DE102023103583A1

DE102023103583A1 - Optischer Plattenverstärker und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102023103583A1
Application number: DE102023103583.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Killi; Christian Stolzenburg
Original assignee: Trumpf Laser Se
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2023-02-14
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2024-08-14
Also published as: WO2024170624A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Plattenverstärker, mit einer Plattenanordnung mit zumindest zwei Fassungen, wobei die Fassungen jeweils Stirnflächen aufweisen und entlang einer optischen Achse gestapelt sind, sodass die Stirnflächen voneinander einen vorbestimmten Abstand aufweisen, wobei entlang zumindest einer Stirnfläche der Fassungen quer zur optischen Achse zumindest ein Kühlkanal zum Kühlen der Stirnfläche mit einem den Kühlkanal durchströmenden Kühlmedium vorgesehen ist, wobei die Fassungen eine Aussparung aufweisen, in welcher ein plattenförmiges optisches Element eingesetzt ist, wobei das optische Element ein Lasermedium enthält, mit einer Pumpstrahlzuführung, welche angeordnet und ausgerichtet ist, um einen Pumpstrahl im Wesentlichen entlang der optischen Achse durch das Lasermedium zu führen, wobei der Pumpstrahl ein quer zu einer Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem zumindest einen Kühlkanal langgestrecktes Strahlprofil aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Plattenverstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden optischen Plattenverstärkers.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Als optischer Plattenverstärker wird eine Architektur für gepulste, diodengepumpte, Festkörper-Laserverstärker bezeichnet, mit der sich hohe Pulsenergien aufgrund des hohen Volumens des Lasermediums mit hohen Wiederholraten bzw. mittlerer Leistung erzielen lassen. In einem solchen Plattenverstärker sind mehrere parallel angeordnete plattenförmige Lasermedien (Laserplatten) vorgesehen. Die Wärmeabfuhr erfolgt u. a. per erzwungener Konvektion durch einen Kühlstrom, der durch Zwischenräume zwischen den einzelnen Laserplatten fließt. Die Wiederholrate und Leistung sind durch die Wärme, die mit dem Kühlstrom abgeführt werden kann, limitiert. Die Laserplatten werden von einer Struktur umgeben, die einerseits die Laserplatten fixiert, andererseits die Querschnitte für den Kühlstrom derart vorgibt, dass der Kühlstrom im Bereich der Laserplatten eine ausreichend hohe Geschwindigkeit zur Wärmeabfuhr aufweist.
Beispielhaft beschreibt die WO 2013/093500 A2 einen vorbekannten Plattenverstärker.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Plattenverstärker bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen optischen Plattenverstärker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden optischen Plattenverstärkers mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

- Ein optischer Plattenverstärker, mit einer Plattenanordnung mit zumindest zwei Fassungen, wobei die Fassungen jeweils Stirnflächen aufweisen und entlang einer optischen Achse gestapelt sind, sodass die Stirnflächen voneinander einen vorbestimmten Abstand aufweisen, wobei entlang zumindest einer Stirnfläche der Fassungen quer zur optischen Achse zumindest ein Kühlkanal zum Kühlen der Stirnfläche mit einem den Kühlkanal durchströmenden Kühlmedium vorgesehen ist, wobei die Fassungen eine Aussparung aufweisen, in welcher ein plattenförmiges optisches Element eingesetzt ist, wobei das optische Element ein Lasermedium enthält, mit einer Pumpstrahlzuführung, welche angeordnet und ausgerichtet ist, um einen Pumpstrahl im Wesentlichen entlang der optischen Achse durch das Lasermedium zu führen, wobei der Pumpstrahl ein quer zu einer Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem zumindest einen Kühlkanal langgestrecktes Strahlprofil aufweist.
- Ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Plattenverstärkers, insbesondere eines erfindungsgemäßen optischen Plattenverstärkers, mit den Schritten: Einströmen eines Kühlmediums in zumindest einen Kühlkanal zum Kühlen zumindest einer Stirnfläche zumindest zweier Fassungen, welche eine Plattenanordnung bilden, wobei die Fassungen jeweils entlang einer optischen Achse gestapelt sind, sodass die Stirnflächen voneinander einen vorbestimmten Abstand aufweisen, wobei die Fassungen eine Aussparung aufweisen, in welcher ein plattenförmiges optisches Element eingesetzt ist, wobei das optische Element ein Lasermedium enthält, wobei der zumindest eine Kühlkanal quer zu der optischen Achse ausgebildet ist, und Einstrahlen eines Pumpstrahls durch eine Pumpstrahlzuführung, wobei die Pumpstrahlzuführung derart ausgerichtet und angeordnet ist, den Pumpstrahl entlang der optischen Achse durch das Lasermedium zu führen, wobei der Pumpstrahl ein quer zu einer Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem zumindest einen Kühlkanal langgestrecktes Strahlprofil aufweist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass neben der Abfuhr der im Lasermedium entstehenden Wärme auch die Ableitung der verstärkten Spontanemission (ASE, amplified spontaneous emission) bei solchen Hochenergieverstärkern zur Leistungsverstärkung beiträgt. Eine Ableitung von ASE aus dem Lasermedium bzw. der gesamten Optik des Plattenverstärkers reduziert die Wärmebelastung im Plattenverstärker und ermöglicht somit eine höhere Leistungsverstärkung. Damit die Ableitung von ASE nicht die Leistung des Verstärkers negativ beeinflusst, sollte die ASE möglichst am Rand des Lasermediums abgeleitet werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, das Pumpstrahlprofil zu verwenden, um die ASE in eine bestimmte Richtung zu lenken, wo sie leichter handhabbar ist. So liefert ein zu den Seiten hin und quer zu den Kühlkanälen langgestrecktes Strahlprofil auch eine Verstärkung von in diese Richtung emittierter ASE, sodass im Lasermedium plattenübergreifend eine sich zu den Seiten verstärkende ASE entsteht. An den seitlichen Rändern des optischen Elements bzw. der Fassungen kann die ASE besonders einfach und effektiv abgeleitet werden, sodass sie vorteilhaft nicht mehr, beispielsweise unmittelbar oder über Mehrfachreflexion, in das Lasermedium zurückreflektiert wird.
Ferner bietet das langgestreckte Pumpprofil noch weitere Vorteile. Da die Querschnittsfläche des Kühlmediums um das Lasermedium vergrößert wird, lässt sich ein größerer Volumenstrom des Kühlmediums realisieren, wodurch die abführbare Wärme zunimmt. Bei konstanter Pumpleistungsdichte im Vergleich zu einem kreisrunden oder quadratischen Pumpprofil wird bei einem langgestreckten Pumpprofil, also dem Strahlprofil des Pumpstrahls, die laterale Abmessung in Richtung des Kühlmedienstroms reduziert. Dadurch braucht vom Kühlmedium nur eine geringere Wärmemenge pro Strecke abgeführt werden.
Die Dicke einer Fassung und eines optischen Elements liegt insbesondere im Millimeterbereich, beispielsweise 0,5 mm bis 5 mm, vorzugsweise 1 mm bis 1,5 mm. Da die Höhe des Pumpflecks, das heißt die Ausdehnung in seiner kürzeren Richtung im Zentimeterbereich, beispielsweise im Bereich von etwa 1 cm liegt, und der Streckfaktor beispielsweise im Bereich von 2 und 20 liegt, ist die Breite des Pumpprofils, das heißt die Ausdehnung in seiner langen, gestreckten Seite deutlich größer als die Dicke des Lasermediums.
Auf diese Weise lässt sich die Wärmeabfuhr erhöhen, sodass bei gleichbleibender Wärmeentwicklung die Pumpleistung erhöht werden kann. Dadurch wiederum kann die Verstärkung, die maximale Pulsenergie, die maximale Leistungsdichte und die maximale Ausgangsleistung eines durch den Plattenverstärker verstärkten Laserstrahls erhöht werden.
Unter einem Kühlkanal ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung insbesondere ein Durchgang zu verstehen, an den zumindest eine Stirnfläche einer Fassung und eine Oberfläche eines in die Aussparung dieser Fassung eingesetzten optischen Elements angrenzt. In einem solchen Kühlkanal ist ein Kühlmedium zum Abführen der an der Oberfläche des optischen Elements bzw. des Lasermediums entstandenen Wärme vorgesehen. Zumindest ein Teil dieser Wärme entsteht beim Pumpen, d.h. Anregen der Atome oder Moleküle im Lasermedium bzw. beim Betrieb des Plattenverstärkers durch den Quantendefekt, d.h. der Energiedifferenz eines Photons des Pumpstrahls zum Photon des zu verstärkenden Laserstrahls im Lasermedium. Dieser Quantendefekt fließt zum großen Teil als Wärme in das Material des Lasermediums.
Das Kühlmedium sollte dabei keine bzw. nur sehr wenig Absorption in dem genutzten Spektralbereich aufweisen. Ferner sollte das Kühlmedium bei Erwärmung keine oder nur eine sehr geringe thermische Linse erzeugen. Bevorzugt wird für das Kühlmedium gasförmiges Helium, He, verwendet. Eine Flüssigkeit als Kühlmedium ist ebenso vorstellbar.
