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Im Gegensatz zu Lasern, bei denen
der Kristallstab von der Stirnseite her gepumpt wird, ist es bei seitlich
gepumpten Lasern wesentlich schwieriger, eine optimale Überlappung
zwischen Pumplicht und Lasermode zu erreichen. Bei herkömmlichen
Systemen wird das aus einer oder mehreren Pumplichtquellen, z.B.
Diodenarrays kommende Pumplicht entweder direkt von der Seite in
einen zylindrischen Kristall eingestrahlt oder mit Linsen in den
Achsenbereich des Kristalls fokussiert. Die sog. "slow axis" der Diodenarrays
verläuft
bei diesen Anordnungen meist parallel zur Kristallachse. Da die
Intensität
des Pumplichts nach Eintritt in den Kristall infolge der Absorption
exponentiell abnimmt und deshalb ein beträchtlicher Teil der Pumpleistung
in unmittelbarer Nähe
der Eintrittstelle absorbiert wird, der Lasermode sich jedoch bei
den meisten Anordnungen entlang der Kristallachse ausbildet und
somit der Abstand zwischen Eintrittsstelle und Lasermode bei den
derzeit realisierbaren Kristalldurchmessern mindestens von der Größenordnung
1 mm ist, ist die Überlappung
schwach und somit die Effizienz des Lasers gering. Zudem besteht
wegen der unsymmetrischen Verteilung der absorbierten Pumpleistung
das Problem, dass transversale Moden höherer Ordnung angeregt werden,
wodurch sich die Strahlqualität
verschlechtert.
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Da jedoch seitlich gepumpte Systeme
in Hinblick auf die derzeit interessantesten Pumplichtquellen, nämlich Laserdiodenarrays
mit lang gestreckten, sehr schmalen emittierenden Flächen, den
endgepumpten Lasern im Prinzip überlegen
sind, weil eine kostspielige Umformung des Pumpstrahls entfällt, ist es
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier eine wesentliche Verbesserung
zu schaffen, d.h. einen Laser mit hoher Strahlqualität, der die
eingestrahlte Pumpleistung effizient nutzt. Dies ist mit Hilfe einer Anordnung
gemäß Anspruch
1 der vorliegenden Erfindung in überraschend
einfacher Weise möglich. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung wird ein aus
einer Lichtquelle z.B. einem Laserdiodenarray kommender Pumpstrahl
annähernd
senkrecht zur Laserstrahlachse, aber vorzugsweise etwas geneigt
zum Lot auf die Oberfläche
eines Lasermaterial in letzteres eingestrahlt. Um eine effiziente
Nutzung der Pumpleistung sicher zu stellen, wird der Pumpstrahl
durch optische Elemente wie z.B. Linsen oder Spiegel auf das Lasermaterial
fokussiert oder ein Abbild der emittierenden Pumplichtfläche erzeugt,
dessen Breite so eingestellt ist, dass eine gute Überlappung
zwischen gepumptem Bereich und Laserstrahl zustande kommt. Da die
der Pumplichtquelle abgewandte Seite des Lasermaterials vorzugsweise
reflektierend beschichtet ist, wird der Pumplichtstrahl an der der Pumplichtquelle
abgewandten Seite des Lasermaterials reflektiert und durchdringt
dieses noch einmal, wodurch ein größerer Anteil der Pumpleistung
absorbiert wird. Alternativ oder zusätzlich zur Beschichtung des
Lasermaterials kann hinter der abgewandten Seite des Lasermaterials
auch ein Reflektor, z.B. ein Spiegel, vorgesehen sein, durch den
der Pumpstrahl in das Material zurück reflektiert wird. Die Effizienz
lässt sich
weiter beträchtlich
erhöhen,
wenn der Pumpstrahl nach dem Austritt aus dem Lasermaterial noch
einmal durch einen Reflektor, z.B. einen Spiegel, in das Material
zurückgelenkt
bzw. abgebildet wird und dann abermals an der Rückwand des Lasermatertals reflektiert
wird. Größe und Position
dieses zweiten Abbildes werden wiederum vorzugsweise so gewählt, dass
eine gute Überlappung
mit dem Laserstrahl zustande kommt. Das zweite Abbild liegt deshalb
zweckmäßigerweise
unmittelbar neben dem ersten oder fällt mit diesem zusammen. Der Pumplichtstrahl
wird auf diese Weise viermal durch denselben gepumpten Bereich des
Lasermaterials geführt,
was eine sehr effiziente Nutzung der Pumpleistung mit sich bringt.
