkörperscheibe 12 umgebende Ringstruktur 118 definieren.
In 11 ist schematisch die Anordnung von 12 Umlenkeinheiten in einer Doppelringstruktur 106 mit einem inneren Ring 108 und einem äußeren Ring 110 dargestellt. Das Durchlaufen des Multipass-Laserstrahlungsfelds 132 durch die Abbildungseinrichtung 134 erfolgt wie in Verbindung mit 3 beispielshaft erläutert. Nach jeweils zwei Umläufen wird das Laserstrahlungsfelds 132 um einen Winkel von 30° umgelenkt, sodass sich ein schneckenartiges Muster der Transversalkomponenten der auf die Festkörperscheibe 12 wirkenden Strahlungsdruckkräfte ergibt. Ein solches in 11 dargestelltes, schneckenförmiges Muster hat eine rotationssymmetrische Kräfteverteilung auf der Festkörperscheibe 12 zur Folge.
In 12 ist schematisch eine weitere Doppelringstruktur 106 dargestellt, die auf einem inneren Ring 108 und einem äußeren Ring 110 angeordnet sind. Die Umlenkeinheiten sind derart angeordnet, dass sich in der von der Festkörperscheibe 12 definierten Transversalebene 34 die Vektorsumme aller Transversalkomponenten der Mehrzahl von Umläufen des Laserstrahlungsfelds 132 aufgrund des Strahlungsdrucks des Laserstrahlungsfeld 132 auf den Festkörper einwirkenden Strahlungsdruckkräfte Null oder im Wesentlichen Null ist oder zumindest ein Minimum aufweist.
Die Abbildungsoptik 136 und die Umlenkeinheiten 138 sind dabei derart relativ zueinander angeordnet und justiert, dass bei jedem Umlauf das Laserstrahlungsfelds 132 vom Fokussierelement von einer Umlaufanfangsabbildungsposition in einem Hinlauf auf die Festkörperscheibe 12 fokussiert wird, die Festkörperscheibe 12 durchläuft, durch die Beschichtung an der Rückseite 16 reflektiert wird, in einem Rücklauf die Festkörperscheibe 12 ein zweites Mal durchläuft, an einer anderen Abbildungsposition wieder auf die Abbildungsoptik 136 zurückgelenkt wird und an einer von der Umlaufanfangsabbildungsposition verschiedenen Umlaufendabbildungsposition wieder auf der Abbildungsoptik 136 auftrifft.
Ferner sind die Abbildungsoptik 136 und die Umlenkeinheiten 138 derart angeordnet, dass bei zwei aufeinanderfolgenden Umläufen, die ein Umlaufpaar bilden, die Transversalkomponenten der zwei Umläufe des Umlaufpaars einander entgegengerichtet oder im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind.
Der Übersichtlichkeit wegen sind in 12 schematisch nur die Transversalkomponenten 36a und 36b eingezeichnet, die einander entgegengerichtet sind. Sie sind etwa gleich groß im Betrag, da das Laserstrahlungsfeld 132 vom inneren Ring 108 unter einem anderen Winkel als vom äußeren Ring 110 bezogen auf die Flächennormale 84 auf die Festkörperscheibe 12 trifft.
Ferner ist die Anordnung der 11 Umlenkeinheiten 138 so gewählt, dass bei einem Umlaufdoppelpaar, das von zwei aufeinanderfolgenden Umlaufpaaren gebildet wird, die Transversalkomponenten des einen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars unter einem Winkel quer zu den Transversalkomponenten des anderen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars verlaufen. Der Winkel beträgt zwischen den ersten beiden Umlaufpaaren 90°, zum dritten Umlaufpaar 30°, dann wieder 90° und dann wieder 30°.
Es ist in 12 gut zu erkennen, dass sich die aufgrund des Strahlungsdrucks wirkenden Transversalkomponenten praktisch paarweise gegeneinander aufheben, sodass eine im Wesentlichen querkraftfrei oder transversalkraftfrei beaufschlagte Festkörperscheibe 12 verbleibt, wodurch eine Verformung der Festkörperscheibe 12 und ein sich daraus ergebender Astigmatismus vermieden werden können.
