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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Halter für einen Wellenlängenumwandlungskristall nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System mit einem solchen Halter.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, einen Wellenlängenumwandlungskristall einzusetzen, um Laserstrahlung, welche in einem laseraktiven Medium bei einer bestimmten Frequenz, insbesondere bei einer Grundfrequenz bzw. Grundwellenlänge, erzeugt wird, in Laserstrahlung mit einer typischerweise höheren Frequenz umzuwandeln. Als Wellenlängenumwandlungskristalle dienen nichtlineare optische Kristalle, welche eine Frequenzkonversion von einer Grundfrequenz in eine höhere Harmonische, beispielsweise in die zweite oder dritte Harmonische, erzeugen.
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Der Wellenlängenumwandlungskristall muss dabei möglichst spannungsfrei und positionsgenau in einem optischen System durch einen Halter aufgenommen werden. Ein solcher Halter ist beispielsweise aus der
US 2002/0136247 A1 bekannt geworden. Der bekannte Halter weist zwei L-förmige Backen auf, die die Mantelflächen eines Wellenlängenumwandlungskristalls arretieren.
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Die
US 8,305,680 B2 offenbart einen Halter, in dem ein Wellenlängenumwandlungskristall an zwei Mantelflächen an dem Halter anliegt und der Wellenlängenumwandlungskristall durch Klebstoff im Halter fixiert ist. Durch den verwendeten Klebstoff kann es jedoch zu Ausgasungen kommen, die die Eigenschaften des Wellenlängenumwandlungskristalls beeinträchtigen können.
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Die
US 7,724,453 B2 schlägt demgegenüber vor, einen Wellenlängenumwandlungskristall rein mechanisch durch eine Feder zu fixieren.
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Weiterhin ist es aus der
WO 2015/122854 A2 bekannt geworden, einen Wellenlängenumwandlungskristall mittels zweier Spannklötze, die jeweils L-förmig ausgebildet sind, zu arretieren. Die Spannklötze sind durch Kugeln von weiteren Halterteilen thermisch weitgehend isoliert.
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Die
DE 697 27 516 T2 offenbart einen Halter für ein optisches Bauteil mit einer Basis zum Aufnehmen des optischen Bauteils umfassend eine Vielzahl nicht-paralleler Flächen und insbesondere eine Vielzahl an Montageflächen zum Kontakt mit dem optischen Bauelement. Der Halter weist ferner an der Basis eine Federsperre zum Halten des Halters an dem optischen Bauelement auf. Die Federsperre weist einen Vorsprung auf, der über eine Kante der Basis passt, um die Federsperre an einer Relativbewegung zur Basis zu hindern.
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Aus der
WO 2006/042860 A1 ist ein Träger für ein rechteckiges optisches Bauelement bekannt geworden. Der Träger weist Fixierungspunkte für das Bauelement auf.
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Durch einen Fixierungspunkt zur lateralen Fixierung und einen Fixierungspunkt zur axialen Fixierung des Bauelements führt ein Arm, welcher seinerseits an einem Gelenk angeordnet ist. Hierdurch kann das optische Bauelement in laterale und axiale Richtung isostatisch fixiert werden.
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Die
DE 197 00 549 A1 offenbart eine Vorrichtung, mit der mikrooptische Bauteile auf einem Träger präzise angeordnet werden können. Die Vorrichtung weist einen Träger mit mehreren in Ausnehmungen angeordneten Führungselementen auf. Das jeweilige mikrooptische Bauteil kann zwischen die Führungselemente eingesetzt werden, sodass ein aktive Justierung nicht erforderlich ist. Insbesondere können die Führungselemente das mikrooptische Bauteil an Punkten berühren, die unterschiedlich weit von der Oberfläche des Trägers entfernt sind. Dadurch wird ein Kippen besonders wirkungsvoll verhindert.