Eine alternative Ausführungsform
besteht darin, dass das zweite Abbild des Pumpstahls in gewissem
Abstand neben dem ersten liegt, und dass der Pumpstrahl, nachdem
er einen zweiten Bereich des Lasermaterials durchstrahlt hat, durch
Umlenkspiegel wieder in der ersten Bereich zurückgelenkt wird. In diesem Fall
ist es zweckmäßig, dass
ein zweiter Pumpstrahl die beiden Bereiche in anderer Reihenfolge
durchstrahlt. Bei sehr schwach absorbierenden Materialien kann es
zweckmäßig sein,
den Pumpstrahl in ähnlicher
Weise durch mehr als zwei Bereiche lenken und auch den Laserstrahl mit
Hilfe von Umlenkspiegeln durch all diese Bereiche zu leiten.
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Wenn im Patent Richtungsangaben wie senkrecht
oder parallel mit "in etwa" oder "im wesentlichen" relativiert werden,
so bedeutet dies, dass die Hauptrichtung in der bezeichneten Richtung
liegt, Abweichungen jedoch von z.B. 20 Grad durchaus möglich sind.
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Die Pumplichtquelle ist bevorzugt
länglich, d.h.
dass eine Ausdehnung deutlich größer als
die andere ist, oder besteht aus einer Aneinandeneihung von kleinen
Punktlichtquellen entlang einer Vorzugsrichtung. Annähernd parallel
zu letzterer erstreckt sich auch der gepumpte Bereich entlang einer
Vorzugsrichtung. Der Laserstrahl, der auch gefaltet sein kann, durchstrahlt
die gepumpten Bereiche vorzugsweise wiederum entlang dieser Vorzugsrichtung
und erstreckt sich somit im wesentlichen zwischen den der Pumplichtquelle
zu- und abgewandten Oberflächen
des Lasermaterials und daher auch annähernd parallel zur Pumplichtquelle.
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Das Lasermaterial der Erfindung kann
beliebige, einem gewünschten
Zweck angepasste Geometrien haben, z.B. stab- oder plattenförmig. Im
einfachsten Fall ist das Material plattenförmig, es wird jedoch vorgeschlagen
zur Erzielung höherer
Laserleistungen Stäbe
mit quadratischen oder sechseckigen Querschnitten etc. einzusetzen.
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Die Kühlung des Lasermaterials kann
sowohl mit Hilfe einer strömenden
Flüssigkeit
als auch mit Hilfe eines Festkörpermaterials
hoher Wärmeleitfähigkeit
erfolgen. Im Falle eines strömenden
Mediums wird vorgeschlagen, dieses über die der Pumplichtquelle
zu- und abgewandten Oberflächen des
Lasermaterials strömen
zu lassen und Temperaturen und/bzw.
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Querschnitte der Strömungskanäle so zu
bemessen, dass eine möglichst
symmetrische Temperaturverteilung und somit auch eine möglichst
symmetrische thermische Linse im Lasermaterial entsteht, durch welche
der Laserstrahl geführt
wird.
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Durch Verwendung von Polarisationselementen
und polarisationsabhängigen
Strahlenteilungselementen kann eneicht werden, dass der Pumplichtstrahl
nach dem vierten Durchlaufen des Lasermaterials nicht zurück in Richtung
der Pumplichtquelle reflektiert wird, sondern auf einen weiteren
Reflektor trifft, durch welchen der Strahl nochmals zurück in das
Lasermaterial gelenkt wird. Ermöglicht
wird dies, in dem der Strahl auf seinem Wege in seiner Polarisationsrichtung
gedreht wird, z.B. durch Lambda-Viertel-Plättchen. Vor der Pumplichtquelle
ist dann ein Polarisationsstrahlenteiler vorgesehen, durch den eneicht
wird, dass der vom Lasennaterial zurückkommende in der Polarisationsebene
gedrehte Pumpstrahl einen anderen Weg als der ursprüngliche
nimmt, d.h. nicht mehr zur Pumplichtquelle zurückkehrt, sondern auf einen
Reflektor gelenkt wird, durch den er wiederum in den gepumpten Bereich
des Lasermaterials gelenkt wird. Hierdurch wird ermöglicht,
dass der Pumpstrahl den gepumpten Bereich letztlich achtmal durchstrahlt, wie
anhand von 2 genauer
ausgeführt
wird.