Unter einer Aussparung der Fassung ist, zumindest abschnittsweise im Bereich des Pumpprofils, vorzugsweise aber über die gesamte Ausdehnung, eine Ausnehmung, insbesondere ein Rundloch bzw. eine Durchgangsbohrung durch die Fassung zu verstehen.
Unter einer Verstärkung versteht man dabei den Faktor, um den sich die Leistung eines Laserstrahls bzw. die Energie der Laserpulse beim Durchlaufen durch die Lasermedien des Plattenverstärkers erhöht. Vorteilhafterweise wird dazu ein Laserstrahl verwendet, welcher auf einer für die Verstärkung günstigen Wellenlänge oszilliert. Diese ist in der Regel etwas höher als die Wellenlänge der Pumpstrahlung. Beispiele für Yb-dotierte Lasermedien sind Pumpstrahlen bei ca. 940 nm und Laserstrahlen bei 1030 nm Wellenlänge. Bei Ti-Saphir als Lasermedium wird üblicherweise ein Pumpstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 514 nm bis 532 nm verwendet, um einen Laserstrahl bei ca. 800 nm Wellenlänge effizient zu verstärken bzw. zu erzeugen. Aufgrund des damit verbundene Quantendefekts wird beim Betrieb im Lasermedium Wärme generiert, welche ebenfalls abgeführt werden sollte.
Die Stirnflächen der Fassungen sind in dem Plattenverstärker im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Unter den im Wesentlichen parallel angeordneten Stirnflächen ist zu verstehen, dass die Stirnflächen der Fassungen nicht exakt parallel zueinander gestapelt sein müssen, sondern ein Keilwinkel von bis zu ca. 10° zwischen benachbarten Stirnflächen der Fassungen möglich und hier mit umfasst ist. Dieser Winkel kann durch eine leicht abgewinkelte Anordnung der Fassungen zueinander, und/oder durch eine keilförmige Ausbildung der Fassungen selbst entstehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind Absorber vorgesehen, welche entlang dem zumindest einen Kühlkanal seitlich an dem optischen Element angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können die Absorber auch seitlich entlang der optischen Elemente direkt an dem Lasermedium angeordnet sein. Die Absorber verhindern oder zumindest reduzieren das Entweichen insbesondere von ASE. Das langgestreckte Pumpprofil begünstigt die Ausbreitung der ASE in Richtung der Absorber, sodass die Absorber im Betrieb eine erhöhte Menge ASE aufnehmen. Da entweichende ASE oder optische Strahlung allgemein sonst an einer anderen Stelle absorbiert werden müsste, um eine Rückkopplung in den Verstärker zu verhindern, werden hierdurch weitere Maßnahmen zur Absorption überflüssig.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung weisen die Absorber einen an das Lasermedium angepassten Brechungsindex auf. Auf diese Weise können Rückreflexionen an der Grenzfläche zwischen Lasermedium und Absorber stark reduziert bzw. vermieden werden. So kann die austretende Strahlung, insbesondere das ASE, besonders effektiv absorbiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Absorber ein absorbierendes Material auf, welches chemisch mit dem Lasermedium verbunden ist. Der Absorber ist in dieser Weiterbildung somit in das optische Element integriert. Auf diese Weise kann der Absorber besonders kompakt gestaltet werden. Außerdem kann somit eine scharfe Grenzfläche zwischen Lasermedium und Absorber im optischen Element vermieden werden, sodass Rückreflexionen der austretenden Strahlung zurück in den Verstärker deutlich reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Wärmesenke vorgesehen, welche wärmeleitend mit dem Absorber verbunden ist. Zumindest ist die Wärmesenke über die Höhe des Pumpprofils in Richtung des Kühlkanals realisiert, damit von dort entstehende ASE absorbiert und die entstandene Wärme effizient abgeleitet werden kann. Auf diese Weise kann die an den Absorbern entstehende Wärme besonders effektiv abgeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Halterungskühlung mit zumindest einem Halterungskühlkanal vorgesehen. Die Halterungskühlung kann dabei in einem Rahmen ausgebildet sein, welche die Fassungen derart hält, dass eine Verschiebung der Fassungen in zumindest einer seitlichen Richtung verhindert wird. Alternativ kann die Halterungskühlung in einer Plattenhalterung angeordnet sein, welche die optischen Elemente haltern. Der Halterungskühlkanal ist wärmeleitend mit dem Absorber verbunden, und dazu ausgebildet, ein Kühlmittel aufzunehmen. Die Halterungskühlung kann damit einen Hohlraum aufweisen, in dem das Kühlmittel enthalten ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Halterungskühlung dazu ausgebildet, das Kühlmittel in den Halterungskühlkanälen zu transportieren. Auf diese Weise kann ein Kühlungskreislauf realisiert werden, in dem das Kühlmittel durch die Halterungskühlkanäle zirkuliert. Unter dem Kühlmittel ist somit nachfolgend das in dem Halterungskühlkanal enthaltene Medium zum Kühlen zu verstehen, während unter dem Kühlmedium das im Kühlkanal strömende Medium zum Kühlen der Stirnflächen der Fassungen bzw. der Oberfläche des optischen Elements zu verstehen ist. Zumindest ist die Halterungskühlung über die Höhe des Pumpprofils realisiert bzw. erstreckt sich darüber, damit von dort entstehende ASE absorbiert und die entstandene Wärme effizient abgeleitet werden kann. Dies stellt eine weitere besonders effektive Kühlung der an dem Lasermedium und/oder den Absorbern entstehende Wärme dar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Kühlmittel eine an den Brechungsindex des optischen Elements angepasste Kühlflüssigkeit. Im Vergleich zu einem Gas besitzt eine Flüssigkeit im Allgemeinen eine größere Wärmekapazität. Ferner kann durch einen Fluss der Flüssigkeit die Wärme besonders effektiv abgeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Plattenanordnung drei oder mehr Fassungen auf, welche an ihren Stirnflächen aneinander gestapelt sind und einen vorbestimmten Abstand voneinander aufweisen. In diesem Fall ist insbesondere auch eine Mehrzahl von Kühlkanälen zum beidseitigen Kühlen der Fassungen an ihren Stirnflächen mit dem den Kühlkanälen durchströmenden Kühlmedium in dem Plattenverstärker vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich die Leistung bzw. die Verstärkung des Plattenverstärkers auf einfache Weise erhöhen, bzw. entsprechend der Plattenanzahl multiplizieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Pumpstrahl ein im Wesentlichen elliptisches Strahlprofil auf, wobei eine lange Achse des elliptischen Strahlprofils quer zu dem zumindest einen Kühlkanal verläuft. Ein elliptisches Strahlprofil ist vergleichsweise einfach zu erzeugen und weist typischerweise in der langen Achse eine geringere Divergenz auf. Die Intensitätsverteilung des elliptischen Strahlprofils einer bevorzugt verwendeten Hochleistungsdiode kann beispielsweise eine Top-Hat Intensitätsverteilung aufweisen, womit eine gleichmäßige Anregung der Laseratome im Lasermedium erreicht wird. Aber es können auch Laserdioden mit einer Gaußschen Intensitätsverteilung verwendet werden. Beispielsweise können leistungsstarke Laserdioden ohne weitere Strahlformungsoptiken verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Pumpstrahl ein im Wesentlichen rechteckiges Strahlprofil auf, wobei eine lange Seite des rechteckigen Strahlprofils quer zu dem zumindest einen Kühlkanal verläuft. Mit einem solchen rechteckigen Pumpprofil kann eine vergleichsweise große Fläche des optischen Elements bzw. des Lasermediums bestrahlt bzw. dessen Atome angeregt werden. Ein rechteckiges Strahlprofil kann beispielsweise eine Top-Hat Intensitätsverteilung aufweisen, womit eine gleichmäßige Anregung der Laseratome im Lasermedium erreicht wird. Das rechteckige Strahlprofil steigert die Effizienz und erhöht die zur Verfügung stehende Verstärkungsleistung des Plattenverstärkers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Laserstrahlzuführung zum Führen eines zu verstärkenden Laserstrahls vorgesehen, wobei der Laserstrahl ein M²-Wert kleiner 15 aufweist. Vorzugsweise ist der M²-Wert kleiner 5, insbesondere zwischen 2 und 3. Durch den relativ geringen M²-Wert, also der relativ guten Strahlqualität des Laserstrahls, ist der Einfluss der Pumpgeometrie auf die Strahlqualität vernachlässigbar. Somit kann der Laserstrahl ohne große Strahlqualitätsverluste verstärkt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Laserstrahl von der Laserstrahlzuführung im Wesentlichen in dem Pumpstrahl entgegengesetzter Richtung geführt. Durch die so für die Verstärkung günstigere Verteilung der Besetzungsinversion im Lasermedium entlang der optischen Achse wird im Vergleich zu einem sich nur in gleicher Richtung ausbreitenden Pumpstrahl eine größere Verstärkung erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Laserstrahlzuführung einen optischen Resonator zur Erzeugung des Laserstrahls auf. Somit kann der Plattenverstärker auch als eigenständiger Laser genutzt werden, wodurch der Plattenverstärker vielseitiger anwendbar wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Laserstrahl ein Seed-Laserstrahl, welcher extern durch die Laserstrahlzuführung in den Plattenverstärker einkoppelbar ist. Solche Seed-Laser weisen in der Regel eine besonders hohe Stabilität und Strahlqualität, beispielsweise in Bezug auf das Strahlprofil, Pulsform, Pulsenergie, zeitliche Stabilität (Jitter) oder das Wellenlängenspektrum, auf, sodass sich damit ein qualitativ besonders hochwertiger verstärkter Laserstrahl erzeugen lässt. Auch ist auf diese Weise der Plattenverstärker zwischen unterschiedlichen Laserquellen als Seed-Laser einfacher austauschbar. So kann der Plattenverstärker ebenso vielseitiger angewendet werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Insbesondere sind sämtliche Merkmale des optischen Plattenverstärkers auf das Verfahren zum Betrieb des optischen Plattenverstärkers übertragbar, und umgekehrt. