DE10241987B3 - Diode-pumped solid-state laser with mode diaphragms - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein diodengepumpter Festkörperlaser mit Güteschaltung und wenigstens einem intrakavitär angeordneten, über eine thermische Linsenwirkung verfügenden Laserkristall mit wenigstens einer optischen Achse, längs der ein von der Diodenlichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, dessen thermische Linsenwirkung in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Festkörperlasers wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Brechkräfte D¶low¶ und D¶high¶ einnimmt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass längs der wenigstens einen optischen Achse beidseitig zum Laserkristall jeweils wenigstens eine Modenblende vorgesehen ist, von denen eine erste Modenblende M¶1¶ eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft D¶high¶ im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur aufweist und von denen die zweite Modenblende M¶2¶ eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft D¶low¶ im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur aufweist.A diode-pumped solid-state laser with Q-switching and at least one intracavitary laser crystal having at least one optical lens effect and having at least one optical axis is described, along which a pump light beam emitted continuously or in a pulsed manner falls into the laser crystal, the thermal lens effect of which depends on the operating behavior of the solid-state laser takes at least two distinguishable powers D¶low¶ and D¶high¶. DOLLAR A The invention is characterized in that at least one mode aperture is provided along the at least one optical axis on both sides of the laser crystal, of which a first mode aperture M¶1¶ is a laser beam forming within the resonator at the refractive power D¶high¶ im Aperture limiting beam cross-section and of which the second mode aperture M¶2¶ has an aperture limiting the laser beam forming within the resonator at the refractive power D¶low¶ in the beam cross-section.
Description
Technisches Gebiettechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf einen diodengepumpten Festkörperlaser mit Güteschaltung und wenigstens einem intrakavitär angeordneten, über eine thermische Linsenwirkung verfügenden Laserkristall mit wenigstens einer optischen Achse, längs der ein von der Diodenlichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, dessen thermische Linsenwirkung in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Festkörperlasers wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Brechkräfte Dlow und Dhigh einnimmt.The invention relates to a diode-pumped solid-state laser with Q-switching and at least one intracavitary laser crystal having at least one optical lens and having at least one optical axis, along which a pump light beam emitted continuously or in a pulsed manner falls into the laser crystal, the thermal lens effect of which depends on the Operating behavior of the solid-state laser takes at least two distinguishable refractive powers D low and D high .
Stand der TechnikState of the art
Diodengepumpte Festkörperlaser stellen leistungsstarke, kompakte Lichtquellen dar, die durch die fortschreitende Entwicklung von Laserdioden als Pumplichtquellen beachtlich an Bedeutung gewonnen haben. So sind mittlerweile Laserdioden erhältlich, die über Pumplichtleistungen von 10 W und mehr und darüber hinaus über Emissionswellenlängenspektren verfügen, die im Bereich der optischen Absorptionsbanden für Festkörperlaser geeignete Laserkristalle liegen, wodurch eine höchst effiziente optische Anregung der Laserkristalle erzielbar ist.Diode-pumped solid-state lasers are powerful, compact light sources that are characterized by the progressive Development of laser diodes as pump light sources of considerable importance won. Laser diodes are now available, the above Pump light powers of 10 W and more and beyond via emission wavelength spectra feature, the laser crystals suitable for solid-state lasers in the field of optical absorption bands lie, making a supreme efficient optical excitation of the laser crystals can be achieved.
Diodengepumpte Festkörperlaser eignen sich grundsätzlich für eine Vielzahl unterschiedlicher technischer Anwendungsgebiete, bevorzugt werden sie in jenen Bereichen eingesetzt, in denen leistungsstarke, und eine kleine Bauform aufweisende Lasersysteme erwünscht sind. Bspw. werden derartige monochromatische Lichtquellen zur Materialbearbeitung, vorzugsweise zur Oberflächenmaterialbearbeitung, wie Materialabtrag, Materialveränderung oder Oberflächenveredelung eingesetzt.Diode-pumped solid-state lasers are basically suitable for one Many different technical fields of application, preferred they are used in areas where powerful, and small-sized laser systems are desired. For example. such monochromatic light sources are used for material processing, preferably for surface material processing, like material removal, material change or surface finishing used.
