DE102018206697A1

DE102018206697A1 - ASE-reduzierte Laserscheibe

Info

Publication number: DE102018206697A1
Application number: DE102018206697.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Stolzenburg
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2018-05-02
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2019-11-07
Also published as: WO2019211234A1

Abstract

Bei einer Laserscheibe (1) aufweisend eine erste Scheibe (3) aus einem mit laseraktivem Material dotierten Festkörper mit einer Unterseite (4) zur thermischen Kopplung mit einer Wärmesenke (2) und eine zweite Scheibe (7), die auf einer Oberseite (5) der ersten Scheibe (2) zur Unterdrückung von verstärkter spontaner Emission angebracht ist, ist erfindungsgemäß die zweite Scheibe (7) aus einem dotierten Festkörper gebildet und die Dotierung (D₂) in der zweiten Scheibe (7) niedriger als die Dotierung (D₁) in der ersten Scheibe (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserscheibe (Scheibenverbund) aufweisend eine erste Scheibe aus einem mit laseraktivem Material dotierten Festkörper mit einer Unterseite zur thermischen Kopplung mit einer Wärmesenke, und eine zweite Scheibe, die auf einer Oberseite der ersten Scheibe zur Unterdrückung von verstärkter spontaner Emission angebracht ist.
Eine derartige Laserscheibe ist beispielsweise durch die US 6,347,109 B1 bekannt geworden.
Die Laserscheibe wird mit Hilfe einer Pumplichtquelle optisch angeregt, um eine Besetzungsinversion in dem laseraktiven Festkörpermaterial zu erzeugen. Die Ausgangsleistung der Laserstrahlung, die beim Pumpen der Laserscheibe erzeugt wird, sollte möglichst groß sein und wird unter anderem durch die maximale Pumpleistung der Pumplichtquelle bzw. durch die Tatsache limitiert, dass die Zahl der Umläufe der Pumpstrahlung durch die Laserscheibe begrenzt ist.
Ein weiterer die maximal mögliche Verstärkung der Laserscheibe beeinflussender Faktor ist die so genannte verstärkte spontane Emission (engl. „Amplification of Spontaneous Emission“, ASE). Der Begriff ASE bezeichnet die (unerwünschte) Verstärkung von durch spontane Emissionen in dem Festkörper erzeugter Strahlung (Photonen) innerhalb des gepumpten Festkörpervolumens, die sich in lateraler Richtung, d.h. im Wesentlichen parallel zur Ober- und Unterseite der Laserscheibe, ausbreitet. Ein Großteil der im Pumpfleck durch spontane Emission erzeugten Strahlung wird durch Totalreflektion in der Laserscheibe geführt und durch das angeregte Lasermedium weiter verstärkt. Wird diese ASE-Strahlung nicht in ausreichendem Maße an den Oberflächen oder der Randfläche der Laserscheibe ausgekoppelt, kann es zum Anschwingen von unerwünschten Lasermoden in der Laserscheibe kommen. Diese durch ASE-Strahlung erzeugte(n) Lasermode(n) stellen eine parasitäre Transversalstrahlung dar, welche negative Folgen für den eigentlichen Laserprozess hat. ASE-Strahlung tritt insbesondere bei großen Pumpflecken und hoher Inversion auf und ist damit insbesondere bei gepulsten Lasern mit hoher Pulsenergie ein Problem.
Um die negativen Folgen der verstärkten spontanen Emission zu reduzieren, ist es aus der eingangs genannten US 6,347,109 B1 bekannt, eine zweite Scheibe in Form einer so genannten Endkappe aus einem undotierten Material auf der Oberseite der Laserscheibe aufzubringen. Diese undotierte Endkappe ermöglicht es spontan emittierten Photonen, aus der (dotierten) Laserscheibe auszukoppeln. Die Reduktion des ASE-Effekts beruht auf einer reduzierten Weglänge der ASE-Strahlung im verstärkenden (dotierten) Bereich der Laserscheibe. Es zeigt sich allerdings, dass bei Endkappen aus gängigen Lasermaterialien (z.B. YAG) durch die beim Herstellungsprozess der Laserscheibe auftretende energiereiche Strahlung Farbzentren in dem undotierten Material erzeugt werden, die zu einer stark erhöhten Absorption führen. Die Eignung einer solch absorbierenden Endkappe ist dann für den Laserbetrieb ungeeignet. Die Farbzentren werden beispielsweise beim Plasma-Beschichtungsprozess im undotierten YAG erzeugt, da im Plasma harte UV Strahlung entsteht. Bei niedrig dotiertem YAG findet hingegen keine Farbzentrenbildung statt.