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Die bekannten Halter sind dazu ausgelegt, in Strahlausbreitungsrichtung verhältnismäßig lange Wellenlängenumwandlungskristalle aufzunehmen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei breitbandiger Laserstrahlung in Strahlausbreitungsrichtung kurze Wellenlängenumwandlungskristalle von Vorteil sind, da diese bei hohen Intensitäten verwendet werden können, wobei sich die Phase der Laserstrahlung im Wellenlängenumwandlungskristall wenig ändert und eine hohe Konversionseffizienz erreicht wird.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Halter zeigen Nachteile bei der Fixierung von in Strahlausbreitungsrichtung verhältnismäßig kurzen Wellenlängenumwandlungskristallen. Weiterhin ist eine Fixierung des Wellenlängenumwandlungskristalls mit einer Feder, die gegen eine Mantelfläche des Wellenlängenumwandlungskristalls presst, problematisch, da die Wärmeanbindung an den Wellenlängenumwandlungskristall schlecht ist und die Halterung aufgrund der kurzen Mantelfläche instabil wird. Wird der Wellenlängenumwandlungskristall demgegenüber starr in einem Halter fixiert, entstehen bei Wärmezyklen während des Laserbetriebs Spannungen im Wellenlängenumwandlungskristall und es können Defekte entstehen, die den Wellenlängenumwandlungskristall beschädigen und/oder die Konversionseffizienz erniedrigen. Ohne eine Fixierung des Wellenlängenumwandlungskristalls in Strahlausbreitungsrichtung kann der Wellenlängenumwandlungskristall bei Temperaturzyklen in der Strahlausbreitungsrichtung kriechen und kippen, sodass sich der Winkel zwischen dem Wellenlängenumwandlungskristall und der auf ihn treffenden Laserstrahlung ändert, und die Konversionseffizienz verringert wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halter bereit zu stellen, der eine spannungsfreie, temperaturstabile und positionsgenaue Fixierung eines in Strahlausbreitungsrichtung kurzen Wellenlängenumwandlungskristalls mit homogener Temperaturverteilung im Kristall ermöglicht. Weiterhin ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System mit einem solchen Halter bereit zu stellen.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch einen Halter für einen Wellenlängenumwandlungskristall mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein optisches System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der erfindungsgemäße Halter weist einen ersten Strahlzugang auf, der zu einer ersten Strahlzugangsfläche des Wellenlängenumwandlungskristalls führt. Bei dem ersten Strahlzugang kann es sich um einen Strahleinlass und/oder einen Strahlauslass handeln. Bei der ersten Strahlzugangsfläche kann es sich um eine Strahleintrittsfläche und/oder eine Strahlaustrittsfläche handeln. Der Halter weist weiterhin einen zweiten Strahlzugang auf, der zu einer zweiten Strahlzugangsfläche des Wellenlängenumwandlungskristalls führt. Bei dem zweiten Strahlzugang kann es sich um einen Strahleinlass und/oder einen Strahlauslass handeln. Bei der zweiten Strahlzugangsfläche kann es sich um eine Strahleintrittsfläche und/oder eine Strahlaustrittsfläche handeln. Zwischen dem ersten Strahlzugang und dem zweiten Strahlzugang ist eine Aufnahme für den Wellenlängenumwandlungskristall vorgesehen. Im montierten Zustand liegt der Wellenlängenumwandlungskristall mit seiner ersten Strahlzugangsfläche an einer Anlagefläche des Halters an. Der Halter weist ein Federelement auf, das gegen einen Teil der zweiten Strahlzugangsfläche im montierten Zustand des Wellenlängenumwandlungskristalls gepresst ist, sodass der Wellenlängenumwandlungskristall gegen die Anlagefläche gepresst wird. Hierbei weist die Aufnahme eine Winkelausnehmung zur teilweisen Anlage von Mantelflächen des Wellenlängenumwandlungskristalls auf. Der Wellenlängenumwandlungskristall weist die Mantelflächen zwischen der ersten Strahlzugangsfläche und der zweiten Strahlzugangsfläche auf. Der Halter ist dadurch gekennzeichnet, dass er ein Winkelelement aufweist. Das Winkelelement ist durch ein Federteil des Halters gegen Mantelflächen des Wellenlängenumwandlungskristalls pressbar, um den Wellenlängenumwandlungskristall gegen die Winkelausnehmung zu pressen. Das Winkelelement weist dabei zumindest zwei Nuten auf, in denen jeweils ein Rollkörper des Halters angeordnet ist. Die Rollkörper sind durch das Federteil mit einer Federkraft zur radialen Fixierung des Wellenlängenumwandlungskristalls beaufschlagbar. Erfindungsgemäß ist es somit vorgesehen, einen Halter bereit zu stellen, der dazu ausgebildet ist, einen Wellenlängenumwandlungskristall in Strahlausbreitungsrichtung mechanisch durch ein Federelement zu fixieren. Hierdurch können auch in Strahlausbreitungsrichtung sehr kurze Wellenlängenumwandlungskristalle kippstabil und positionsgenau im Halter fixiert werden. Die Strahlausbreitungsrichtung entspricht dabei der optischen Achse bzw. der Z-Achse.