Üblicherweise wird zur gezielten Materialbearbeitung der Laser zwischen zwei Betriebszuständen betrieben, nämlich dem sog. Stand-By-Mode, während dem der Güteschalter geschlossen ist und der Laser kein Licht emittiert, sowie dem eigentlichen Arbeitsmode, bei dem Laserlicht bei geöffnetem Güteschalter emittiert wird. Der Güteschalter ist im Arbeitsmode auch pulsierend betreibbar. Für eine Vielzahl von Materialbearbeitungsfällen ist es erforderlich, dass der Laser einen Laserstrahl mit einer konstanten Leistung und Strahlqualität zur Verfügung stellt, und dies während des gesamten Dauer, in der sich der Laser im Arbeitsmode befindet. Insbesondere bei Beschriftungsanwendungen, bei denen durch gezielte lichtinduzierte Materialablation Bspw. eine Abfolge räumlich voneinander getrennter einzelner Buchstaben in eine Materialoberfläche eingearbeitet wird, ist es wichtig, dass auch der Anfangsbereich eines Buchstabens oder einer Linie bzw. die ersten Buchstaben oder Linien eines Schriftzuges über eine gleichbleibende Linienqualität verfügen. Mit Hilfe hochleistungsfähiger Scanner-Spiegelsysteme ist es möglich, einen Laserstrahl zu Beschriftungszwecken derart abzulenken, dass bis zu 500 Zeichen pro Sekunde in eine Materialoberfläche „eingeschrieben" werden können, das bedeutet, dass innerhalb von etwa 2 ms ein Zeichen fertiggestellt wird. Geht man davon aus, dass der Linienzug eines einzigen Buchstabens von Linienbeginn bis Linienende über eine gleichbleibende Linienqualität verfügen soll, so ist einzusehen, dass der hierfür erforderliche Laserstrahl über eine gleichbleibende Lichtleistung und Strahlqualität innerhalb einer Zeitdauer von 2 ms aufweisen sollte.Usually is operated for targeted material processing of the laser between two operating states, namely the so-called stand-by mode, while that of the Q-switch is closed and the laser does not emit light, as well as the actual one Working fashion in which laser light is emitted when the Q-switch is open. The Q-switch is also pulsable in work mode. For a variety of material processing cases it required that the laser beam a laser beam with a constant Power and beam quality to disposal poses, and this during the total time the laser is in working mode. In particular in labeling applications where targeted light-induced Material ablation e.g. a sequence of spatially separated ones individual letters are worked into a material surface it is important that the beginning of a letter or a line or the first letters or lines of a lettering over a consistent line quality feature. With the help of high performance Scanner mirror systems it is possible to deflect a laser beam for labeling purposes in such a way that up to 500 characters per second can be "inscribed" on a material surface, which means that a character is completed within about 2 ms. going one assumes that the line of a single letter of Line start to line end over should have a constant line quality, it can be seen that the for this required laser beam over a constant light output and beam quality within should have a duration of 2 ms.
Bedient man sich für diesen Einstazzweck bspw. einem kontinuierlich longitudinal gepumpten Festkörperlaser mit intrakavitärer optischer Güteschaltung, so ist das die Laserleistung und Strahlqualität des Laserstrahls im Wesentlichen bestimmende Element der Laserkristall, dessen thermisches Gleichgewicht entscheidend vom Betriebszustand des Laser abhängt.Use one for this Purpose, for example, a continuously longitudinally pumped solid-state laser with intracavitary optical quality control, so that is essentially the laser power and beam quality of the laser beam determining element of the laser crystal, its thermal equilibrium crucially depends on the operating state of the laser.