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 ein schematisches Diagramm einer ASE-Verteilung als Funktion eines Winkels;
5 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
7a-b schematische Schnittbilder eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
9 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
10 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
11a-c schematische Schnittbilder eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
12 ein schematisches Schnittbild einer Fassung mit optischem Element eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
13 ein schematisches Schnittbild einer Fassung mit optischem Element eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
14 ein schematisches Schnittbild einer Fassung mit optischem Element eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
15 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
16 ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
17 eine schematische Abbildung eines Verfahrens zum Betrieb eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer Ausführungsform; und
18 eine schematische Abbildung eines Verfahrens zum Betrieb eines optischen Plattenverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausgeführt ist -jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Der in 1 gezeigte optische Plattenverstärker 10 weist eine Plattenanordnung 11 auf, welche zumindest zwei Fassungen 12 enthält. In weiteren Ausführungsformen, wie weiter unten gezeigt, weist die Plattenanordnung 11 drei oder mehr Fassungen 12 auf. Die Fassungen 12 sind hier plattenförmig ausgebildet und weisen jeweils Stirnflächen 13 auf, welche eine großflächige ebene Seite der Fassung 12 darstellt. In der Plattenanordnung 11 sind die Stirnflächen 13 entlang einer optischen Achse A gestapelt, sodass die Stirnflächen 13 zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet sind und voneinander einen vorbestimmten Abstand D aufweisen. Dieser Abstand D kann insbesondere 0,5 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 2 mm betragen.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform des Plattenverstärkers sind die Stirnflächen 13 der Fassungen 12 exakt parallel zueinander angeordnet. In weiteren Ausführungsformen sind die Stirnflächen 13 nicht exakt parallel zueinander angeordnet, sondern können einen Winkel von bis zu ca. 10° zueinander aufweisen. Dieser Winkel kann durch eine keilförmige Ausbildung der Fassungen 12 selbst, und/oder durch eine leicht abgewinkelte Anordnung der Fassungen 12 zueinander entstehen.
Zwischen den Fassungen 12, zumindest aber entlang einer Fassung 12, ist ein Kühlkanal 17 ausgebildet, welcher entlang zumindest einer Stirnfläche 13 der Fassungen 12 quer zur optischen Achse A zum Kühlen der Stirnfläche 13 mit einem den Kühlkanal 17 durchströmenden Kühlmedium 18 vorgesehen ist. Dazu wird eine Kühleinrichtung genutzt, welche einen Druck von beispielsweise 1 bis 20 bar bereitstellt, mit dem das Kühlmedium 18 durch den oder die Kühlkanäle 17 geleitet wird. Das Kühlmedium 18 sollte dabei keine bzw. nur sehr wenig Absorption in dem genutzten Spektralbereich aufweisen. Ferner sollte das Kühlmedium 18 bei Erwärmung keine oder nur eine sehr geringe thermische Linse erzeugen. Bevorzugt wird für das Kühlmedium 18 gasförmiges Helium, He, verwendet. Alternativ können auch andere Edelgase wie Ar, Ne, Xe, Kr, oder auch Gase wie N₂, H₂ O₂ usw. verwendet werden. Eine Flüssigkeit als Kühlmedium 18 ist ebenso realisierbar.
Die verwendeten Fassungen 12 weisen eine Aussparung 14 auf, in welcher ein plattenförmiges optisches Element 15 eingesetzt ist. In dieser Ausführungsform ist das optische Element 15 so ausgebildet, dass im eingesetzten Zustand seine ebene Oberflächen 16 mit der Stirnfläche 13 der Fassungen 12 bündig angeordnet sind. Das optische Element 15 ist seitlich so passend dimensioniert, dass es in die Aussparung 14 gerade eingesetzt werden kann, ohne dass ein Druck ausgeübt werden müsste, der zu inneren Spannungen im optischen Element 15 führen würde. Wie weiter unten beschrieben, ist das optische Element 15 bevorzugt etwas kleiner als die Aussparung 14 ausgebildet. Die Aussparung 14 ist über die gesamte Ausdehnung als eine Durchbohrung durch die Fassung 12 ausgebildet.
Das Material der Fassungen 12 ist vorzugsweise thermisch stabil und weist bevorzugt eine große Wärmeleitfähigkeit und/oder einen auf das optische Element 15 angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. So kann die Fassung 12 aus einem Metall, wie beispielsweise Aluminium, oder auch aus einem Kunststoff oder einem anderen Material hergestellt sein. Auch eine Beschichtung der Fassungen 12 kann vorgesehen sein.
Die Dicke t_L des optischen Elements 15 bzw. des Lasermediums L sollte nicht dünner sein, als die Dicke t_P der Fassung 12. Bevorzugt ist das optische Element 15 in seiner Dicke t bündig mit der Aussparung 14 ausgebildet, d.h. das optische Element 15 und die entsprechende Fassung 12 weisen die gleiche Dicke t_P, t_L auf.
Das optische Element 15 enthält oder ist ein Lasermedium L zum Verstärken eines Laserstrahls geeigneter Wellenlänge, wenn dieses gepumpt wird. Das Lasermedium L kann jegliches gängiges Medium sein, wie beispielsweise Yb:YAG, Ti:Saphir (Ti³⁺:Al₂O₃) , Nd:YAG, Er:YAG, Cr:ZnSe, etc., welches optisch gepumpt zum Erzeugen oder Verstärken eines Laserstrahls geeignet ist.
Zum Pumpen des Lasermediums L, bzw. Anregen der laseraktiven Atome, ist eine Pumpstrahlzuführung vorgesehen, welche angeordnet und ausgerichtet ist, um einen Pumpstrahl P im Wesentlichen entlang der optischen Achse A durch das Lasermedium L der Fassungen 12 zu führen. Die Pumpquelle für den Pumpstrahl ist eine für das Lasermedium L geeignete Strahlquelle, in der Regel eine oder mehrere Laserdioden, bevorzugt mit hoher Leistung. So wird beispielsweise eine Strahlquelle mit Wellenlänge 940 nm für Yb-dotierte Materialien als Lasermedium L verwendet, oder eine Strahlquelle mit Wellenlänge 514-532nm für Ti:Saphir als Lasermedium L.
Zu erkennen in 1 ist, dass der Pumpstrahl P ein quer zu einer Strömungsrichtung F des Kühlmediums 18 in dem zumindest einen Kühlkanal 17 langgestrecktes Strahlprofil 19 aufweist. Dies ist daran zu erkennen, dass die lange Achse a, welche quer, insbesondere senkrecht, zum Kühlkanal 17 bzw. zur Ausrichtung der Fassung 12, sowie zur optischen Achse A verläuft, länger ist, als die kurze Achse b, welche im Wesentlichen parallel zum Kühlkanal 17 verläuft. Die lange Achse a bildet also die Breite des Strahlprofils 19 des Pumpprofils, während die kurze Achse b die Höhe des Strahlprofils 19 des Pumpstrahls bildet. Wie oben bereits beschrieben, wird hierdurch die verstärkte Spontanemission (ASE: amplified spontaneous emission) in die seitliche Richtung, also entlang der Achse a des Strahlprofils 19 nach außen geleitet.
2 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um einen gemäß 1 aufgebauten Plattenverstärker 10. In 2 ist davon lediglich das optische Element 15 gezeigt, welches in der Aussparung 14 der Fassung 12 angeordnet ist. Es ist zu erkennen, dass in dem optischen Plattenverstärker 10 zusätzlich zwei Absorber 20 vorgesehen sind, welche seitlich entlang dem zumindest einen Kühlkanal 17 an dem optischen Element 15 angeordnet sind.