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Durch die Winkelausnehmung zur teilweisen Anlage der Mantelflächen des Wellenlängenumwandlungskristalls kann der Wellenlängenumwandlungskristall drehstabil um die Achse der Stahlausbreitungsrichtung im Halter fixiert werden. Unter den Mantelflächen werden dabei die Mantelseiten des Wellenlängenumwandlungskristalls zwischen der ersten Strahlzugangsfläche und der zweiten Strahlzugangsfläche des Wellenlängenumwandlungskristalls verstanden. In der Ecke der Winkelausnehmung kann eine Aussparung ausgebildet sein, sodass der Wellenlängenumwandlungskristalls nicht mit einer Kante, sondern nur mit seinen Mantelflächen an der Winkelausnehmung anliegt.
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Die Winkelausnehmung kann zwei Mantelanlageseiten aufweisen. Die Mantelanlageseiten der Winkelausnehmung sind vorzugsweise senkrecht zueinander ausgebildet. Das Winkelelement kann genau zwei Mantelanlageseiten aufweisen. Die Mantelanlageseiten des Winkelelements können senkrecht zueinander ausgebildet sein. Besonders bevorzugt sind sowohl die Mantelanlageseiten der Winkelausnehmung als auch die Mantelanlageseiten des Winkelelements senkrecht zueinander ausgebildet, sodass ein quaderförmiger Wellenlängenumwandlungskristall sicher an seinen Mantelflächen zwischen der Winkelausnehmung und dem Winkelelement gehalten wird.
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Die Konversionseffizienz ist stark abhängig von der Temperatur des Wellenlängenumwandlungskristalls. Die thermische Anbindung des Wellenlängenumwandlungskristalls an den Halter ist daher von großer Bedeutung. Weiterhin kann die Konversionseffizienz des Wellenlängenumwandlungskristalls stabil gehalten werden, wenn der Wellenlängenumwandlungskristall auf eine Temperatur weit über Raumtemperatur erhitzt wird, sodass Schwankungen der Raumtemperatur lediglich einen minimalen Einfluss auf die Konversionseffizienz des Wellenlängenumwandlungskristalls haben.
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Durch das Winkelelement, das durch ein Federteil des Halters gegen Mantelflächen des Wellenlängenumwandlungskristalls pressbar ist, ist der Wellenlängenumwandlungskristall an seinen Mantelflächen zwischen dem Winkelelement und der Winkelausnehmung einspannbar. Der Wellenlängenumwandlungskristall ist dadurch radial bzw. an seinen umfangseitigen Mantelflächen temperierbar.
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Besonders bevorzugt liegt das Winkelelement auf der Anlagefläche für den Wellenlängenumwandlungskristall auf. Hierdurch wird ein besonders guter thermischer Kontakt von der Anlagefläche auf das Winkelelement und weiter auf den Wellenlängenumwandlungskristall erreicht. Die Anlagefläche ist vorzugsweise Teil des Haltekörpers, sodass eine gleichmäßige Erwärmung vom Haltekörper über die Anlagefläche auf die erste Strahlzugangsfläche des Wellenlängenumwandlungskristalls erfolgen kann.
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Das Winkelelement ist vorzugsweise L-förmig ausgebildet.
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Durch die zwei Nuten, welche das Winkelelement aufweist, wird eine besonders kompakte Ausbildung des Halters erreicht. Dies gilt insbesondere bei V-förmigen Nuten, in denen jeweils ein Rollkörper, insbesondere eine Kugel, des Halters angeordnet ist, wobei die Rollkörper durch das Federteil mit einer Federkraft zur Fixierung des Wellenlängenumwandlungskristalls beaufschlagbar sind. Der Halter ist somit in diesem Fall vorzugsweise dazu ausgebildet, mit dem Federteil die Rollkörper, insbesondere Kugeln, mit einer Federkraft zu beaufschlagen. Die Federkraft wird durch die Rollkörper, die in den Nuten angeordnet sind, in eine Arretierkraft in Richtung der Mantelflächen des Wellenlängenumwandlungskristalls übersetzt. Dies ermöglicht eine konstruktiv einfache und kompakte Ausbildung des Halters. Das Federteil kann zwei Federarme aufweisen, die die Rollkörper, insbesondere die Kugeln, mit der Federkraft beaufschlagen.
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Um den Halter einfach fertigen zu können, kann das Federelement in Form eines Federblechs ausgebildet sein.
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Vorzugsweise weist das Federelement einen Federarm auf. Besonders bevorzugt weist das Federelement zwei Federarme auf, um den Wellenlängenumwandlungskristall besonders zuverlässig gegen die Anlagefläche pressen zu können.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist der Halter einen soliden Haltekörper auf, in dem die Winkelausnehmung ausgebildet ist. Die Temperatur des Haltekörpers kann dadurch besonders effektiv auf den Wellenlängenumwandlungskristall übertragen werden. Der Haltekörper ist vorzugsweise einteilig ausgebildet.