Aus der US 7,609,741 B2 ist eine Laserscheibe aus einem mit laseraktivem Material dotierten Festkörper bekannt, die einen inneren dotierten Scheibenbereich und einen ringförmigen, äußeren dotierten Scheibenbereich zeigt. Der äußere Scheibenbereich dient zur Absorption von ASE-Strahlung und weist dazu eine Dotierung auf, die höher als die Dotierung des inneren Scheibenbereichs ist.
Aus der WO 2010/034811 A1 ist weiterhin eine Laserscheibe mit einem zur Oberseite (Pumpseite) hin abnehmenden Dotierungsprofil bekannt, um ASE-Strahlung zu reduzieren.
Schließlich ist aus der DE 10 2012 214 370 A1 eine Laserscheibe bekannt, bei der ein ringförmiger, äußerer Scheibenbereich der Laserscheibe oberseitig strukturiert ist, um ASE-Strahlung aus der Laserscheibe auszukoppeln.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, bei einer Laserscheibe der eingangs genannten Art sowohl ASE-Strahlung zu reduzieren als auch eine Farbzentrenbildung wirkungsvoll zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zweite Scheibe aus einem dotierten Festkörper gebildet ist und die Dotierung in der zweiten Scheibe niedriger als die Dotierung in der ersten Scheibe ist.
Erfindungsgemäß wird als zweite Scheibe eine niedrig dotierte Endkappe verwendet, deren Dotierung dabei so gewählt ist, dass im Laserbetrieb eine möglichst geringe Verstärkung für die Laserstrahlung/ASE-Strahlung in der Endkappe bei gleichzeitiger Vermeidung von Farbzentrenbildung erreicht wird.
Die erste Scheibe und die zweite Scheibe können aus dem gleichen Festkörper oder aus unterschiedlichen Festkörpern (Wirtskristallen) gebildet sein, und die Festkörper (Wirtskristalle) der ersten und zweiten Scheibe können mit dem gleichen Dotanden oder mit unterschiedlichen Dotanden dotiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Scheibe aus einer einzigen Schicht gebildet. Dabei kann in Dickenrichtung der zweiten Scheibe die Dotierung konstant sein oder aber in Richtung fort von der ersten Laserscheibe abnehmen, insbesondere kontinuierlich oder stufenweise.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Scheibe aus einem Schichtenstapel mit mehreren Schichten gebildet, in denen die Dotierung jeweils niedriger als in der ersten Scheibe ist. Die Dotierungen in den einzelnen Schichten können unterschiedlich sein und in Richtung fort von der ersten Laserscheibe abnehmen.
Besonders bevorzugt beträgt die Dotierung in der zweiten Scheibe höchstens 50%, insbesondere höchstens 10%, der Dotierung in der ersten Scheibe beträgt. Je dicker die zweite Scheibe, desto mehr thermische Linseneffekte treten auf, aber desto weniger ASE-Strahlung wird generiert. Vorzugsweise beträgt daher die Dicke der zweiten Scheibe das 0,5- bis 10-fache, insbesondere das 1,0-fache, der Dicke der ersten Scheibe.
Die zweite Scheibe kann zusätzlich eine Strukturierung im Randbereich aufweisen, wie sie in der DE 10 2012 214 370 A1 beschrieben ist, um die Rückkopplung der ASE Strahlung zu reduzieren.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserscheibe; und
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserscheibe.