Die Absorber 20 weisen dabei einen an das Lasermedium L angepassten Brechungsindex auf. Auf diese Weise kann ASE ohne Reflexionen beim Übergang von dem optischen Element 15 in den Absorber 20 eintreten und dort absorbiert werden.
Ferner ist zu erkennen, dass der Pumpstrahl P ein im Wesentlichen elliptisches Strahlprofil 19 aufweist. Der mit diesem Pumpprofil 19 versehende Pumpstrahl P wird von einer Hochleistungs-Laserdiode emittiert. So hat das Strahlprofil 19 eine Intensitätsverteilung im Wesentlichen eines sogenannten Top-Hats, d. h. eine nahezu gleichmäßige Intensität innerhalb des Profils. In weiteren Ausführungsformen ist der Pumpstrahl P ein von mehreren Laserdioden überlagerter Pumpstrahl P, und/oder wird von einer Blitzlampe oder einem Laser erzeugt. In weiteren Ausführungsformen weist das Strahlprofil 19 eine Gaußsche Intensitätsverteilung auf.
Der Pumpstrahl P verläuft mit der lange Achse a des elliptischen Strahlprofils 19 quer, insbesondere senkrecht, zu dem zumindest einen Kühlkanal 17, sodass ASE verstärkt in diese Richtung abgeleitet wird. In 2 ist der Streckfaktor, d.h. der Quotient aus a/b, nur beispielhaft angedeutet. Grundsätzlich kann jeder technische sinnvolle Wert als Streckfaktor verwendet werden. In beispielhaften bevorzugten Ausführungsformen wird ein Streckfaktor von 2 bis 20 verwendet.
3 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Im Vergleich zur letzten Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich hier lediglich das Pumpprofil 19 des Pumpstrahls P dahingehend, dass der Pumpstrahl P ein im Wesentlichen rechteckiges Strahlprofil 19 aufweist. Auch hier verläuft eine lange Seite a des rechteckigen Strahlprofils 19 quer zu dem zumindest einen Kühlkanal 17, womit besonders effektiv ASE zu den Seiten weggeleitet wird. Dort sind hier ebenso Absorber 20 vorgesehen, welche seitlich entlang dem zumindest einen Kühlkanal 17 an dem optischen Element 15 angeordnet sind, und dazu ausgebildet sind, die ASE-Strahlung zu absorbieren. Damit keine Reflexionen beim Übergang vom optischen Element 15 zum Absorber 20 entstehen, weist der Absorber 20 einen an das Lasermedium L bzw. das optische Element 15 angepassten Brechungsindex auf, und ist mit dem optischen Element 15 in physischem Kontakt.
4 zeigt ein schematisches Diagramm 40 einer ASE-Verteilung als Funktion eines Winkels α.
Das in 4 gezeigte Diagramm 40 zeigt auf der vertikalen Achse 42 die simulierte Intensität von ASE als Funktion des auf der horizontalen Achse 41 aufgetragenen Winkels α in der Plattenebene, welcher bei α=0° bzw. 360° und α=180° die Strömungsrichtung F anzeigt. Die Kurve 43 beschreibt die Intensitätsverteilung bei einem kreisrunden Strahlprofil 19, während Kurve 44 die Intensitätsverteilung bei einem elliptischen Strahlprofil 19 anzeigt. Es ist zu erkennen, dass für das kreisrunde Strahlprofil 19 die Kurve 43 im Wesentlichen konstant ist, d.h. dass sich ASE gleichmäßig in dem optischen Element 15 bzw. im Lasermedium L verteilt. Im Gegensatz dazu weist die Kurve 44 Minima α₀, α₁₈₀, α₃₆₀ bei α=0°=360° und α=180°, und Maxima α₉₀, α₂₇₀ bei α=90° und α=270° auf. Damit ist gezeigt, dass sich bei dem elliptischen Strahlprofil 19 ASE vorwiegend hin zu den Seiten, und sich nur wenig ASE in oder entgegengesetzt der Strömungsrichtung F des Kühlmediums 18 in den Kühlkanälen 17 ausbreitet.
5 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Der in 5 gezeigte optische Plattenverstärker 10 ist analog zu der in 1 gezeigten Ausführungsform strukturiert. Der in 5 gezeigte optische Plattenverstärker 10 weist daher ebenfalls eine Plattenanordnung 11 mit zumindest zwei Fassungen 12 auf. Die Fassungen 12 weisen jeweils Stirnflächen 13 auf, welche entlang einer optischen Achse A gestapelt sind. Die Stirnflächen 13 sind zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet und weisen voneinander einen vorbestimmten Abstand D auf. In weiteren Ausführungsformen sind die Stirnflächen 13 zueinander leicht angewinkelt angeordnet. Auch hier kann der Abstand D der Fassungen 13 voneinander insbesondere 0,5 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 2 mm betragen.
Die Fassungen 12 weisen ebenso eine Aussparung 14 auf, in welcher ähnlich wie in der in 1 gezeigten Ausführungsform ein plattenförmiges optisches Element 15 angeordnet ist. Das optische Element 15 weist eine ebene Oberfläche 16 auf und enthält ein Lasermedium L. Auch in dieser Ausführungsform kann das Lasermedium L jegliches gängiges Medium sein, wie beispielsweise Yb:YAG, Ti:Saphir (Ti³⁺:Al₂O₃) , Nd:YAG, Er:YAG, Cr:ZnSe, etc., welches optisch gepumpt zum Erzeugen oder Verstärken eines Laserstrahls geeignet ist.
Das Material der Fassung 12 ist auch hier vorzugsweise thermisch stabil ausgebildet und weist bevorzugt eine auf das verwendete optische Element 15 angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. So kann die Fassung 12 aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium, oder auch aus einem Kunststoff oder einem anderen Material hergestellt sein. Auch eine Beschichtung der Fassungen 12 kann vorgesehen sein.
Analog zur in 1 gezeigten Ausführungsform ist auch hier zumindest ein Kühlkanal 17 entlang zumindest einer der Stirnflächen 13 der Fassungen 12 quer zu der optischen Achse A zum Kühlen der Stirnfläche 13 mit einem Kühlmedium 18 vorgesehen.
Das Kühlmedium 18 sollte auch bei dieser Ausführungsform der Plattenverstärkers 10 keine bzw. nur sehr wenig Absorption in dem genutzten Spektralbereich aufweisen. Ferner sollte das Kühlmedium 18 bei Erwärmung keine oder nur eine sehr geringe thermische Linse erzeugen. Bevorzugt wird für das Kühlmedium 18 gasförmiges Helium, He, verwendet. Alternativ können auch andere Edelgase wie Ar, Ne, Xe, Kr, oder auch Gase wie N₂, H₂ O₂ usw. verwendet werden. Eine Flüssigkeit als Kühlmedium 18 ist ebenso vorstellbar.
Ferner ist in dem in 5 gezeigten Plattenverstärker 10 ein Rahmen R vorgesehen und gezeigt, welcher dazu ausgebildet ist, die Fassungen 12 seitlich zu halten. Dadurch können sich die in den Befestigungsrahmen R eingesetzten Fassungen 12 in seitlicher Richtung nicht bewegen oder verschieben. In dieser Ausführungsform ist der Rahmen R ferner dazu ausgebildet, die Fassungen 12 in dem vorbestimmten Abstand D zu halten.
In dieser Ausführungsform des Plattenverstärkers 10 ist eine Plattenhalterung 50 vorgesehen. Zu erkennen ist, dass die Plattenhalterung 50 dazu ausgebildet ist, das optische Element 15 an seiner ebenen Oberfläche 16 in der Aussparung 14 zu halten.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Plattenhalterung 50 jeweils als Teil des Rahmens R ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist die Plattenhalterung 50 jeweils als Teil der Fassungen 12 ausgebildet. Insbesondere in Ausführungsformen, in der der Rahmen R durch glatte Seitenwände gebildet wird, kann die Plattenhalterung 50 auch als separates Bauteil ausgebildet sein.
Die Dicke t_P der Fassung 12 und die Dicke t_L des optischen Elements 15 sollten dabei im Wesentlichen gleich bzw. nicht zu unterschiedlich sein, damit die Fassung 12 und das optische Element 15 von der Plattenhalterung 50 effizient gehalten werden kann.
Bevorzugt ist das optische Element 15 bündig in die Aussparung 14 der Fassung 12 eingesetzt, sodass die Plattenhalterung 50 und das optische Element 15 eine kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung bilden.
In 5 ebenso gezeigt ist ein Pumpstrahl P, welcher von einer Pumpstrahlzuführung in den optischen Plattenverstärker 10 eingeführt wird. Das Strahlprofil 19 kann hier kreisrund sein, aber es kann auch gemäß den vorher beschriebenen Ausführungsformen nach 1 bis 3 ein langgestrecktes Strahlprofil 19 sein, welches eine lange Achse a aufweist, welche quer zum Kühlkanal 17 angeordnet ist.