So wird bei geschlossenem Güteschalter, d. h. der Laser befindet sich im Stand-By-Mode, die gesamte durch die Pumplichtquelle eingebrachte Wärme über den Laserkristall selbst an die Umgebung abgegeben. Aufgrund der hierbei auftretenden starken Erwärmung des Laserkristalles bildet sich eine sog. starke positiv wirkende thermische Linse aus, durch die die Strahlqualität entscheidend beeinflusst wird. Ist hingegen der Güteschalter geöffnet, so wird ein erheblicher Anteil der innerhalb des Laserkristalls eingebrachten Wärme über die Laserstrahlung selbst abgeführt, wodurch sich der Laserkristall merklich abkühlt. Zwar bildet sich auch im Falle der Lichtemission, d.h. bei geöffnetem oder pulsierend betriebenen Güteschalter, eine positive thermische Linsenwirkung innerhalb des Laserkristalls aus, doch ist diese ungleich schwächer ausgeprägt als im vorstehend beschriebenen Stand-By-Mode.So when the Q-switch is closed, d. H. the laser is in stand-by mode, all through the pump light source heat introduced over the Laser crystal itself emitted to the environment. Because of this strong warming occurring The laser crystal forms a so-called strong positive effect thermal lens, through which the beam quality is decisively influenced becomes. However, is the quality switch open, so is a significant portion of that within the laser crystal introduced heat over the Dissipated laser radiation itself, whereby the laser crystal cools down noticeably. Although also forms in Case of light emission, i.e. with open or pulsed operated Q-switch, a positive thermal lens effect within the laser crystal out, but it is much weaker than in the previous one described stand-by mode.
Wird der Festkörperlaser vom Stand-By-Mode in den Laserbetrieb umgeschalten, d.h. der Güteschalter wird geschlossen, so wird das Innere des Laserkristalls plötzlich um die Ausgangsleistung des Lasers höchsteffizient gekühlt, was mitunter in den ersten 100 – 300 ms des Laserbetriebes zu einer sehr schwach ausgebildeten thermischen Linse und somit zu einer veränderten Strahlqualität führt. Erst nach einer entsprechenden Anschwingzeit geht der Laserkristall in ein thermisches Gleichgewicht über, bei dessen Erreichen der Laser erst über eines stabile Lichtleistung und Strahlqualität verfügt.If the solid-state laser from stand-by mode switched to laser mode, i.e. the quality switch is closed, so the inside of the laser crystal suddenly becomes the output power of the laser highly efficient cooled, sometimes in the first 100 - 300 ms of laser operation to a very poorly trained thermal Lens and thus to a changed beam quality leads. The laser crystal only moves after a suitable start-up time into a thermal equilibrium when the laser reaches it only over of stable light output and beam quality.
Stellt man die Zeitdauern gegenüber, mit denen einerseits schnelle Beschriftungssysteme in der Lage sind ein Zeichen zu schreiben sowie bei denen andererseits nach Schließen des Güteschalters ein thermisches Gleichgewicht innerhalb des Laserkristalls erreicht wird und somit der Laserstrahl über eine gleichbleibende Leistung und Strahlqualität verfügt, so ist leicht ersichtlich, dass Beschriftungsvorgänge mit den derzeit verfügbaren Lasersystemen mit nur unzureichender Strahlqualität durchgeführt werden, zumal die Herstellung eines Zeichens typischerweise innerhalb einer Zeitdauer erfolgt, die in etwa um eine Größenordnung kleiner ist als die für ein stabiles Anschwingverhalten erforderliche Zeitdauer von bis zu 300 ms.If you compare the time periods with which fast labeling systems are able to If a sign is to be written and, on the other hand, after closing the Q-switch, thermal equilibrium is reached within the laser crystal and the laser beam thus has a constant power and beam quality, it can easily be seen that labeling processes are carried out with the currently available laser systems with insufficient beam quality are, especially since the production of a character typically takes place within a period of time which is approximately an order of magnitude smaller than the period of up to 300 ms required for stable start-up behavior.
Die optischen Auswirkungen des Überganges eines diodengepumpten Festkörperlasers vom Stand-By-Mode zum Laserbetrieb treten in einen um so deutlicheren Maße in Erscheinung je größer der Unterschied in den optischen Brechkräften ist, die der Laserkristall in den beiden Betriebszuständen annimmt.The visual impact of the transition a diode-pumped solid-state laser from stand-by mode to laser operation occur in an even clearer Dimensions in Appearance the bigger the The difference in the optical refractive power is that of the laser crystal in the two operating states accepts.