In 13 ist schematisch eine Doppelringstruktur 106 mit einem inneren Ring 108 und einem äußeren Ring 110 von Umlenkeinheiten 138 beispielhaft dargestellt. Anders als bei der Anordnung in 12 erfolgt keine Verdrehung der Transversalkomponenten aufeinanderfolgender Umlaufpaare in einem Umlaufdoppelpaar um 90° beziehungsweise 30°, sondern kann um einen beliebigen Winkel in einem Bereich von 0° und 180° realisiert werden. Man spricht hier von einer stochastischen Verteilung der Anordnung der Umlenkeinheiten.
Ein Versatzwinkel 120 zwischen zwei benachbarten Transversalkomponenten in der Transversalebene 34, welche Transversalkomponenten nicht zwingend aufeinanderfolgend den Umläufen zugeordnet sind, liegt in einem Bereich von etwa dem 0,8fachen bis etwa dem 1,2fachen des Quotienten aus 360 und der Anzahl der Mehrzahl von Umläufen in °.
Die in den 11, 12 und 13 dargestellten Anordnungen lassen sich durch Erhöhen der Zahl der Umlenkeinheiten 138 entsprechend erweitern, soweit dies aufgrund räumlicher Einschränkungen infolge einer endlichen Ausdehnung der Umlenkeinheiten 138 und einer endlichen Ausdehnung eines Strahlquerschnitts des Laserstrahlungsfelds 132 möglich ist. Je mehr Umlenkeinheiten 138 vorgesehen werden, umso besser kann eine Kompensation der auf die Festkörperscheibe 12 wirkenden Transversalkraftkomponenten der Strahlungsdruckkomponenten erfolgen.
Wie bereits erwähnt, lassen sich die beschriebenen Multipass-Laserverstärkungssysteme 130 soweit dies nicht durch rein räumliche Beschränkungen zur Anordnung der Umlenkeinheiten 138 anders vorgegeben ist, grundsätzlich beliebig skalieren, und zwar insbesondere was die Zahl der Umlenkeinheiten 138 anbelangt. Beispielsweise sind auch Anordnungen mit einer ungeraden Anzahl von Ringen denkbar, wobei dann das Laserstrahlungsfelds 132 nach jedem Umlauf so relativ zum vorigen Umlauf versetzt auf die Festkörperscheibe 12 fokussiert werden muss, dass sich alle Transversalkomponenten der Strahlungsdruckkräfte, die von den Laserstrahlungsfeldern auf die Festkörperscheibe 12 ausgeübt werden, kompensieren oder im Wesentlichen kompensieren.
Die beschriebenen Laserverstärkungssysteme 130 eignen sich insbesondere für den Einsatz in der Medizintechnik, denn es lassen sich mit ihnen Laserstrahlen mit großer Leistung und hoher Strahlqualität erzeugen.
Bezugszeichenliste

10: Scheibenlaser
12: Festkörperscheibe
14: Kühlplatte
16: Rückseite
18: Resonator
20: Endspiegel
22: Auskoppelspiegel
24: Resonatorstrahlungsfeld
26: zu verstärkende Laserstrahlung
28: Pumpstrahlungsquelle
30: Pumpstrahlungsfeld
32: Abbildungseinrichtung
34: Transversalebene
36: Transversalkomponente
38: Parabolspiegel
42: Symmetrieebene
58: Symmetrieebene
62: Rückreflektor
64: Transversalkraftvektor
80: Glasscheibe
82: Stützpunkte
83: Winkel
84: Flächennormale
86: Dicke
88: Oberseite
90: Vertiefung
92: Zylinder
94: Schicht
96: Longitudinalkraft
98: Strahlungsdruckkraft
100: Pumpfokus
102: Dicke
104: Dicke
106: Doppelringstruktur
108: innerer Ring
110: äußerer Ring
112: Pfeil
114: Spiegelebene
116: Kollimationslinse
118: Ringstruktur
120: Versatzwinkel
130: Laserverstärkungssystem
132: Laserstrahlungsfeld
134: Abbildungseinrichtung
136: Abbildungsoptik
136a: Abbildungselement
136b: Abbildungselement
136c: Abbildungselement
138: Umlenkeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 01/57970 A1 [0005]

Claims

Multipass-Laserverstärkungssystem (130), insbesondere ein Multipass-Laserverstärkungssystem, einen ein laseraktives Medium aufweisenden, eine Transversalebene (34) definierenden Festkörper (12), dessen Rückseite (16) mit einer hochreflektierenden Beschichtung für ein zu verstärkendes Laserstrahlungsfeld (132) versehen ist, und eine Abbildungseinrichtung (134) zum mehrfachen Abbilden und mehrfachen Umlenken des Laserstrahlungsfeldes (132), so dass dieses den Festkörper (12) mehrfach durchsetzt zum Verstärken des laseraktiven Mediums, welche Abbildungseinrichtung (134) mindestens ein Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) zum Abbilden des Laserstrahlungsfeldes (132) und eine Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) zum Umlenken des Laserstrahlungsfeldes (132) umfasst, wobei