Das bisher in Bezug auf die Ausführungsformen der 1 bis 3 genannte kann ebenso in der in 5 gezeigte Ausführungsform des Plattenverstärkers 10 angewendet werden, und (abgesehen von der runden Strahlform) auch umgekehrt. Die bisher vorgestellten Ausführungsformen der optischen Plattenverstärker 10 sind somit untereinander kompatibel, sodass insbesondere auch ein langgestrecktes Strahlprofil 19 in der in 5 gezeigten Ausführungsform des optischen Plattenverstärkers 10 verwendet werden kann. Umgekehrt kann eine gemäß 5 gezeigte Plattenhalterung 50 ebenso in der in 1 gezeigten Ausführungsform des optischen Plattenverstärkers 10 verwendet werden.
6 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In 6 ist zu erkennen, dass sich die Plattenhalterung 50 bei dieser Ausführungsform entlang der gesamten Höhe H der Fassung 12 erstreckt. Ferner ist zwischen Plattenhalterung 50 und Kühlkanal 17 kein weiteres Bauteil angeordnet. Daher wird in dieser Ausführungsform der zumindest eine Kühlkanal 17 seitlich von der Plattenhalterung 50 begrenzt und bestimmt somit die Breite B des Kühlkanals 17. In weiteren Ausführungsformen wird der Kühlkanal 17 nur abschnittsweise von der Plattenhalterung 50 begrenzt. In dieser Ausführungsform ist die Breite B des Kühlkanals 17 kleiner als eine Breite (D_op) des optischen Elements 15. Ferner ist in dieser Ausführungsform die ebene Oberfläche 16 des optischen Elements 15 kreisförmig ausgebildet, weshalb hier die Breite D_op des optischen Elements 15 dem Durchmesser D_op des optischen Elements 15 entspricht.
Ferner in 6 zu erkennen ist ein von der Plattenhalterung 50 überdeckter Bereich 51 des optischen Elements 15. Durch diesen Bereich wird das optische Element 15 sicher gehalten und zumindest ein Teil mittels Wärmeleitung abgeführt, wie im Folgenden noch weiter erläutert wird. Außerdem weist die Fassung 12 durch diese Anordnung auch einen von der Plattenhalterung 50 überdeckten Bereich 52 auf. Dieser überdeckte Bereich 52 kann genutzt werden, um die Fassungen 12 sicher zu halten, sodass beispielsweise keine Vibrationen der Fassungen 12 im Betrieb entstehen.
7a-b zeigt schematische Schnittbilder eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In 7a ist eine Frontansicht einer Fassung 12 mit Plattenhalterung 50 der Ausführungsform des Plattenverstärkers 10 gezeigt, während in 7b ein in der Zeichenebene horizontaler Querschnitt entlang der Linie Q der Fassung 12 und der Plattenhalterung 50 gezeigt ist.
In der in 7 gezeigten Ausführungsform ist zu erkennen, dass das optische Element 15 ein absorbierendes Material 70 enthält, welches zumindest in einer Plattenebene an zwei gegenüberliegenden Seiten, in dieser Ausführungsform ganzumfänglich, um das Lasermedium L angeordnet ist. Das absorbierende Material 70 ist somit eine spezielle Form eines Absorbers 20, welcher in das Material des optischen Elements 15 eingebunden ist. Das absorbierende Material 70 ist somit chemisch mit dem optischen Element 15 und mit dem Lasermedium L verbunden. Beispiel für solch ein absorbierendes Material 70 ist Cr:YAG, welches in Yb:YAG verbunden oder eingebunden wird. So weisen das absorbierende Material 70 und das Lasermedium L einen im Wesentlichen gleichen Brechungsindex auf. Zusätzlich zu dem eher graduellen Übergang von Lasermedium L zu absorbierenden Material 70 werden so Reflexionen bei diesem Übergang vermieden.
Ferner ist in 7 zu erkennen, dass zwischen der Fassung 12 und dem in der Aussparung 14 der Fassung 12 angeordneten optischen Element 15 ein Zwischenraum 71 vorgesehen ist. Der Zwischenraum 71 erlaubt es dem optischen Element 15, sich in der Plattenebene zu bewegen bzw. im Betrieb, bei dem Wärme in dem Lasermedium L entsteht, sich auszudehnen. Somit verhindert dieser Zwischenraum 71 die Entstehung von inneren mechanischen Spannungen im optischen Element 15 bzw. in der Plattenhalterung 50, die ohne diesen Zwischenraum 71 entstehen würden.
Ferner ist zu erkennen, dass die Plattenhalterung 50 durch separate Bauteile gebildet ist, die an einem Rahmen R befestigt sind. Der Rahmen R verhindert, dass die Fassungen 12 sich in seitlicher Richtung quer zu den Kühlkanälen 17 und der optischen Achse A bewegen. In weiteren Ausführungsformen ist die Plattenhalterung 50 an den Fassungen 13 befestigt. Wie zuvor beschrieben, wird durch die Plattenhalterung 50 ein von der Plattenhalterung 50 überdeckter Bereich 51 des optischen Elements 15 gebildet.
8 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Diese Ausführungsform des Plattenverstärkers 10 ist analog zu der in 7 gezeigten Ausführungsform anzusehen. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass das optische Element 15 eine quadratische oder rechteckige Form aufweist. Das Pumpstrahlprofil 19 des Pumpstrahls P ist bei so einer Ausführungsform bevorzugt an die rechteckige Form des optischen Elements 15 angepasst. Der überdeckte Bereich 51 des optischen Elements 15 ist in diesem Fall ebenfalls rechteckig ausgebildet.
In den in 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen ist das Strahlprofil 19 des Pumpstrahls P lediglich beispielhaft kreisförmig bzw. quadratisch eingezeichnet. Analog zu den vorher besprochenen Ausführungsformen der 1 bis 3 kann selbstverständlich auch hier ein langgestrecktes Strahlprofil 19 mit seitlich langgestreckter Achse a verwendet werden.
9 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In 9 ist zu erkennen, dass die Plattenhalterung 50 ein elastisches Material 90 zum kraftschlüssigen Halten des optischen Elements 15 aufweist. Das elastische Material 90 enthält insbesondere ein Polymer. Der Kraftschluss wird hier mit der Klemmkraft K erzielt, welche, beispielsweise durch Anziehen einer Schraube oder einer Feder (nicht gezeigt), auf ein Klemmteil 50a der Plattenhalterung 50 zum Klemmen der optischen Elemente 15 zwischen den Klemmteilen 50a der Plattenhalterung 50 erzeugt werden kann. So können auch Spalte 91 in der Plattenhalterung zusammengedrückt werden. In weiteren Ausführungsformen ist das Polymer ein Klebstoff, mit dem lediglich eine stoffschlüssige oder eine Kombination aus stoffschlüssiger und kraftschlüssiger Verbindung zwischen optischem Element 15 und Plattenhalterung 50 erzeugt werden kann. In dieser Ausführungsform ist die Plattenhalterung 50 einteilig mit dem Rahmen R ausgebildet.
Ferner ist zu erkennen, dass das Klemmteil 50a der Plattenhalterung 50 nur einen Teil des absorbierenden Materials 70 des optischen Elements 15 überdeckt. Damit wird der Pumpstrahl P durch das Klemmteil optisch nicht beeinflusst. Diese Ausführungsform ist idealerweise nur bei einer geringeren Wärmefreisetzung in dem überdeckten Bereich 51 des absorbierenden Materials 70 anzuwenden, bei dem ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Lasermedium L und der Plattenhalterung 50 nicht unbedingt notwendig ist. Auch können in diesem Fall Materialien mit geringerer Wärmeleitung für die Plattenhalterung 50 verwendet werden (beispielsweise ein Kunststoff, aber auch Metalle wie Aluminium) . Eine zusätzliche Kühlung der Plattenhalterung 50 ist in solch einem Fall nicht notwendig.
10 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In 10 ist gezeigt, dass die Plattenhalterung 50 ein wärmeleitendes Material 100 zum kraftschlüssigen Halten des optischen Elements 15 aufweist. In dieser Ausführungsform ist das wärmeleitende Material 100 eine Wärmeleitfolie. Auch hier wird der Kraftschluss mit der Klemmkraft K erzielt, welche, beispielsweise durch Anziehen einer Schraube (nicht gezeigt) auf ein Klemmteil 50a der Plattenhalterung 50 zum Klemmen der optischen Elemente 15 zwischen den Klemmteilen 50a der Plattenhalterung 50 erzeugt werden kann. In weiteren Ausführungsformen ist das wärmeleitende Material 100 ein Klebstoff, mit dem lediglich eine stoffschlüssige oder eine Kombination aus stoffschlüssiger und kraftschlüssiger Verbindung zwischen optischem Element 15 und Plattenhalterung 50 erzeugt werden kann.