Repräsentativ für longitudinal diodengepumpte
Festkörperlaser
sei auf die in den US-Schriften
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörperlaser mit Güteschaltung und einem intrakavitär angeordneten, über eine thermische Linsenwirkung verfügenden Laserkristall mit wenigstens einer optischen Achse, längs der ein von der Diodenlichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, dessen thermische Linsenwirkung in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Festkörperlasers wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Brechkräfte Dlow und Dhigh einnimmt, derart auszubilden, dass unabhängig vom Betriebsverhalten des Festkörperlasers eine weitgehend konstante Lichtleistung mit gleichbleibender Strahlqualität vom Festkörperlaser emittiert wird. Insbesondere soll ein gattungsgemäßer Festkörperlaser dahingehend optimiert werden, dass eine gleichbleibende Lichtleistung sowie Strahlqualität zu jedem Zeitpunkt des im Betrieb befindlichen Lasers abgerufen werden kann, d. h. insbesondere auch unmittelbar nach dem Übergang der Güteschaltung von einem geschlossenen zu einem geöffneten Zustand. In diesem Zusammenhang gilt es einen diodengepumpten Festkörperlaser für eine hochpräzise Materialbearbeitung anzugeben, mit dem bspw. Materialoberflächenbeschriftungen von höchster Güte und Qualität durchgeführt werden können. Ein derartiger Festkörperlaser soll vorzugsweise für Materialoberflächen-Mikrogravuren eingesetzt werden, deren Gravurbreite und -tiefe Dimensionen bis hinab in den Mikrometer- und Submikrometerbereich aufweisen.The invention is based on the object of a diode-pumped solid-state laser with Q-switching and an intracavitary laser crystal having at least one optical lens and having at least one optical axis, along which a pump light beam emitted continuously or in a pulsed manner falls into the laser crystal, the thermal lens effect of which depends of the operating behavior of the solid-state laser assumes at least two distinguishable refractive powers D low and D high , in such a way that, regardless of the operating behavior of the solid-state laser, a largely constant light output with constant beam quality is emitted by the solid-state laser. In particular, a solid-state laser of the generic type is to be optimized in such a way that a constant light output and beam quality can be called up at any time of the laser in operation, that is to say in particular also immediately after the Q-switch from a closed to an open state. In this context, it is necessary to specify a diode-pumped solid-state laser for high-precision material processing, with which, for example, material surface inscriptions of the highest quality and quality can be carried out. Such a solid-state laser should preferably be used for material surface micro-engravings whose engraving width and depth have dimensions down to the micrometer and sub-micron range.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution of the invention lying task is specified in claim 1. The idea of the invention Advantageously further developing features are the subject of the subclaims as well the description with reference to the embodiments.
Erfindungsgemäß ist ein gattungsgemäßer diodengepumpter Festkörperlaser gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass längs der wenigstens einen optischen Achse beidseitig zum Laserkristall jeweils wenigstens eine Modenblende M1, M2 vorgesehen ist, von denen die eine Modenblende M1 eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft Dhigh im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur aufweist. Zudem ist die zweite Modenblende M2 innerhalb des Resonators vorgesehen, die eine den Laserstrahl bei der Brechkraft Dlow im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur vorsieht. Auf diese Weise ist durch entsprechende Wahl und Anordnung der Modenblenden M1 und M2 dafür gesorgt, dass die Qualität des Laserstrahls unabhängig vom Betriebsverhalten des Festkörperlasers weitgehend konstant bleibt, so dass die Strahlleistung und Strahlqualität auf gleichbleibend hohem Niveau auch unmittelbar nach Öffnen den intrakavitär vorgesehenen Güteschalters abgerufen werden kann.According to the invention, a generic diode-pumped solid-state laser according to the features of the preamble of claim 1 is designed such that at least one mode diaphragm M 1 , M 2 is provided along the at least one optical axis on both sides of the laser crystal, of which one mode diaphragm M 1 is one within the Laser beam forming resonators at the refractive power D high in the beam cross-section limiting aperture. In addition, the second mode diaphragm M 2 is provided within the resonator, which provides an aperture limiting the laser beam at the refractive power D low in the beam cross section. In this way, the appropriate selection and arrangement of the mode diaphragms M 1 and M 2 ensures that the quality of the laser beam remains largely constant regardless of the operating behavior of the solid-state laser, so that the beam power and beam quality are maintained at a consistently high level even immediately after opening the intracavitary Q-switch can be accessed.