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Weiter bevorzugt ist das Federteil mit dem Federelement verbunden, wobei das Federteil zumindest teilweise weiter zur Anlagefläche hin vorragt, als das Federelement. Der Wellenlängenumwandlungskristall kann dadurch bei dessen Anordnung im Halter zunächst mittelbar oder unmittelbar durch das Federteil an seinen Mantelflächen fixiert und anschließend an der zweiten Strahlzugangsfläche durch das Federelement fixiert werden. Mit anderen Worten erfolgt in diesem Fall die Arretierung des Wellenlängenumwandlungskristalls in der Aufnahme nicht zeitgleich in Strahlausbreitungsrichtung und quer zur Strahlausbreitungsrichtung, sondern zunächst quer zur Strahlausbreitungsrichtung, indem die Mantelflächen des Wellenlängenumwandlungskristalls, insbesondere durch Mantelanlageseiten, fixiert werden und anschließend der Wellenlängenumwandlungskristall in Strahlausbreitungsrichtung durch das Federelement fixiert wird.
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Die Herstellung des Halters wird weiter vereinfacht und die Montage des Wellenlängenumwandlungskristalls in der Aufnahme signifikant erleichtert, wenn das Federteil mit dem Federelement verbunden ist und beide Teile durch eine einzige Fixierschraube des Halters mit einem weiteren Bauteil des Halters, insbesondere mit dem Haltekörper, verbunden sind. Der Wellenlängenumwandlungskristall kann dadurch in diesem Fall durch Anziehen einer einzigen Fixierschraube in der Aufnahme arretiert werden.
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Das Federteil kann in Form eines Federblechs ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt ist das Federteil einteilig mit dem Federelement ausgebildet. Federteil und Federelement sind dadurch besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Weiterhin wird hierdurch die Anzahl der einzelnen Bauteile des Halters reduziert, sodass eine erleichterte Montage des Wellenlängenumwandlungskristalls in der Aufnahme erfolgen kann.
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Der Halter kann eine elektrische Heizung aufweisen. Vorzugsweise ist die elektrische Heizung in Form einer Heizpatrone ausgebildet. Weiter bevorzugt weist der Halter zwei Heizpatronen auf, die zueinander beabstandet angeordnet sind. Zumindest eine Heizpatrone kann dabei in einer Heizpatronenausnehmung des Haltekörpers angeordnet sein. Vorzugsweise weist der Haltekörper zwei Heizpatronenausnehmungen auf, die zueinander beabstandet sind, wobei in jeder Heizpatronenausnehmung eine Heizpatrone angeordnet ist. Die Aufnahme ist vorzugsweise zwischen den Heizpatronenausnehmungen ausgebildet.
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Um die Konversionseffizienz des Wellenlängenumwandlungskristalls weiter zu stabilisieren, kann der Halter einen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor kann in einer Temperatursensorausnehmung angeordnet sein, die im Haltekörper ausgebildet ist, sodass eine besonders präzise Messung der Temperatur des Wellenlängenumwandlungskristalls erfolgen kann. Die Temperatursensorausnehmung kann in Form einer Durchgangsausnehmung zur Aufnahme ausgebildet sein, sodass der Temperatursensor in unmittelbarem Kontakt mit dem Wellenlängenumwandlungskristall steht. Alternativ dazu kann die Temperatursensorausnehmung in Form eines Sacklochs ausgebildet sein. In diesem Fall endet das Sackloch vorzugsweise möglichst nahe am Wellenlängenumwandlungskristall, um den Temperatursensors möglichst nahe am Wellenlängenumwandlungskristall anzuordnen. Der Abstand des Temperatursensors zum Wellenlängenumwandlungskristall ist vorzugsweise kleiner als die Hälfte der kleinsten Abmessung des Wellenlängenumwandlungskristalls senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung.
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Weiter bevorzugt ist die Temperatursensorausnehmung mittig zwischen zwei Heizpatronenausnehmungen angeordnet, sodass die vom Temperatursensor bestimmte Temperatur möglichst wenig von den Heizpatronen beeinflusst ist.