1 zeigt eine Laserscheibe (Scheibenverbund) 1, die zur Kühlung mit einer Wärmesenke 2 verbunden ist. Die Laserscheibe 1 ist thermisch und mechanisch mit der Wärmesenke 2 gekoppelt, z.B. durch Bonden oder Löten oder über eine Klebstoffschicht, um die in der Laserscheibe 1 erzeugte bzw. in die Laserscheibe 1 eingebrachte Wärmeenergie abzuführen.
Die Laserscheibe 1 weist eine erste Scheibe 3 mit einer Unterseite 4, einer Oberseite 5 und einer zwischen Unter- und Oberseite 4, 5 gebildeten umlaufenden Umfangsfläche 6 auf. Die erste Laserscheibe 3 besteht aus einem mit laseraktivem Material dotierten Festkörper (Wirtskristall), z.B. aus Yb:YAG, Nd:YAG oder Nd:YVO4. Auf der Oberseite 5 der ersten Scheibe 3 ist zur Unterdrückung von verstärkter spontaner Emission eine zweite Scheibe (Endkappe) 7, z.B. durch Bonden, angebracht, die ebenfalls aus einem dotierten Festkörper gebildet ist. Die zweite Scheibe 7 ist beispielsweise genau so dick wie die erste Scheibe 3 und in 1 aus einer einzigen Schicht gebildet. Die beiden Scheiben 3, 7 können aus dem gleichen Festkörper (Wirtskristall) oder aus unterschiedlichen Festkörpern (Wirtskristallen) gebildet sein, und die Festkörper der beiden Scheiben 3, 7 können mit dem gleichen Dotanden oder mit unterschiedlichen Dotanden dotiert sein.
Wie der in 1 in Dickenrichtung Z der Laserscheibe 1 dargestellte Dotierungsverlauf zeigt, ist entlang der Dickenrichtung Z die Dotierung D₁ in der ersten Scheibe 3 und die Dotierung D₂ in der zweiten Scheibe 7 jeweils konstant. Die Dotierung D₂ in der zweiten Scheibe 7 ist niedriger als die Dotierung D₁ in der ersten Scheibe 3 und so gewählt, dass im Laserbetrieb eine möglichst geringe Verstärkung für die Laserstrahlung/ASE-Strahlung in der zweiten Scheibe 7 bei gleichzeitiger Vermeidung der Farbzentrenbildung erreicht wird. Die Dotierung D₂ in der zweiten Scheibe 7 sollte höchstens 50%, bevorzugt sogar nur höchstens 10%, der Dotierung D₁ in der ersten Scheibe 3 betragen.
Die Dotierung D₁ in der ersten Scheibe 3 und/oder die Dotierung D₂ in der zweiten Scheibe 7 kann entlang der Dickenrichtung Z statt konstant alternativ auch in Richtung fort von der ersten Laserscheibe 3 kontinuierlich oder stufenweise abnehmen.
Bei der in 2 gezeigten Laserscheibe 1 ist die zweite Scheibe 7 aus einem Schichtenstapel mit mehreren (hier lediglich beispielhaft drei) Schichten 8 gebildet, in denen die Dotierungen D_2,i (i=1...3) jeweils niedriger als in der ersten Scheibe 3 sind. Die Dotierungen D_2,i in den Schichten 8 können beispielsweise in Richtung fort von der ersten Laserscheibe 3 abnehmen.
Während des Betriebs der Laserscheibe 1 wird Pumpstrahlung 9 auf einen Pumpbereich 10 (Pumpfleck) der Laserscheibe 1 eingestrahlt, um dieser die zur Erzeugung von senkrecht bzw. nahezu senkrecht zur Ober- und Unterseite 4, 5 verlaufender Laserstrahlung 11 in dem laseraktiven Material erforderliche Pumpleistung zuzuführen. Dabei können z.B. in dem Pumpbereich 10 spontane Emissionen (ASE-Strahlung) 12 auftreten (vergleiche Startpunkt 12a einer spontanen Emission bzw. eines Photons), welche sich durch mehrfache Total-Reflexion an der Unterseite 5 und der Umfangsfläche 6 der Laserscheibe 1 sowie an der Oberseite 13 der zweiten Scheibe 7 von dem typischerweise mittig im Volumen der Laserscheibe 1 angeordneten Pumpbereich 10 zum Rand der Laserscheibe 1 hin ausbreiten und dabei verstärkt werden (verstärkte spontane Emissionen). Aufgrund der niedrigen Dotierung D₂ , D_2,i in der zweiten Scheibe 7 wird die ASE-Strahlung 12 in der zweiten Scheibe 7 allerdings nur gering verstärkt. Auf diese Weise wird entgegengewirkt, dass die ASE-Strahlung 12 wieder in den Bereich des Pumpflecks 10 gelangt und es dort durch das Pumplicht 9 und/oder durch eine Wechselwirkung mit weiteren lateral propagierenden Photonen zu einer weiteren Verstärkung der spontanen Emission kommen kann, was innerhalb der Laserscheibe 1 zu parasitärer Transversalstrahlung führen würde. Solch eine parasitäre Transversalstrahlung kann die Verstärkung der senkrecht zur Ober- und Unterseite 4, 5 verlaufenden Laserstrahlung 11 drastisch verringern. Durch die niedrige Dotierung D₂ , D_2,i in der zweiten Scheibe 7 wird außerdem eine Farbzentrenbildung in der Laserscheibe 1 aufgrund der bei der Herstellung der Laserscheibe auftretenden hochenergetischen Strahlung verhindert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6347109 B1 [0002, 0005]
US 7609741 B2 [0006]
WO 2010/034811 A1 [0007]
DE 102012214370 A1 [0008, 0016]