Die Aperturen der Modenblenden sowie ihre Anordnung innerhalb des Resonators sind derart zu wählen und aufeinander abzustimmen, dass die Strahlintensität des TEM00-Modes sowohl im Betriebsverhalten des Festkörperlasers mit schwach ausgebildeter thermischer Linse bzw. geringer Brechkraft Dlow, als auch bei stark ausgeprägter thermischer Linsenwirkung, d. h. eine Brechkraft Dhigh, weitgehend gleich ausgebildet ist. Hierbei weist die aus dem Resonator emittierte Laserstrahlung unter beiden Betriebsbedingungen vorzugsweise eine Strahlqualität M2 von kleiner 3, besonders vorzugsweise von kleiner 1,5, auf.The apertures of the mode diaphragms and their arrangement within the resonator are to be selected and matched to one another in such a way that the beam intensity of the TEM 00 mode is both in the operating behavior of the solid-state laser with a weakly designed thermal lens or low refractive power D low , and in the case of a strongly pronounced thermal lens effect , ie a refractive power D high , is largely the same. Here, the laser radiation emitted from the resonator preferably has a beam quality M 2 of less than 3, particularly preferably less than 1.5, under both operating conditions.
Zwar vermag der diodengepumpte Festkörperlaser im Betriebsfall bei Dlow aufgrund der geschlossenen Güteschaltung, die typischerweise als Q-Switch-Schaltung ausgebildet ist, kein Laserlicht zu emittieren, doch tritt die Betriebssituation mit Dlow sofort bei Anschwingen des Lasers nach Öffnen des Q-Switch-Schalters auf. In diesem Fall, des sich nicht im thermischen Gleichgewicht befindlichen Festkörperlasers während der Anschwingperiode, gilt es mit der erfindungsgemäßen Maßnahme abzufangen und dafür zu sorgen, dass die Strahlqualität unmittelbar nach Öffnen des Güteschalters nahezu identisch ist mit jener, die sich nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes, also nach Erreichen der thermisch schwächeren Linsenwirkung Dlow einstellt.Although the diode-pumped solid-state laser is unable to emit laser light during operation at D low due to the closed Q-switch, which is typically designed as a Q-switch circuit, the operating situation with D low occurs immediately when the laser starts up after opening the Q-Switch switch on. In this case, of the solid-state laser that is not in thermal equilibrium during the start-up period, it is necessary to intercept with the measure according to the invention and to ensure that the beam quality immediately after opening the Q-switch is almost identical to that which occurs after thermal equilibrium has been reached, thus sets D low after reaching the thermally weaker lens effect.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der diodengepumpte Festkörperlaser einen asymmetrisch aufgebauten Resonator auf, d. h. der Resonator verfügt über zwei Resonatorspiegel mit unterschiedlichen Krümmungsradien, die entweder einen konvex-planen, konvex-konkaven oder konvex-konvexen Resonatoraufbau entsprechen.In a preferred embodiment has the diode-pumped solid-state laser an asymmetrically constructed resonator, i. H. the resonator has two Resonator mirrors with different radii of curvature, either a convex-plan, convex-concave or convex-convex resonator structure correspond.
Asymmetrische optische Resonatoren
mit intrakavitärer
thermischer Linsenwirkung in Form eines diodengepumpten Laserkristalles
können
in ansich bekannter Weise in ihrem Stabilitätsverhalten durch das in
Zur erleichterten Beschreibung des
optischen Brechkraftverhaltens eines optisch gepumpten Laserkristalls
bedient man sich üblicherweise
der Vorstellung über
eine optische Linse, die über
eine von der Temperatur abhängige
Brechkraft D sowie über
wenigstens eine Hauptebene verfügt.