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Anstatt für einen Laser kann die Endung auch
sehr vorteilhaft für
einen Laserverstärker
eingesetzt werden. In diesem Fall wird vorgeschlagen, die Seitenflächen des
Lasermaterials für
mögliche
Laserwellenlängen
antireflektiv zu beschichten, um zu vermeiden, dass sich parasitäre transversale
Moden aufbauen, durch welche dem gepumpten Bereich in schädlicher Weise
Strahlungsleistung entzogen wird. Letzteres kann alternativ auch
dadurch verhindert werden, dass gegenüberliegende Oberflächen des Lasermaterials
leicht zu einander geneigt sind und/oder Seitenflächen aufgeraut
sind.
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Technische Elemente des Lasers, wie
z.B. Pumplichtquellen, Laserstrahlen und optische Elemente können in
Ein- oder Mehrzahl vorhanden sein. Im Falle der Verwendung zweier
linearer Pumplichtquellen sind diese hintereinander und/oder um
einen Winkel vorzugsweise um 90 Grad versetzt angeordnet.
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Der Laserstrahl verläuft im Lasermaterial, kann
jedoch an den in Vorzugsrichtung der gepumpten Bereiche liegenden
Endflächen
aus diesem austreten.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung
quer zur Längsausdehnung
des Laserstabes 1, der als Platte ausgebildet ist, auf
welche von oben ein Laserdiodenarray 5 abgebildet wird,
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2 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung
quer zur Längsausdehnung
des Laserstabes, der als Platte ausgebildet ist, auf welche von
oben ein Laserdiodenanay 5 abgebildet wird, wobei mit Hilfe
eines Lambda-Viertel-Plättchens 11 und
eines Polarisationsstrahlteilers der einfallende und der rückreflektierte
Pumpstrahl so getrennt werden, dass der Pumpstrahl mit Hilfe von
Spiegeln achtmal durch die Patte gelenkt wird,
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3 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung
quer zur Längsausdehnung
des Laserstabes 1, der als Platte ausgebildet ist, auf
welche von oben zwei Laserdioden 5 abgebildet werden,
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4 eine
zu 3 alternative Anordnung, bei
welcher Laserdioden 5 und Fokussierungslinsen 13 einerseits
und Reflexionsspiegel 7 andererseits alternierend bzgl.
des Lotes auf die Laserplatte 1 angeordnet sind,
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5 einen
Schnitt durch eine endungsgemäße Anordnung
quer zur Längsausdehnung
des Laserstabes 1, der als Platte ausgebildet ist, bei
welcher unterschiedlich zu 1 die
Flüssigkeitskühlung durch
Wärmesenken
aus Festkörpermaterial
ersetzt ist,
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6 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung,
bei welcher die Laserplatte zusätzlich
von links mit Hilfe einer Laserdiode 5 gepumpt wird,
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7 einen
Schnitt durch einen endungsgemäßen Lasenesonator
mit einem Laserstab 1, der von oben mit einer Pumpdiode 5 gepumpt
wird,
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8 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Lasenesonator mit einem
Laserstab 1, der von oben mit zwei Pumpdioden 5 gepumpt
wird, die in Richtung der "slow axis" hintereinander angeordnet
sind, und
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9 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Lasenesonator, bei dem
die Laserstäbe 1 zickzackförmig angeordnet
sind.
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10 einen
Schnitt durch eine endungsgemäßen Anordnung,
bei dem der Pumpstrahl, nachdem er die Laserplatte nach oben verlassen
hat, in einen zweiten Bereich der Platte, der nicht mit dem ersten
zusammenfällt,
abgebildet wird, aus diesem zurückreflektiert
wird, und durch Spiegel wieder in den ersten gelenkt wird.
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11 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäßen Lasenesonator
quer zu den Pumpstrahlen, bei welchem der Laserstrahl durch Umlenkspiegel durch
die beiden in 10 dargestellten
gepumpten Bereiche gelenkt wird.