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Der Halter kann einen Gaseinlass und einen Gasauslass aufweisen. Gaseinlass und Gasauslass sind fluidisch mit der Aufnahme verbunden, sodass der Wellenlängenumwandlungskristall in seinem im Halter montierten Zustand mit einem Gas gespült werden kann. Durch die Gasspülung kann die Stabilität der Konversionseffizienz weiter verbessert werden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein optisches System mit einem zuvor beschriebenen Halter und einem in dem Halter montierten Wellenlängenumwandlungskristall. Der Wellenlängenumwandlungskristall ist in Form eines nichtlinearen optischen Kristalls ausgebildet. Der Wellenlängenumwandlungskristall wird in Strahlausbreitungsrichtung, d. h. in einer Richtung zwischen seiner ersten Strahlzugangsfläche und seiner zweiten Strahlzugangsfläche, zwischen der Anlagefläche und dem Federelement gehalten.
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Weiter bevorzugt wird der Wellenlängenumwandlungskristall an seinen Mantelflächen zwischen dem Winkelelement und der Winkelausnehmung gehalten.
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Der Wellenlängenumwandlungskristall ist vorzugsweise einteilig ausgebildet. Er kann jedoch auch in zwei oder mehr Teile aufgeteilt sein.
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Der Wellenlängenumwandlungskristall kann in Form eines KTP(KTiOPO4)-Kristalls, eines LBO(LiB3O)-Kristalls, eines BBO(β-BaB2O6)-Kristalls oder eines CLBO(CsLiB6O10)-Kristalls ausgebildet sein.
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Der Wellenlängenumwandlungskristall weist vorzugsweise eine Quaderform auf. Die erste Strahlzugangsfläche und/oder die zweite Strahlzugangsfläche können jedoch auch schräg zu den Mantelflächen des Wellenlängenumwandlungskristalls ausgebildet sein, beispielsweise um Reflexionen von der optischen Achse weg zu reflektieren. Die erste Strahlzugangsfläche und/oder die zweite Strahlzugangsfläche kann mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, um optische Transmissionsverluste aufgrund von Fresnel-Reflexionen zu minimieren.
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Um eine Beeinträchtigung des Konversionsverhaltens zu minimieren, ist der Wellenlängenumwandlungskristall vorzugsweise klebstofffrei in der Aufnahme angeordnet.
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Der Wellenlängenumwandlungskristall ist vorzugsweise reversibel lösbar, d. h. zerstörungsfrei montierbar und zerstörungsfrei demontierbar, in der Aufnahme angeordnet, sodass ein Austausch des Wellenlängenumwandlungskristalls auf einfache Art und Weise ermöglicht wird.
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Das optische System weist vorzugsweise einen optischen Resonator auf. Der optische Resonator weist zumindest zwei Spiegel auf. Der Halter kann zwischen den beiden Spiegeln angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Halter außerhalb der Spiegel angeordnet sein.
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Der optische Resonator kann weiterhin ein laseraktives Medium, insbesondere ein laseraktives Festkörpermedium, ein Gütemodulationselement und/oder einen Auskoppelspiegel, aufweisen. Das optische System kann dadurch zur Modulation und/oder zur Erzeugung eines Laserstrahls eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus den Patentansprüchen sowie anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt.
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Die in der Zeichnung gezeigten Merkmale sind derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Explosionsansicht eines ersten optischen Systems;
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2 eine teiltransparente Vorderansicht des optischen Systems gemäß 1;
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3 eine perspektivische Ansicht des optischen Systems gemäß den 1 und 2;
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4 eine teiltransparente Rückansicht des optischen Systems gemäß den 1 bis 3;
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5 eine schematische Seitenansicht eines zweiten optischen Systems;
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6 eine schematische Seitenansicht eines dritten optischen Systems; und
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7 eine schematische Seitenansicht eines vierten optischen Systems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt ein optisches System 10 mit einem Halter 12 zum Halten eines Wellenlängenumwandlungskristall 14. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 dient der Vervielfachung einer Frequenz einer Laserstrahlung (nicht gezeigt), die den Wellenlängenumwandlungskristall 14 entlang einer optischen Achse 16 durchtritt. Die optische Achse 16 entspricht der Strahlausbreitungsrichtung 18. Da die Strahlausbreitung in beide Richtungen entlang der optischen Achse 16 erfolgen kann, ist die Strahlausbreitungsrichtung 18 in 1 durch einen Doppelpfeil dargestellt. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 ist in einer Aufnahme 20 des Halters 12 angeordnet. Die Aufnahme 20 ist in einem Haltekörper 22 ausgebildet.