Zusammen mit den geometrischen Resonatorgrößen R1,
R2 sowie L, lassen sich die Stabilitätskriterien
eines derartigen Resonators mit einer intrakavitären thermischen Linse – in diesem
Zusammenhang ist auch die Verwendung des Begriffes „aktiver
Resonator" gebräuchlich
-, unter Verwendung der sog. G-Faktoren wie folgt formulieren:
0<G1⋅G2<1
mit
G1 = 1 – L*/R1 – D⋅d2
G2 = 1 – L*/R2 – D⋅d1
und L* = d1 +
d2 – D⋅d1⋅d2 To facilitate the description of the optical refractive power behavior of an optically pumped laser crystal, one usually uses the notion of an optical lens which has a refractive power D which is dependent on the temperature and at least one main plane. Together with the geometric resonator sizes R 1 , R 2 and L, the stability criteria of such a resonator with an intracavitary thermal lens - in this context the use of the term "active resonator" is also common - using the so-called G factors formulate as follows:
0 <G 1 ⋅G 2 <1
with G 1 = 1 - L * / R 1 - D⋅d 2
G 2 = 1 - L * / R 2 - D⋅d 1
and L * = d 1 + d 2 - D⋅d 1 ⋅d 2
Bei den vorstehenden Formalismen ist berücksichtigt, dass der Laserkristall über zwei Hauptebenen verfügt, wobei d1, d2 den Abständen der Resonatorspiegel von den jeweiligen Hauptebenen der thermischen Linse bzw. des Laserkristalls entsprechen. An dieser Stelle sei auf das Buch von W. Koechner hingewiesen, "Solid-State Laser Engineering", Springer 1999, 5th Edition.The above formalisms take into account the fact that the laser crystal has two main planes, d 1 , d 2 corresponding to the distances of the resonator mirrors from the respective main planes of the thermal lens or the laser crystal. It should be pointed to the book by W. Koechner, "Solid-State Laser Engineering", Springer 1999, 5 th Edition.
Ein derartig aufgebauter, asymmetrischer
Resonator weist zwei von der Brechkraft des Laserkristalls abhängige stabile
Schwingungsbereiche auf, von denen der erste stabile Schwingungsbereich
durch die kritischen Brechkräfte
DI und DII sowie
der zweite Schwingungsbereich durch die Brechkräfte DIII und
DIV begrenzt sind. Siehe hierzu das Stabilitätsdiagramm
in
Hierbei entspricht der erste Stabilitätsbereich, bei DI und DII jenem Betriebsverhalten des eingangs beschriebenen diodengepumpten Festkörperlasers, bei dem die optische Brechkraft schwach ausgebildet ist, also dem Zustand mit Dlow. Der zweite Stabilitätsbereich, zwischen DIII und DIV hingegen entspricht dem Betriebsverhalten mit starker thermischer Brechkraft, d. h. Dhigh. Wird nun, wie anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles nachstehend im Einzelnen erläutert wird, lediglich eine Modenblende mit einer den Laserstrahlquerschnitt begrenzenden Apertur intrakavitär eingebracht, so zeigt sich bei entsprechender Anordnung der Blende innerhalb des Resonators im besten Falle eine Strahlqualitätsverbesserung in Bezug auf die Ausbildung des TEM00-Modes jedoch lediglich in einem einzigen Stabilitätsbereich. Wird der Festkörperlaser hingegen in dem nicht von der Blende erfassten Stabilitätsbereich betrieben, so zeigt sich hier die Ausbildung einer dramatischen Strahlqualitätsverschlechterung. Werden hingegen erfindungsgemäß zwei Modenblenden innerhalb des Resonators vorgesehen, die jeweils zu einer Strahlquerschnittsbegrenzung des sich innerhalb der jeweiligen Stabilitätsbereiche ausbildenden Laserstrahls führen, so können bei geeigneter Wahl der Modenblenden sowie deren Positionierung innerhalb des Resonators Strahlqualitäten M2 von kleiner 3, vorzugsweise kleiner 1,5 erreicht werden.In this case, the first stability range, in the case of D I and D II, corresponds to the operating behavior of the diode-pumped solid-state laser described at the outset, in which the optical refractive power is weak, ie the state with D low . The second stability range, between D III and D IV, however, corresponds to the operating behavior with strong thermal refractive power, ie D high . If, as will be explained in detail below with the aid of a specific exemplary embodiment, if only one mode diaphragm with an aperture limiting the laser beam cross section is introduced intracavitarily, then with an appropriate arrangement of the diaphragm within the resonator, a beam quality improvement can be seen in the best case with regard to the formation of the TEM 00 Modes, however, only in a single stability range. If, on the other hand, the solid-state laser is operated in the stability range not covered by the diaphragm, this shows the formation of a dramatic deterioration in the beam quality. On the other hand, if two mode diaphragms are provided according to the invention within the resonator, each of which leads to a limitation of the beam cross section of the laser beam that forms within the respective stability ranges, then with a suitable choice of the mode diaphragms and their positioning within the resonator, beam qualities M 2 of less than 3, preferably less than 1.5, can be achieved can be achieved.