Auch in dieser Ausführungsform ist die Plattenhalterung 50 einteilig mit dem Rahmen R ausgebildet. Im Unterschied zur in 9 gezeigten Plattenhalterung 50 erstrecken sich die Klemmteile 50a der Plattenhalterung 50 nun über das absorbierende Material 70 des optischen Elements 15. Damit kann die Wärmeableitung verbessert werden, und bei richtiger Dimensionierung des Pumpstrahlprofils 19 auch der Einfluss auf den Pumpstrahl P verhindert werden. Durch den großen von der Plattenhalterung 50 überdeckten Bereich 51 des optischen Elements 15 und der damit verbesserten Wärmeabfuhr in die Plattenhalterung 50 braucht das im Kühlkanal 17 strömende Kühlmedium 18 weniger Wärme vom Lasermedium L aufzunehmen und abzuführen.
Ferner ist in 10 zu erkennen, dass eine Wärmesenke 101 vorgesehen ist, welche wärmeleitend mit dem absorbierenden Material 70 über die Plattenhalterung 50 verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die Wärmesenke 101 in Kontakt mit der Plattenhalterung 50 angeordnet. Die Plattenhalterung 50 ist aus einem geeigneten Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet. Auf diese Weise steht die Wärmesenke 101 in wärmeleitendem Kontakt mit dem absorbierenden Material 70, sodass die vom Lasermedium L oder von der absorbierten ASE erzeugte Wärme effizient abgeführt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen ist alternativ oder zusätzlich zur Wärmesenke 101 eine aktive Kühlung mit Kanälen in der Plattenhalterung 50 vorgesehen, welche innerhalb der Plattenhalterung 50 oder zwischen der Plattenhalterung 50 und dem optischen Element 15 zirkuliert.
11a-c zeigt schematische Schnittbilder eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
11a zeigt eine Frontansicht des optischen Plattenverstärkers 10, insbesondere einer Plattenhalterung 50 mit Halterungskühlung 110 und Fassungen 12. Die 11b zeigt eine Seitenansicht der Plattenhalterung 50 entlang der in der Zeichenebene vertikalen Schnittachse Q₁. Die 11c zeigt ein Schnittbild der Plattenhalterung 50 und der Fassung 12 entlang des hier quadratförmigen optischen Elements 15 entlang der horizontalen Schnittachse Q₂.
In der in 11 gezeigten Ausführungsform sind Absorber 20 vorgesehen, welche seitlich entlang dem zumindest einen Kühlkanal 17 an dem optischen Element 15 angeordnet sind. Außerdem ist eine Halterungskühlung 110 mit zumindest einem Halterungskühlkanal 111 vorgesehen, wobei der Halterungskühlkanal 111 wärmeleitend mit dem Absorber 20 verbunden ist, und dazu ausgebildet ist, ein Kühlmittel 112 aufzunehmen. In weiteren Ausführungsformen ist die Halterungskühlung 110 dazu ausgebildet, das Kühlmittel 112 zu transportieren und in einem Kühlkreislauf zirkulieren zu lassen. In 11c ist zu erkennen, dass die Halterungskühlkanäle 111 derart angeordnet sind, dass die Halterungskühlung 110 die Plattenhalterung 50 und das Lasermedium L im Bereich der Absorber 20 kühlt.
In dieser Ausführungsform sind die Absorber 20 das Kühlmittel 112, welches in den Halterungskühlkanälen 111 enthalten ist. Daher ist der Brechungsindex des Absorbers 20 bevorzugt an das optische Element 15 bzw. das Lasermedium L angepasst. In dieser Ausführungsform ist das Kühlmittel 112 eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein flüssiger Farbstoff.
An diesen Seitenflächen senkrecht zum Kühlmedienstrom können also wassergekühlte Absorber 20 einen Großteil der ASE aufnehmen und an das Kühlmittel 112 abführen. Die Wärmemenge, die über das durch die Kühlkanäle 17 strömende Kühlmedium 18 zwischen den Fassungen 12 abgeführt werden soll, wird dadurch reduziert.
In weiteren Ausführungsformen durchströmt das Kühlmittel 112 die Halterungskühlkanäle 111, und das optische Element 15 weist absorbierendes Material 70 analog 7 oder 8 auf. In diesem Fall kann für das Kühlmittel 112 beliebige Fühlflüssigkeiten, wie z.B. Wasser verwendet werden.
Die Plattenhalterung 50 weist außerdem Dichtungen 113 auf, um die Kühlkanäle 17 von den Halterungskühlkanälen 111 abzudichten. Diese Dichtungen 113 sind so ausgebildet, dass sie das durch die Kühlkanäle 17 strömende Kühlmedium 18, welches bevorzugt ein Gas ist aber auch eine Flüssigkeit sein kann, von dem in den Halterungskühlkanälen 111 enthaltende Kühlmittel 112 abdichten und dabei chemisch stabil ist. Dies kann beispielsweise mit einer Gummidichtung erreicht werden.
Das Kühlmittel 112, welches in dieser Ausführungsform eine Flüssigkeit ist, weist auch hier einen zum optischen Element 15 angepassten Brechungsindex auf, um Reflexionen von ASE beim Übergang vom optischen Element 15 zum Kühlmittel 112 zu verhindern. Also ist das Kühlmittel 112 in dieser Ausführungsform des Plattenverstärkers 10 eine an den Brechungsindex des optischen Elements 15 bzw. des Lasermediums L angepasste Kühlflüssigkeit.
Analog zu den vorangegangenen in 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen ist auch hier zwischen der Fassung 12 und dem in der Aussparung 14 der Fassung 12 angeordneten optischen Element 15 ein Zwischenraum 71 vorgesehen, damit beispielsweise durch Wärmeausdehnungen, keine inneren Spannungen im optischen Element 15 erzeugt werden. In dieser Ausführungsform ist die Plattenhalterung 50 als Teil eines Rahmens R zum Verhindern einer Verschiebung des optischen Elements 15 in seitlicher Richtung ausgebildet. In dieser Ausführungsform umfasst der Rahmen neben der Plattenhalterung 50 auch die Halterungskühlkanäle 111.
Außerdem weist in dieser Ausführungsform das Lasermedium L eine optische Kristallachse c auf, welche entlang der Kühlkanäle 17, d.h. in der Zeichenebene vertikal, ausgerichtet ist. Dies ist besonders günstig für den Fall eines hier verwendeten Ti:Saphir Kristalls als Lasermedium L. In Kombination mit einem langgestreckten Profil 19 quer zu den Kühlkanälen 17 kann mit einem so angeordneten Ti:Saphir Kristall besonders gut die ASE an die Seiten zu den Absorbern 20 abgeleitet werden. In weiteren Ausführungsformen ist die Kristallachse c quer zu den Kühlkanälen oder parallel zur optischen Achse A angeordnet.
Zwar ist auch in 11a ein kreisrundes Strahlprofil 19 des Pumpstrahls P eingezeichnet, doch es versteht sich, dass ebenso ein langgestrecktes Pumpprofil gemäß der 1 bis 3 verwendet werden kann.
12 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Fassung 12 mit optischem Element 15 eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In 12 ist eine Fassung 12 mit in die Aussparung 14 eingesetztem optischen Element 15 zu erkennen, bei welchen ein Absorber 20 seitlich am optischen Element 15 vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform ist der Absorber 20 als eine Schwärzung 120, beispielsweise durch eine schwarze Tinte, ausgebildet, welche an einer seitlichen Randfläche 14a der Aussparung 14 der Fassungen 12 angeordnet ist. Um eine Reflexion zu verhindern, kann zusätzlich noch eine Aufrauhung an den seitlichen Randflächen 15a des optischen Elements 15 oder den seitlichen Randflächen 14a der Aussparung 14 vorgesehen sein.
13 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Fassung 12 mit optischem Element 15 eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In 13 ist ebenfalls eine Fassung 12 mit in die Aussparung 14 eingesetztem optischen Element 15 zu erkennen, bei welchen ein Absorber 20 seitlich am optischen Element 15 vorgesehen ist. Auch hier ist der Absorber 20 als Schwärzung 120 ausgebildet, und an einer seitlichen Randfläche 15a des optischen Elements 15 angeordnet. Um eine Reflexion zu verhindern, kann hier ebenfalls zusätzlich noch eine Aufrauhung der seitlichen Randflächen 15a des optischen Elements 15 oder der seitlichen Randflächen 14a der Aussparung 14 vorgesehen sein.
14 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Fassung 12 mit optischem Element 15 eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Das in 14 gezeigte in die Aussparung 14 der Fassung 12 eingesetzte optische Element 15 weist an den seitlichen Randflächen 15a des optischen Elements 15 eine Schräge 121 auf. Der Winkel β von der ebenen Oberfläche 16 des optischen Elements 15 ist in etwa ein Brewsterwinkel, womit Reflexionen von zumindest in einer Richtung polarisiertem Licht, beispielsweise ASE, vermieden werden. Ferner sind die Randflächen V-förmig ausgebildet, das heißt, dass die Randfläche 15a von beiden Seiten abgeschrägt wurde. Durch die Schräge 121 bzw. V-Form der Randfläche 15a wird ein Lasern in der gezeigten Ebene, d.h. quer zur optischen Achse A und quer zur Strömungsrichtung F der Kühlkanäle 17 verhindert. Die V-Formmuss nicht symmetrisch sein, sondern kann im Extremfall als eine Keilform ausgebildet sein.