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Der Haltekörper 22 weist eine Winkelausnehmung 24 auf. Die Winkelausnehmung 24 weist eine erste Mantelanlageseite 26a und eine zweite Mantelanlageseite 26b auf. Die zweite Mantelanlageseite 26b ist senkrecht zur ersten Mantelanlageseite 26a ausgebildet. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 liegt an den Mantelanlageseiten 26a, 26b an. Weiterhin liegt der Wellenlängenumwandlungskristall 14 an einer Anlagefläche 28 auf. Die Anlagefläche 28 ist vorzugsweise senkrecht zur ersten Mantelanlageseite 26a und senkrecht zur zweiten Mantelanlageseite 26b ausgebildet. Die Anlagefläche 28 ist vorzugsweise Teil des Haltekörpers 22.
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Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 wird durch ein Federelement 30 gegen die Anlagefläche 28 gepresst. Das Federelement 30 wird dabei durch eine Fixierschraube 32 zum Haltekörper 22 gezogen. Das Federelement 30 ist einteilig, d. h. einstückig, mit einem Federteil 34 ausgebildet. Das Federteil 34 beaufschlägt Rollkörper 36a, 36b mit einer Federkraft. Diese Federkraft wird durch die Rollkörper 36a, 36b über Nuten 38a, 38b in einem Winkelelement 40, die insbesondere in Form von V-förmigen Nuten ausgebildet sind, in eine weitere Kraft übertragen, die den Wellenlängenumwandlungskristall 14 gegen die Mantelanlageseiten 26a, 26b gepresst hält. Die Rollkörper 36a, 36b können in Form von Zylindern oder dergleichen ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Rollkörper 36a, 36b – wie in 1 dargestellt – in Form von Kugeln ausgebildet.
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2 zeigt das optische System 10, wobei Teile des optischen Systems 10 transparent dargestellt sind, um die Montageposition des Wellenlängenumwandlungskristalls 14 im Halter 12 zu verdeutlichen. Aus 2 ist ersichtlich, dass der Wellenlängenumwandlungskristall 14 eine erste Strahlzugangsfläche 42 aufweist. Das Federelement 30 weist einen ersten Federarm 44a und einen zweiten Federarm 44b auf, die auf der ersten Strahlzugangsfläche 42 aufliegen und den Wellenlängenumwandlungskristall 14 auf diese Art und Weise gegen die Anlagefläche 28 (siehe 1) pressen. Das Federteil 34 weist einen ersten Federarm 46a und einen zweiten Federarm 46b auf, die die Rollkörper 36a, 38b (siehe 1) in die Nuten 38a, 38b (siehe 1) pressen. Federelement 30 und Federteil 34 sind einteilig in Form eines Federblechs ausgebildet.
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Um den Wellenlängenumwandlungskristall 14 stabil bei einer definierten Temperatur zu halten, weist der Haltekörper 22 eine erste Heizpatronenausnehmung 48a und eine zweite Heizpatronenausnehmung 48b auf. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 ist gleich weit beabstandet zu beiden Heizpatronenausnehmung 48a, 48b zwischen den Heizpatronenausnehmungen 48a, 48b angeordnet. In den Heizpatronenausnehmungen 48a, 48b sind Heizpatronen 50a, 50b angeordnet. Der Haltekörper 22 weist weiterhin eine Temperatursensorausnehmung 52 auf. In der Temperatursensorausnehmung 52 ist ein Temperatursensor 54 angeordnet. Die Temperatursensorausnehmung 52 ist vorzugsweise gleich weit zu den Heizpatronenausnehmungen 48a, 48b beabstandet ausgebildet.
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3 zeigt das optische System 10 in einer perspektivischen Ansicht. Aus 3 ist ersichtlich, dass der Halter 12 einen ersten Strahlzugang 56 aufweist. Der erste Strahlzugang 56 dient dem Einlass von Laserlicht entlang der optischen Achse 16 auf die erste Strahlzugangsfläche 42. Der erste Strahlzugang 56 ist vorliegend in Form einer Durchgangsausnehmung ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Halter 12 eine transparente Scheibe zum Einlass von Laserlicht entlang der optischen Achse 16 auf die erste Strahlzugangsfläche 42 aufweisen. Die optische Achse 16 steht im vorliegenden Fall senkrecht auf der ersten Strahlzugangsfläche 42. Der Begriff „erste Strahlzugangsfläche” ist dabei nicht so einschränkend zu verstehen, dass der Wellenlängenumwandlungskristall 14 an der ersten Strahlzugangsfläche 42 nur Strahlung aufnimmt, sondern Laserlicht kann sich in beide Richtungen entlang der optischen Achse 16 durch den Wellenlängenumwandlungskristall 14 ausbreiten bzw. ein- und austreten. Der erste Strahlzugang 56 ist im vorliegenden Fall in einem Deckel 58 des Halters 12 ausgebildet. Der Deckel 58 ist auf den Haltekörper 22 aufschraubbar.