An einem konkreten Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Einflussnahme auf die Strahlqualität eines diodengepumpten asymmetrisch aufgebauten Festkörperlasers erläutert werden.Using a specific embodiment should influence the invention on the beam quality of a diode-pumped asymmetric solid-state laser explained become.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter without restriction the general inventive concept based on exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawing. It demonstrate:
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to Execute the Invention, industrial applicability
In
In besonders bevorzugter Weise eignet sich als Laserkristall Nd:YVO4. Jedoch sind auch Laserkristalle in gleicher oder ähnlicher Weise einsetzbar, die aus folgend dotierten Kristallen bestehen: Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:GVO4, Nd:YPO4, Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er:YLF oder Er:GSGG.In a particularly preferred manner, Nd: YVO 4 is suitable as the laser crystal. However, laser crystals that consist of the following doped crystals can also be used in the same or a similar way: Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: GVO 4 , Nd: YPO 4 , Nd: BEL, Nd: YALO, Nd: LSB, Yb: YAG, Yb: FAB, Cr: LiSAF, Cr: LiCAF, Cr: LiSGAF, Cr: YAG, Tm-Ho: YAG, Tm-Ho: YLF, Er: YAG, Er: YLF or Er: GSGG.
Betreibt man den in
In dem in
In umgekehrter Weise stellt sich die Situation dar, bei ausschließlichem Einbringen der Modenblende M2 in den Resonator. Hierbei ergibt sich für die Strahlqualität im emittierten Laserstrahl ein Funktionsverlauf gemäß der Kurve c. In diesem Fall stellt sich zwar eine akzeptable Strahlqualität M2 von kleiner 3 für Brechkraftwerte D > 5 ein. Dennoch reduziert sich die Strahlqualität M2 für Brechkraftwerte > 5 deutlich.The situation is reversed when the mode diaphragm M 2 is only inserted into the resonator. This results in a function curve according to curve c for the beam quality in the emitted laser beam. In this case, an acceptable beam quality M 2 of less than 3 is set for refractive power values D> 5. Nevertheless, the beam quality M 2 is significantly reduced for refractive power values> 5.
Sieht man hingegen erfindungsgemäß zwei Modenblenden
M1 und M2 derart
innerhalb des Resonators vor, so dass beide Modenblenden den Strahlquerschnitt
des Laserstrahls innerhalb des Resonators begrenzen – im Falle
des Resonatoraufbaus gemäß
Diese Eigenschaft der von der Brechkraft
abhängigen
Strahlqualität
gemäß dem Funktionsverlauf
d in
So vermag die Modenblende M2 im obigen Ausführungsbeispiel die Strahlqualität M2 für geringe Brechkräfte Dlow effektiv zu reduzieren, wohingegen die Modenblende M1 die Strahlqualität M2 für höhere Brechkräfte Dhigh deutlich unter 3 reduziert.In the above exemplary embodiment, the mode diaphragm M 2 can effectively reduce the beam quality M 2 for low refractive powers D low , whereas the mode diaphragm M 1 significantly reduces the beam quality M 2 for higher refractive powers D high to below 3.
Ferner kommt der Modenblende M2 eine zusätzliche Funktion in Bezug auf
die Erhöhung
der Richtungsstabilität
des aus dem Festkörperlaser
austretenden Laserstrahls zu. Hierzu ist die Modenblende M2 möglichst
nahe dem Resonatorauskoppelspiegel
- 11
- Pumplichtquelle, LaserdiodePump light source, laser diode
- 22
- Laserkristalllaser crystal
- 3, 43, 4
- Resonatorspiegelresonator
- M1, M2 M 1 , M 2
- Modenblendemode aperture
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