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In den Figuren sind identische oder
funktionsgleiche Teile mit den identischen Bezugszeichen versehen
Bei der Ausführung
nach 1 ist unterschiedlich
zu herkömmlichen
Anordnungen eine dünne
Platte 1 aus laseraktivem Material zwischen zwei Platten 2 und 3 aus
Glas oder einem anderen Material, das für die Pumpstrahlung transparent
ist, angeordnet. Die Zwischenräume zwischen
Laserplatte und Glasplatten werden von einem flüssigen Kühlmedium 4, das ebenfalls
für die
Pumpstrahlung transparent ist, durchströmt. Die Unterseite der Laserplatte 1 ist
für die
Pumpstrahlung hochreflektierend, während die Oberseite antireflektierend
beschichtet ist. Der aus einem Diodenanay 5 kommende Pumpstrahl wird
mit Hilfe einer Zylinderlinse 6, deren Wölbung in Richtung
der sog. "fast axis" des Diodenarrays verläuft, durch die obere Glasplatte
und das Kühlmedium
hindurch auf die Unterseite der Laserplatte in einen relativ schmalen
Streifen abgebildet, dessen Breite in Abhängigkeit von anderen Parametern
unten noch genauer spezifiziert wird. Der Einfallswinkel, den die
Achse des Pumpstrahls mit der Normalen auf die Platte bildet, ist
vorzugsweise etwa von der Größenordnung
des halben Öffnungswinkels
des Strahls, kann jedoch auch größer oder
kleiner sein. Der an der Unterseite der Laserplatte reflektierte
sich wieder öffnende
Strahl trifft auf einen zylindrisch gewölbten Hohlspiegel 7,
durch den er wieder auf die Unterseite der Platte abgebildet wird,
wobei der Krümmungsradius
des Spiegels so gewählt
ist, dass das zweite Abbild des Strahls etwa von der Größenordung
des ersten ist und sich mit diesem überlappt. Der Strahl wird dann
nochmals an der Unterseite der Laserplatte in Richtung der Zylinderlinse 5 reflektiert.
Da der Pumpstrahl auf diese Weise die Laserplatte viermal durchquert,
ist gewährleistet,
dass ein erheblicher Anteil der Pumpstrahlung in der Platte absorbiert
wird, wodurch in dem von dem Pumpstrahl durchstrahlten Bereich der
Laserplatte eine Besetzungsinversion aufbaut wird. Der Laserstrahl 8 verläuft annähernd durch
die Mitte des gepumpten Bereichs senkrecht zur Bildebene.
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Um die Effizienz der im vorangehenden
Abschnitt angegebenen Pumpanordnung noch zu steigern, wird vorgeschlagen,
die Strahlung der Laserdiode zu polarisieren. Im Folgenden wird
an Hand von 2 eine entsprechende
endungsgemäße Anordnung
beschrieben. Abweichend von 1 ist
bei dieser Ausführung
zwischen Linse 6 und Laserplatte 1 ein beliebiger
an sich bekannter Polarisationsstrahlenteiler 9 eingefügt. Für solche
Strahlenteiler gibt es unterschiedliche Ausführungsformen. Für die in 2 angegebene Anordnung wurde
z.B. ein Foster-Prisma ausgewählt.
Es besteht aus zwei prismatisch geschliffenen Körpern aus einem stark doppelbrechenden
Material z. B. Kalkspat, dessen optische Achse senkrecht zur Bildebene
verläuft,
weshalb die Brechungsindizes für
Strahlen, die in bzw. senkrecht zur Bildebene polarisiert sind,
unterschiedliche Werte besitzen. Die beiden Körper sind entlang einer Grenzfläche 10 miteinander
verbunden, wobei je nach Ausführungsform
entweder ein schmaler Luftspalt zwischen den Körpern bestehen bleibt oder dieser
Spalt mit einem Kitt ausgefüllt
ist, dessen Brechungsindex deutlich kleiner als der Brechungsindex des doppelbrechenden
Materials ist. Der aus der Laserdiode 5 kommende, senkrecht
zur Bildebene polarisierte Strahl (•••), der wiederum mit Hilfe einer
Zylinderlinse konvergent gemacht wird, tritt schräg von rechts
oben in das Foster-Prisma 9 ein. Der Auftreffwinkel des
Strahls auf die Grenzfläche 10 ist
so gewählt,
dass dieser größer als
der Grenzwinkel der Totalreflexion ist. Der Pumpstrahl wird daher
an der Grenzfläche 10 totalreflektiert
und verlässt
dann das Foster-Prisma in Richtung der Laserplatte. Die Brechkraft
der Linse 6 ist so gewählt,
dass der Pumpstrahl wie in 1 auf
einen schmalen Streifen auf der Unterseite der Laserplatte abgebildet
wird. Er wird dort reflektiert und durchstrahlt nun auf seinem Weg
zum Spiegel 7 unterschiedlich zu 1 ein Lambda-Viertel-Plättchen 11,
welches das linear polarisierte Licht in zirkularpolarisiertes verwandelt.