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4 zeigt eine teiltransparente Rückansicht des zuvor erläuterten optischen Systems 10. Aus 4 ist ersichtlich, dass der Halter 12 einen zweiten Strahlzugang 60 aufweist. Der zweite Strahlzugang 60 bietet Zugang für Laserlicht zu einer zweiten Strahlzugangsfläche 62 des Wellenlängenumwandlungskristalls 14. Im vorliegenden Fall ist der zweite Strahlzugang 60 in Form einer Durchgangsausnehmung im Haltekörper 22 ausgebildet. Der Begriff „zweite Strahlzugangsfläche” ist nicht so einschränkend auszulegen, dass Laserlicht nur an der zweiten Strahlzugangsfläche eintritt, sondern Laserlicht kann auch über die zweite Strahlzugangsfläche aus dem Wellenlängenumwandlungskristall 14 austreten. Der zweite Strahlzugang kann alternativ dazu in Form einer für einen Laserstrahl weitgehend transparenten Scheibe ausgebildet sein. Weiterhin kann der in 4 gezeigte zweite Strahlzugang 60 durch eine für einen Laserstrahl weitgehend transparente Scheibe verschlossen sein.
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Als Laserstrahl wird vorzugsweise Laserlicht mit einer Wellenlänge zwischen 1 um und 3 μm eingesetzt. Der frequenzkonvertierte Laserstrahl weist dabei vorzugsweise eine Wellenlänge zwischen 0,5 μm und 1,5 μm auf.
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Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 weist Mantelflächen 64a, 64b, 64c, 64d auf. Die Mantelflächen 64a–d sind senkrecht zur zweiten Strahlzugangsfläche 62 ausgebildet. Weiterhin sind die Mantelflächen 64a–d senkrecht zur ersten Strahlzugangsfläche 42 (siehe 2) ausgebildet. Die zweite Strahlzugangsfläche 62 und erste Strahlzugangsfläche 42 verlaufen im vorliegenden Fall daher parallel zueinander. Weiterhin verläuft die Mantelfläche 64a parallel zur Mantelfläche 64c und die Mantelfläche 64b parallel zur Mantelfläche 64d. Die Mantelflächen 64a–d sind gleich groß ausgebildet.
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Die Mantelfläche 64a liegt an einer ersten Mantelanlageseite 66a des Winkelelements 40 an. Die Mantelfläche 64b liegt an einer zweiten Mantelanlageseite 66b des Winkelelements 40 an. Um einen sicheren Sitz des Wellenlängenumwandlungskristalls 14 an dem Winkelelement 40 zu gewährleisten, weist das Winkelelement 40 eine Aussparung 68 zwischen der ersten Mantelanlageseite 66a und der zweiten Mantelanlageseite 66b auf. Das Winkelelement 40 ist Form eines gleichschenkligen L ausgebildet.
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Die Mantelfläche 64c liegt an der ersten Mantelanlageseite 26a (siehe 1) und die Mantelfläche 64d liegt an der zweiten Mantelanlageseite 26b (siehe 1) an.
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Der Halter 12 ist dazu ausgebildet, den Wellenlängenumwandlungskristall 14 umfangsseitig, d. h. senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung 18 (siehe 1), zwischen dem Winkelelement 40 und der Winkelausnehmung 24 (siehe 1) zu arretieren. In Strahlausbreitungsrichtung 18 (siehe 1) ist der Wellenlängenumwandlungskristall 14 zwischen der Anlagefläche 28 (siehe 1) und den Federarmen 44a, 44b (siehe 2) arretiert. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 ist dadurch in allen Freiheitsgraden reversibel lösbar, mechanisch im Halter 12 arretiert.
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Um den Wellenlängenumwandlungskristall 14 mit einem Gas zumindest teilweise umspülen zu können, kann der Halter 12 einen Gaseinlass 70a und einen Gasauslass 70b aufweisen. Gaseinlass 70a und Gasauslass 70b sind in 4 durch gestrichelte Linien lediglich schematisch angedeutet.
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5 zeigt ein weiteres optisches System 10 in einer schematischen Darstellung. Das optische System 10 weist einen Halter 12 auf, in dem ein Wellenlängenumwandlungskristall 14 arretiert ist. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 ist auf der optischen Achse 16 in einem optischen Resonator 72 angeordnet. Der optische Resonator 72 weist einen ersten Spiegel 74a und einen zweiten Spiegel 74b auf. Die Spiegel 74a, 74b sind in Form von Endspiegeln ausgebildet. In dem Resonator 72 ist weiterhin ein laseraktives Medium 76 vorgesehen. Die in dem laseraktiven Medium 76 durch eine Pumplichtquelle (nicht gezeigt) mit einer Grundfrequenz angeregte Laserstrahlung wird in dem Wellenlängenumwandlungskristall 14 frequenzkonvertiert. Die frequenzkonvertierte Laserstrahlung kann über einen dichroitischen Auskoppelspiegel 78 als frequenzkonvertierte Laserstrahlung aus dem optischen Resonator 72 ausgekoppelt werden. Der Auskoppelspiegel 78 ist insbesondere unter 45° zur optischen Achse 16 ausgerichtet.