Claims

Laserscheibe (1) aufweisend eine erste Scheibe (3) aus einem mit laseraktivem Material dotierten Festkörper mit einer Unterseite (4) zur thermischen Kopplung mit einer Wärmesenke (2), und eine zweite Scheibe (7), die auf einer Oberseite (5) der ersten Scheibe (3) zur Unterdrückung von verstärkter spontaner Emission angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Scheibe (7) aus einem dotierten Festkörper gebildet ist und die Dotierung (D₂, D_2,i) in der zweiten Scheibe (7) niedriger als die Dotierung (D₁) in der ersten Scheibe (3) ist.
Laserscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Scheibe (3) und die zweite Scheibe (7) aus dem gleichen Festkörper oder aus unterschiedlichen Festkörpern gebildet sind.
Laserscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörper der ersten und zweiten Scheibe (3, 7) mit dem gleichen Dotanden oder mit unterschiedlichen Dotanden dotiert sind.
Laserscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Scheibe (7) aus einer einzigen Schicht gebildet ist.
Laserscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung (D₂) der zweiten Scheibe (7) in Dickenrichtung (Z) konstant ist.
Laserscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung (D₂) der zweiten Scheibe (7) in Dickenrichtung (Z) in Richtung fort von der ersten Laserscheibe (3) abnimmt, insbesondere kontinuierlich oder stufenweise.
Laserscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Scheibe (7) aus einem Schichtenstapel mit mehreren Schichten (8) gebildet ist, in denen die Dotierungen (D_2,i) jeweils niedriger als die Dotierung (D₁) in der ersten Scheibe (3) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung (D_2,i) in den Schichten (8) in Richtung fort von der ersten Laserscheibe (3) abnimmt.
Laserscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung (D₂, D_2,i) in der zweiten Scheibe (7) höchstens 50%, insbesondere höchstens 10%, der Dotierung (D₁) in der ersten Scheibe (3) beträgt.
Laserscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zweiten Scheibe (7) das 0,5- bis 10-fache, insbesondere das 1,0-fache, der Dicke der ersten Scheibe (3) beträgt.