Bei der Reflexion am Spiegel 7 bleibt zwar der Drehsinn der
Polarisation bezüglich
der Ausbreitungsrichtung erhalten, da sich jedoch letztere umkehrt, ändert sich auch
der tatsächliche
Drehsinn der Polarisation. Der auf das Lambda-Viertel-Plättchen von
oben auftreffende Strahl wird daher zwar nun wieder in linear polarisiertes
Licht zurückverwandelt,
dessen Polarisationsrichtung im Vergleich zur ursprünglichen
jedoch um 90° gedreht
ist. Die Polarisationsrichtung des Pumpstrahls liegt daher, wenn
dieser auf dem Weg zur Laserplatte das Lambda-Viertel-Plättchen ein zweites
Mal passiert hat, in der Bildebene (↕↕↕). Dieser Strahl wird nun wieder
von der Unterseite der Laserplatte in das Foster-Prisma gelenkt,
wird aber nun, da der Brechungsindex des doppelbrechenden Materials
für Licht,
das in der Bildebene polarisiert ist, kleiner ist, nicht mehr an
der Grenzfläche 10 totalreflektiert,
sondern durchdringt letztere ohne Richtungsänderung und mit nur geringen
Intensitätsverlusten. Der
Strahl verlässt
das Foster-Prisma
nun an der Oberseite, wird durch den Zylinderspiegel 12 in
das Foster-Prisma zurückreflektiert,
auf die Unterseite der Laserplatte abgebildet, zum Spiegel 7 umgelenkt und
von dort wiederum zur Laserplatte zurückreflektiert. Der Pumpstrahl
durchstrahlt daher nach seiner Reflexion an Spiegel 12 die
Laserplatte noch viermal und passiert daher die Laserplatte auf
seinem gesamten Weg von Laserdiode her insgesamt achtmal. Es wird
daher bei dieser Ausführungsform
im Unterschied zur Ausführung
nach 1 ein deutlich
größerer Anteil
der Pumpstrahlung in der Laserplatte absorbiert, z.B. bei Nd-YAG
bei Verwendung derzeit kommerziell erhältlicher Laserdioden und einer
Plattendicke von 0.5 mm etwa 80%. Wie bereits oben erwähnt, sind
eine Reihe von Ausführungsformen
für Polarisationsstrahlenteiler
bekannt, welche für
die Zwecke dieser Anordnung mehr oder weniger gut geeignet sind.
Grundidee dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es
somit, dass basierend auf dem hier dargelegten Prinzip mit Hilfe
einer Drehung der Polarisationsebene und von Polarisationsstrahlenteilern
zusätzliche
Durchgänge
des Pumpstrahls durch die Laserplatte realisiert werden.
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Eine weitere Steigerung der absorbierten Pumpleistung
wird eneicht, wenn das Licht mehrer Laserdioden in die Laserplatte
abgebildet wird. Dies wird anhand von 3 für zwei Laserdioden
gezeigt, es können
jedoch basierend auf dem in 3 offenbarten
Prinzip durchaus mehrere Dioden 5 in die Laserplatte abgebildet
werden. Da der Öffnungswinkel des
die Linse 6 verlassenden Strahls relativ klein wird, wenn
man den Abstand zwischen Linse und Laserplatte entsprechend groß wählt, können, wie
in 3 dargestellt, zwei
oder mehrere Linsen nebeneinander angeordnet werden, durch welche
die Strahlen der Dioden auf die Laserplatte abgebildet werden. Um
die Öffnungswinkel
der Strahlen und somit auch die Einfallswinkel der äußeren Strahlen noch
mehr zu verkleinern, wird vorgeschlagen anstatt einfacher Zylinderlinsen
Linsensysteme 13 zu benutzen, mit den Zweck die sphärischen
Abenationen zu reduzieren. Da solche Linsensysteme Stand der Technik
sind, wurden sie in 3 nur
schematisch dargestellt. Um den Einfallswinkel der Strahlen auf
die Laserplatte – gemeint
ist der Winkel, den die Strahlen mit dem Lot auf die Platte 1 bilden – weiter zu
verkleinern, wird vorgeschlagen, zusätzlich eine zylindrische Zerstreuungslinse 14 vor
der oberen Glasplatte 2 in den Strahlengang einzubringen.