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Bei dem laseraktiven Medium 76 kann es sich beispielsweise um einen Nd:VYO4-Kristall, Nd:YAG-Kristall, Yb:YAG-Kristall oder einen anderen laseraktiven Kristall handeln. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 kann in Form eines nichtlinearen Kristalls, beispielsweise in Form eines Lithiumtriborat (LiB3O5)-Kristalls ausgebildet sein, welcher frequenzkonvertierte Laserstrahlung bei der zweiten Harmonischen der Grundfrequenz erzeugt. Das optische System 10 kann weiterhin ein Gütemodulationselement (nicht gezeigt), beispielsweise einen akusto-optischen-Modulator oder ggf. einen elektro-optischen-Modulator, beispielsweise eine Pockelszelle, aufweisen.
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6 zeigt ein weiteres optisches System 10. Das optische System 10 gemäß 6 entspricht dem optischen System 10 gemäß 5. Allerdings ist in dem optischen System 10 gemäß 6 der Halter 12 mit dem Wellenlängenumwandlungskristall 14 außerhalb des Resonators 72 angeordnet.
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7 zeigt ein weiteres optisches System 10. Das optische System 10 weist einen Halter 12 auf, in dem ein Wellenlängenumwandlungskristall 14 arretiert ist. Weiterhin weist das optische System 10 eine Laserquelle 80 auf. Die Laserquelle 80 kann in Form eines Laseroszillators bzw. eines Seed-Lasers ausgebildet sein. Die Laserquelle 80 kann dabei in Form eines Faserlasers, eines Diodenlasers, eines Stablasers, eines Slablasers oder eines Scheibenlasers ausgebildet sein.
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Das Laserlicht der Laserquelle 80 wird in einen ersten Verstärker 82 eingespeist. Der erste Verstärker kann in Form eines Faserlasers, eines Stablasers, eines Slablasers oder eines Scheibenlasers ausgebildet sein.
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Das aus dem ersten Verstärker 82 austretende Laserlicht kann einem optionalen zweiten Verstärker 84 zugeführt werden. Weiterhin kann das aus dem optionalen zweiten Verstärker 84 austretende Laserlicht einem optionalen dritten Verstärker 86 zugeführt werden.
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Das Laserlicht wird schließlich dem Wellenlängenumwandlungskristall 14 im Halter 12 zur Frequenzkonvertierung zugeführt. Aus 7 ist ersichtlich, dass der Halter 12 mit dem Wellenlängenumwandlungskristall 14 außerhalb der Laserquelle 80 und/oder außerhalb der Verstärker 82, 84, 86 anordenbar ist.
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Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend einen Halter 12 für einen Wellenlängenumwandlungskristall 14. Der Wellenlängenumwandlungskristall 14 ist vorzugsweise in dem Halter 12 – in Richtung der optischen Achse 16 betrachtet – sowohl umfänglich, als auch in Richtung der optischen Achse 16 durch Federkräfte mechanisch reversibel lösbar fixierbar. Das umfängliche bzw. radiale Halten des Wellenlängenumwandlungskristalls 14 erfolgt dabei bevorzugt durch eine Spannvorrichtung für den Wellenlängenumwandlungskristall in Form eines Winkelelements 40, das gegen eine Winkelausnehmung 24 pressbar ist. In Richtung der optischen Achse 16 ist der Wellenlängenumwandlungskristall 14 zwischen ein Federelement 30 und eine Anlagefläche 28 spannbar. Das Federelement 30 ist vorzugsweise derart einteilig mit einem Federteil 34 ausgebildet, dass das Federteil 34 mittelbar oder unmittelbar das Winkelelement 40 in Richtung der Winkelausnehmung 24 presst. Das Federelement 30 ist vorzugsweise mit einer Fixierschraube 32 an einem Haltekörper 22 festgelegt. Der Haltekörper 22 weist bevorzugt die Anlagefläche 28 und/oder die Winkelausnehmung 24 auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System 10 mit einem solchen Halter 12 und mit einem in dem Halter 12 fixierten Wellenlängenumwandlungskristall 14.