Ebenso ist in der in 14 gezeigten Ausführungsform eine Schwärzung 120 an der Randfläche der Aussparung 14 vorgesehen. Eine solche Schwärzung 120 kann alternativ oder zusätzlich auch an der Randfläche 15a des optischen Elements 15 ausgebildet sein. Ebenso kann auch hier eine Aufrauhung der seitlichen Randflächen 15a des optischen Elements 15 oder der seitlichen Randflächen 14a der Aussparung 14 vorgesehen sein, um die Reflexionen zu reduzieren bzw. zu vermindern. Ferner kann diese V-Form der Randflächen 14a, 15a auch mit anderen Ausführungsformen, beispielsweise der in 11 gezeigten Ausführungsform, kombiniert werden.
15 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die in 15 gezeigte Plattenanordnung 11 eines optischen Plattenverstärkers 10 weist statt zwei Fassungen 12 rein beispielhaft vier Fassungen 12 auf, welche an ihren Stirnflächen 13 aneinander gestapelt sind und jeweils einen vorbestimmten Abstand D voneinander aufweisen. Außerdem sind fünf Kühlkanäle 17 zum beidseitigen Kühlen der optischen Elemente 15 und Fassungen 12 an ihren Oberflächen 16 bzw. Stirnflächen 13 mit dem den Kühlkanälen 17 durchströmenden Kühlmedium 18 vorgesehen. Die Anzahl von vier Fassungen 12 und fünf Kühlkanälen 17 ist rein beispielhaft zu verstehen. In weiteren Ausführungsformen weist der Plattenverstärker 10 eine andere Anzahl, beispielsweise fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, oder mehr Fassungen 12 und eine entsprechend höhere Anzahl von Kühlkanälen 17 auf.
In 15 weisen die Fassungen 12 einen oberen Teil 12a auf, welcher zum leichteren Einlass des strömenden Kühlmediums 18 abgerundet ausgebildet ist. Die Fassungen 12 weisen jeweils einen plattenförmigen Mittelteil 12b auf, in welchem die Aussparung 14 und das optische Element 15 angeordnet ist, und in welchem idealerweise eine, insbesondere bei einer Flüssigkeit als Kühlmedium 18, laminare oder, bevorzugt bei gasförmigen Kühlmedien 18, turbulente Strömung des Kühlmediums 18 vorherrscht. Die Fassungen 12 weisen jeweils einen unteren Teil 12c auf, in welchem sich die Dicke t_P der Fassung 12 kontinuierlich und linear verjüngt. Diese Art von Fassungen 12 sind für bzw. in sämtlichen bisher beschriebenen Ausführungsformen des optischen Plattenverstärkers 10 anwendbar.
Ferner sind in 15 zwei Pumpstrahlen P1, P2 zu erkennen, welche über eine Pumpstrahlzuführung durch die optischen Elemente 15 geführt werden. Dabei ist zu erkennen, dass die Pumpstrahlen P1 und P2 nicht exakt auf der optischen Achse A verlaufen, sondern die die Ausbreitung der Pumpstrahlen P1 und P2 vorgebenden Pumpstrahlachsen p₁, p₂ gegenüber der optischen Achse A, beispielsweise hin zu den Kühlkanälen 17 um einen Winkel δ leicht abgewinkelt sind. In der Regel ist der Winkel δ nicht größer als 5°, was aber keine notwendige Bedingung ist. Die Pumpstrahlachsen p₁, p₂ kreuzen sich inmitten der Plattenanordnung 11 auf der optischen Achse A, vorzugsweise in einem Mittelpunkt M der Plattenanordnung 11.
Außerdem in 15 zu erkennen ist ein Laserstrahl LS, welcher über eine Laserstrahlzuführung zum Führen eines zu verstärkenden Laserstrahls LS durch die optischen Elemente 15 geführt wird. Der Laserstrahl LS weist dabei ein M²-Wert kleiner 15, vorzugsweise kleiner als 5, insbesondere zwischen 2 und 3 auf. Ferner ist zu erkennen, dass der Laserstrahl LS von der Laserstrahlzuführung im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung dem Pumpstrahl P geführt wird. Alternativ kann der Laserstrahl LS auch in gleicher Richtung wie der/die Pumpstrahlen P, P1, P2, d.h. parallel, durch die optischen Elemente 15 geführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Laserstrahlzuführung auch als ein optischer Resonator zur Erzeugung des Laserstrahls LS ausgebildet sein, bzw. diesen aufweisen, sodass der Laserstrahl durch mehrere Durchläufe durch den Plattenverstärker 10 verstärkt bzw. dort erst gebildet wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der Laserstrahl LS ein Seed-Laserstrahl emittiert von einem Seed-Laser sein, welcher extern durch die Laserstrahlzuführung in den Plattenverstärker 10 einkoppelbar ist. Solche Seed-Laser weisen in der Regel eine besonders hohe Stabilität und Strahlqualität, beispielsweise in Bezug auf das Strahlprofil, die Energiestabilität, die zeitliche Stabilität, die Pulsform oder das Wellenlängenspektrum auf, sodass sich damit ein qualitativ besonders hochwertiger verstärkter Laserstrahl LS erzeugen lässt. So kann der Seed-Laser beispielsweise ein frequenzstabilisierter, vorzugsweise Einmoden-, Laser oder eine DFB-Laserdiode sein.
16 zeigt ein schematisches Schnittbild eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Die in 16 gezeigte Plattenanordnung 11 eines optischen Plattenverstärkers 10 weist analog zu dem in 15 gezeigten Plattenverstärker 10 vier Fassungen 12 auf. Zusätzlich weist der in 16 gezeigte optische Plattenverstärker 10 einen trichterförmigen Kühlkanaleinlass 160 und Kühlkanalauslass 164 auf, durch welchen das Kühlmedium 18 eingelassen bzw. ausgelassen werden kann.
Diese sind in einem Gehäuse 163 integriert, welches ein transparentes Fenster 161 aufweist, durch welches der Pumpstrahl P und der zu verstärkende Laserstrahl LS sich ausbreiten können. Vorzugsweise weist das Fenster 161 doppelseitig eine Anti-Reflexions-Beschichtung zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Reflexionen dieser Strahlen auf. Die Fenster 161 werden jeweils von einer Fensterhalterung 162 gehalten.
17 zeigt eine schematische Abbildung eines Verfahrens zum Betrieb eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer Ausführungsform.
Das in 17 gezeigte Verfahren zum Betrieb ist insbesondere für die voran beschriebenen optischen Plattenverstärker 10 geeignet. Das Verfahren enthält den Schritt des Einströmens S1 eines Kühlmediums 18 in zumindest einen Kühlkanal 17 zum Kühlen zumindest einer Stirnfläche 13 zumindest zweier Fassungen 12, welche eine Plattenanordnung bilden, wobei die Fassungen 12 und entlang einer optischen Achse A gestapelt sind, sodass die Stirnflächen 13 voneinander einen vorbestimmten Abstand D aufweisen, wobei die Fassungen 12 eine Aussparung 14 aufweisen, in welcher ein flaches optisches Element 15 eingesetzt ist, wobei das optische Element 15 ein Lasermedium L enthält, wobei der zumindest eine Kühlkanal 17 quer zu der optischen Achse A ausgebildet ist.
Außerdem sieht das Verfahren ein Einstrahlen S2 eines Pumpstrahls P durch eine Pumpstrahlzuführung vor, wobei die Pumpstrahlzuführung derart ausgerichtet und angeordnet ist, den Pumpstrahl P entlang der optischen Achse A durch das optische Lasermedium L zu führen, wobei der Pumpstrahl P ein quer zu einer Strömungsrichtung F des Kühlmediums 18 in dem zumindest einen Kühlkanal 17 langgestrecktes Strahlprofil 19 aufweist.
18 zeigt eine schematische Abbildung eines Verfahrens zum Betrieb eines optischen Plattenverstärkers 10 gemäß einer Ausführungsform.
Das in 18 gezeigte Verfahren zum Betrieb ist insbesondere für die voran beschriebenen optischen Plattenverstärker 10 geeignet. Das Verfahren betrifft ein Einströmen S3 eines Kühlmediums 18 in zumindest einen Kühlkanal 17 zum Kühlen zumindest einer Stirnfläche 13 zumindest zweier Fassungen 12, welche eine Plattenanordnung 11 bilden. Die Fassungen 12 sind jeweils entlang einer optischen Achse A gestapelt, sodass die Stirnflächen 13 voneinander einen vorbestimmten Abstand D aufweisen. Die Fassungen 12 weisen eine Aussparung 14 auf, in welcher ein plattenförmiges optisches Element 15 eingesetzt ist. Das optische Element 15 weist eine ebene Oberfläche 16 auf und enthält ein Lasermedium L. Ferner ist der zumindest eine Kühlkanal 17 quer zu der optischen Achse A ausgebildet. Das optische Element 15 wird durch eine Plattenhalterung 50 an seiner ebenen Oberfläche 16 in der Aussparung 14 gehalten.