das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass das Laserstrahlungsfeld (132) nach dem ersten Auftreffen an einer ersten Abbildungsposition auf dem mindestens einen Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) den Festkörper (12) in einer Mehrzahl von Umläufen zum Verstärken des Laserstrahlungsfelds (132) durchstrahlt, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart angeordnet sind, dass sich in einer vom Festkörper (12) definierten Transversalebene (34) die Vektorsumme aller Transversalkomponenten (36) der Mehrzahl von Umläufen des zu verstärkenden Laserstrahlungsfelds (132) aufgrund des Laserstrahlungsdrucks des Laserstrahlungsfelds auf den Festkörper (12) einwirkenden Strahlungsdruckkräfte Null oder im Wesentlichen Null ist oder ein Minimum aufweist.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass bei jedem Umlauf das Laserstrahlungsfeld (132) vom mindestens einen Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) von einer Umlaufanfangsabbildungsposition in einem Hinlauf auf den Festkörper abgebildet wird, den Festkörper (12) durchläuft, durch die Beschichtung an der Rückseite (16) reflektiert wird, in einem Rücklauf den Festkörper (12) ein zweites Mal durchläuft, an einer anderen Abbildungsposition wieder auf das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) auftrifft, vom mindestens einen Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) auf eine der Umlenkeinheiten (138) abgelenkt wird, von der einen der Umlenkeinheiten (138) wieder auf das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) zurückgelenkt und an einer von der Umlaufanfangsabbildungsposition verschiedenen Umlaufendabbildungsposition wieder auf das Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) auftrifft.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Umläufe ein Umlaufpaar bilden und dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart angeordnet sind, dass die Transversalkomponenten der zwei Umläufe des Umlaufpaars einander entgegengerichtet oder im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umlauf der Mehrzahl von Umläufen nur einem Umlaufpaar zugeordnet ist.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Umlaufpaare ein Umlaufdoppelpaar bilden und dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart angeordnet sind, dass die Transversalkomponenten (36) des einen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars unter einem Winkel quer zu den Transversalkomponenten (36) des anderen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars verlaufen.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in einem Bereich zwischen 0° und 180° liegt.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in einem Bereich zwischen 75° und 105° liegt, insbesondere dass der Winkel 90° beträgt.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Umlaufpaar nur einem Umlaufdoppelpaar zugeordnet ist.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart angeordnet sind, dass ein zwischen zwei benachbarten Transversalkomponenten (36), die nicht zwingend aufeinanderfolgenden Umläufen zugeordnet sind, eingeschlossener Versatzwinkel (120) in einem Bereich von etwa dem 0,8fachen bis etwa dem 1,2fachen des Quotienten aus 360 und der Anzahl der Mehrzahl von Umläufen in ° entspricht.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) die Mehrzahl von Umläufen definiert derart, dass eine Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) um 1 kleiner ist als eine Anzahl der Mehrzahl von Umläufen.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (12) in Form einer Festkörperscheibe (12) ausgebildet ist und/oder dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) in Form einer Abbildungsoptik (136) ausgebildet ist.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) mindestens 10, vorzugsweise mindestens 30, weiter bevorzugt mindestens 50 beträgt.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) den Festkörper (12) ringförmig umgeben und/oder dass die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) eine den Festkörper (12) umgebende Doppel- oder Mehrfachringstruktur (106) definieren und/oder dass jede der Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Reflexionsflächen (46, 48) umfasst.
Multipass-Laserverstärkungssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (12) ein Yttrium-Aluminium-Granat-(YAG)-Kristall ist und/oder dass der Festkörper (12) Ytterbium oder Holmium enthält, insbesondere mit Ytterbium dotiert ist.
Verfahren zur Korrektur eines unsymmetrischen transversalen Laserstrahlungsdruckprofils auf einem dünnen, ein laseraktives Medium aufweisenden Festkörper (12) eines Laserverstärkungssystems, welches Laserstrahlungsdruckprofil durch ein den Festkörper durchsetzendes Laserstrahlungsfeld (132) erzeugt wird, welches Laserverstärkungssystem (130) eine Laserstrahlungsquelle (28) zur Erzeugung des Laserstrahlungsfeldes (30) und eine Abbildungseinrichtung (134) zum mehrfachen Abbilden und mehrfachen Umlenken des Laserstrahlungsfeldes (132) umfasst, so dass dieses den Festkörper (12) einfach, insbesondere mehrfach durchsetzt zum Verstärken des laseraktiven Mediums, wobei die Rückseite (16) des Festkörpers (12) mit einer hochreflektierenden Beschichtung für das Laserstrahlungsfeld (132) versehen ist, welche Abbildungseinrichtung (134) mindestens ein Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) zum Abbilden des Laserstrahlungsfeldes (132) und mindestens eine Umlenkeinheit (138) zum Umlenken des Laserstrahlungsfeldes (132) umfasst, wobei das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die mindestens eine Umlenkeinheit (138) derart relativ zueinander angeordnet werden, dass mit dem Laserstrahlungsfeld (132) nach dem ersten Auftreffen an einer ersten Abbildungsposition auf dem mindestens einen Abbildungselement der Festkörper (12) in einer Mehrzahl von Umläufen zum Verstärken des Laserstrahlungsfelds (132) durchstrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart angeordnet werden, dass sich in einer vom Festkörper (12) definierten Transversalebene (34) die Vektorsumme aller Transversalkomponenten (36) der Mehrzahl von Umläufen des Laserstrahlungsfelds (132) aufgrund des Laserstrahlungsdrucks des Laserstahlungsfelds (132) auf den Festkörper (12) einwirkenden Laserstrahlungsdruckkräfte Null oder im Wesentlichen Null ist oder ein Minimum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die mindestens eine Umlenkeinheit (138) derart relativ zueinander angeordnet werden, dass bei jedem Umlauf das Laserstrahlungsfeld (132) vom mindestens einen Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) von einer Umlaufanfangsabbildungsposition in einem Hinlauf auf den Festkörper (12) fokussiert wird, den Festkörper (12) durchläuft, durch die Beschichtung an der Rückseite (16) reflektiert wird, in einem Rücklauf den Festkörper (12) ein zweites Mal durchläuft, an einer anderen Abbildungsposition wieder auf das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) auftrifft, vom mindestens einen Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) auf eine der Umlenkeinheiten (138) abgelenkt wird, von der einen der Umlenkeinheiten (1138) wieder auf das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) zurückgelenkt und an einer von der Umlaufanfangsabbildungsposition verschiedenen Umlaufendabbildungsposition auf das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) auftrifft, und/oder dass als Festkörper (12) eine Festkörperscheibe (12) verwendet wird und/oder
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dass zwei aufeinanderfolgende Umläufe ein Umlaufpaar bilden und dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart angeordnet werden, dass die Transversalkomponenten (36) der zwei Umläufe des Umlaufpaars einander entgegengerichtet oder im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Mehrzahl von Umläufen nur einem Umlaufpaar zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Umlaufpaare ein Umlaufdoppelpaar bilden und dass das mindestens eine Abbildungselement (136; 136a, 136b, 136c) und die Mehrzahl von Umlenkeinheiten (138) derart angeordnet sind, dass die Transversalkomponenten (36) des einen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars unter einem Winkel quer zu den Transversalkomponenten (36) des anderen Umlaufpaars jedes Umlaufdoppelpaars verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in einem Bereich zwischen 0° und 180°, insbesondere in einem Bereich zwischen 0° und 180°, weiter bevorzugt mit einem Wert von 90° vorgegeben wird, wobei weiter insbesondere jedes Umlaufpaar nur einem Umlaufdoppelpaar zugeordnet wird.