Das Verfahren enthält den weiteren Schritt eines Einstrahlens S4 eines Pumpstrahls P durch eine Pumpstrahlzuführung, wobei die Pumpstrahlzuführung derart ausgerichtet und angeordnet ist, den Pumpstrahl P entlang der optischen Achse A durch das Lasermedium L zu führen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Insbesondere sind die in den Figuren zum Teil dargestellten kreisrunden oder quadratischen Pumpprofile 19 rein beispielhaft und zur besseren Veranschaulichung so dargestellt, können aber in allen Fällen durch ein langgestrecktes, beispielsweise elliptisches oder rechteckiges, Pumpprofil 19 mit langer Achse a ersetzt werden, ohne dass die Funktionalität des optischen Plattenverstärkers 10 beeinträchtigt würde. Ferner kann jedes in den Figuren gezeigte Ausführungsform des Plattenverstärkers 10 einen Rahmen R zum Halten der Fassungen 12 aufweisen, beispielsweise wie er in Bezug auf die in 5, 7, 9, 10 oder 11 gezeigten Ausführungsformen und deren alternativen Ausbildungen beschrieben wurde.
Bezugszeichenliste

10: optischer Plattenverstärker
11: Plattenanordnung
12: Fassung
12a: oberer Teil der Fassung
12b: Mittelteil der Fassung
12c: unterer Teil der Fassung
13: Stirnfläche der Fassung
14: Aussparung der Fassung
14a: seitliche Randfläche der Aussparung
15: optische Element
15a: seitliche Randfläche des optischen Elements
16: Oberfläche des optischen Elements
17: Kühlkanal
18: Kühlmedium
19: Strahlprofil des Pumpstrahls, Pumpstrahlprofil
20: Absorber
40: Diagramm
41: Winkelachse
42: Intensitätsachse
43: Kurve für ein kreisförmiges Strahlprofil
44: Kurve für ein langgestrecktes Strahlprofil
50: Halterung
50a: Klemmteil der Halterung
51: überdeckter Bereich des optischen Elements
52: überdeckter Bereich der Fassung
70: absorbierendes Material
71: Zwischenraum
90: elastisches Material
91: Spalt
100: wärmeleitendes Material
101: Wärmesenke
110: Halterungskühlung
111: Halterungskühlkanal
112: Kühlmittel
113: Dichtung
120: Schwärzung
121: Schräge
160: Kühlkanaleinlass
161: Fenster
162: Fensterhalterung
163: Gehäuse
164: Kühlkanalauslass
a: lange Achse, Breite des Pumpprofils
b: kurze Achse, Höhe des Pumpprofils
c: Kristallachse
tL: Dicke des optischen Elements
tP: Dicke der Platte
p1, p2: Pumpstrahlachse
A: optische Achse
B: Breite des Kühlkanals
D: Abstand zwischen angrenzenden Fassungen
Dop: Durchmesser bzw. Breite des optischen Elements
F: Strömungsrichtung
H: Höhe der Platte
K: Klemmkraft
L: Lasermedium
M: Mittelpunkt der Plattenanordnung
P: Pumpstrahl
Q, Q1, Q2: Querschnitte
R: Rahmen
S1-S4: Verfahrensschritte
α0-360: Winkel
β: Winkel an der Randfläche des optischen Elements
δ: Winkel zwischen Pumpstrahlachse und optischer Achse

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

WO 2013093500 A2 [0003]

Claims

Optischer Plattenverstärker (10), mit einer Plattenanordnung (11) mit zumindest zwei Fassungen (12), wobei die Fassungen (12) jeweils Stirnflächen (13) aufweisen und entlang einer optischen Achse (A) gestapelt sind, sodass die Stirnflächen (13) voneinander einen vorbestimmten Abstand (D) aufweisen, wobei entlang zumindest einer Stirnfläche (13) der Fassungen (12) quer zur optischen Achse (A) zumindest ein Kühlkanal (17) zum Kühlen der Stirnfläche (13) mit einem den Kühlkanal (17) durchströmenden Kühlmedium (18) vorgesehen ist, wobei die Fassungen (12) eine Aussparung (14) aufweisen, in welcher ein plattenförmiges optisches Element (15) eingesetzt ist, wobei das optische Element (15) ein Lasermedium (L) enthält, mit einer Pumpstrahlzuführung, welche angeordnet und ausgerichtet ist, um einen Pumpstrahl (P) im Wesentlichen entlang der optischen Achse (A) durch das Lasermedium (L) zu führen, wobei der Pumpstrahl (P) ein quer zu einer Strömungsrichtung (F) des Kühlmediums (18) in dem zumindest einen Kühlkanal (17) langgestrecktes Strahlprofil (19) aufweist.
Optischer Plattenverstärker (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Absorber (20) vorgesehen sind, welche entlang dem zumindest einen Kühlkanal (17) seitlich an dem optischen Element (15) angeordnet sind.
Optischer Plattenverstärker (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorber (20) einen an das Lasermedium (L) angepassten Brechungsindex aufweisen.
Optischer Plattenverstärker (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorber (20) ein absorbierendes Material (70) aufweisen, welches chemisch mit dem Lasermedium (L) verbunden ist.
Optischer Plattenverstärker (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmesenke (101) vorgesehen ist, welche wärmeleitend mit dem Absorber (20) verbunden ist.
Optischer Plattenverstärker (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterungskühlung (110) mit zumindest einem Halterungskühlkanal (111) vorgesehen ist, wobei der Halterungskühlkanal (111) wärmeleitend mit dem Absorber (20) verbunden ist, und dazu ausgebildet ist, ein Kühlmittel (112) aufzunehmen.
Optischer Plattenverstärker (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (112) eine an den Brechungsindex des optischen Elements (15) angepasste Kühlflüssigkeit ist.
Optischer Plattenverstärker (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenanordnung (11) drei oder mehr Fassungen (12) aufweist, welche an ihren Stirnflächen (13) aneinander gestapelt sind und einen vorbestimmten Abstand (D) voneinander aufweisen, wobei eine Mehrzahl von Kühlkanälen (17) zum beidseitigen Kühlen der Fassungen (12) an ihren Stirnflächen (13) mit dem den Kühlkanälen (17) durchströmenden Kühlmedium (18) vorgesehen ist.
Optischer Plattenverstärker (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (P) ein im Wesentlichen elliptisches Strahlprofil (19) aufweist, wobei eine lange Achse (a) des elliptischen Strahlprofils (19) quer zu dem zumindest einen Kühlkanal (17) verläuft.
Optischer Plattenverstärker (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (P) ein im Wesentlichen rechteckiges Strahlprofil (19) aufweist, wobei eine lange Seite des rechteckigen Strahlprofils (19) quer zu dem zumindest einen Kühlkanal (17) verläuft.
Optischer Plattenverstärker (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserstrahlzuführung zum Führen eines zu verstärkenden Laserstrahls (LS) vorgesehen ist, wobei der Laserstrahl (LS) ein M²-Wert kleiner 15, insbesondere kleiner 5, aufweist.
Optischer Plattenverstärker (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) von der Laserstrahlzuführung im Wesentlichen in dem Pumpstrahl (P) entgegengesetzter Richtung geführt wird.
Optischer Plattenverstärker (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlzuführung einen optischen Resonator zur Erzeugung des Laserstrahls (LS) aufweist.
Optischer Plattenverstärker (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) ein Seed-Laserstrahl ist, welcher extern durch die Laserstrahlzuführung in den Plattenverstärker (10) einkoppelbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines optischen Plattenverstärkers (10), insbesondere eines optischen Plattenverstärkers (10) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, mit den Schritten: Einströmen eines Kühlmediums (18) in zumindest einen Kühlkanal (17) zum Kühlen zumindest einer Stirnfläche (13) zumindest zweier Fassungen (12), welche eine Plattenanordnung (11) bilden, wobei die Fassungen (12) jeweils entlang einer optischen Achse (A) gestapelt sind, sodass die Stirnflächen (13) voneinander einen vorbestimmten Abstand (D) aufweisen, wobei die Fassungen (12) eine Aussparung (14) aufweisen, in welcher ein plattenförmiges optisches Element (15) eingesetzt ist, wobei das optische Element (15) ein Lasermedium (L) enthält, wobei der zumindest eine Kühlkanal (17) quer zu der optischen Achse (A) ausgebildet ist, und Einstrahlen eines Pumpstrahls (P) durch eine Pumpstrahlzuführung, wobei die Pumpstrahlzuführung derart ausgerichtet und angeordnet ist, den Pumpstrahl (P) entlang der optischen Achse (A) durch das Lasermedium (L) zu führen, wobei der Pumpstrahl (P) ein quer zu einer Strömungsrichtung (F) des Kühlmediums (18) in dem zumindest einen Kühlkanal (17) langgestrecktes Strahlprofil (19) aufweist.