Unterschiedlich zur Einstrahlung mit nur einer Diode bietet die
Einstrahlung mit mehreren Dioden die Möglichkeit, das auf der Laserplatte
ankommende gesamte Strahlprofil durch gezielte Überlagerung der Profile der
einzelnen Strahlen zu steuern. Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen,
die einzelnen Strahlen nicht exakt aufeinander abzubilden, sondern
deren Strahlprofile nach rechts oder links etwas gegeneinander zu
verschieben, um auf diese Weise ein mehr kastenförmiges Gesamtprofil zu realisieren,
mit dem Zweck, die resultierende Temperaturverteilung besser an
eine Parabelform anzunähern.
Um auch bei der Anordnung nach 3 einen
achtfachen Durchgang der einzelnen Pumpstrahlen durch die Laserplatte
zu realisieren, wird vorgeschlagen, auch hier die Polarisationsebenen
der einzelnen Pumpstrahlen mit Hilfe von z.B. Lambda-Viertel-Plättchen zu
drehen, die Strahlengänge
mit Hilfe von Polarisationsstrahlteilern zu separieren und die gedrehten
Strahlen analog zur Ausführung
nach 2 mit Hilfe zusätzlicher
Spiegel 12 auf die Laserplatte zurückzureflektieren. Diese alternative
Ausführungsform
wurde jedoch nicht graphisch dargestellt.
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Um die räumliche Anordnung der Elemente zu
erleichtern und um das transversale Gesamtprofil des Pumpstrahls
symmetrischer zu machen, wird vorgeschlagen Laserdioden 5 und
Fokussierungslinsen 13 einerseits und Reflexionsspiegel 7 andererseits
alternierend bzgl. des Lotes auf die Laserplatte 1 anzuordnen,
wie das anhand von 4 gezeigt wird.
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5 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung,
bei welcher unterschiedlich zu 1 die
Flüssigkeitskühlung durch
Wärmesenken
aus einem Festkörpermaterial
hoher Wärmeleitfähigkeit
ersetzt ist, welche in Form der vier Platten 17 die Laserplatte von
oben und unten kühlen.
Der Spalt zwischen den beiden oberen Platten ermöglicht den Eintritt des Pumpstrahls
in die Laserplatte. Um zu gewährleisten, dass
die resultierende Temperaturverteilung symmetrisch ist, können optional
auch die beiden unteren Platten durch einen Spalt getrennt sein.
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Um die gesamte absorbierte Pumpleistung noch
weiter zu steigern, wie dies z. B. für Anwendungen in der Materialbearbeitung
wünschenswert
ist, wird vorgeschlagen, den Laserstab nicht nur von oben sondern
auch von der linken oder der rechten Seite bzw. von unten, d.h.
letztlich von mehreren Seiten zu pumpen. Eine entsprechende Anordnung
ist in 6 dargestellt.
Hier wird eine weitere Laserdiode 5 mit Hilfe einer Linse 6 von
links in den Laserstab 1 abgebildet, dessen Querschnitt
nahezu quadratisch ist, an der rechten Begrenzungsfläche reflektiert
und wie für
die Einstrahlung von oben bereits beschrieben durch einen Zylinderspiegel 7 in
den Laserstab zurückreflekiert.
Der Laserstab 1 ist an den Seiten von einem Behälter, Gehäuse bzw.
Kasten 18 umgeben, der für die Pumpstrahlung transparent
ist. In den Zwischenräumen
zwischen Laserstab und Kasten befindet sich ein strömendes Kühlmedium 4.
Der Laserstrahl 8 bildet sich innerhalb des Stabes entlang der
Längsrichtung
aus. Zur weiteren Steigerung der Leistung wird auch hier vorgeschlagen,
Polarisationsstrahlenteiler und Lambda-Viertel-Plättchen in den
Strahlengang einzufügen
und/oder mit mehreren Dioden einzustrahlen wie dies anhand der 2 bis 4 für
die Einstrahlung von oben bereits beschrieben wurde. Zur weiteren
Steigerung der Laserleistung wird vorgeschlagen, einen Laserstab
mit einem sechs- oder achteckigen Querschnitt zu benutzen und von
entsprechend vielen Seiten einzustrahlen.
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Die Auslegung des optischen Resonators hängt von
den Eigenschaften des verwendeten Lasermaterials ab. Bei Materialien
mit positiver Ableitung dn/dT des Brechungsindex n nach der Temperatur
T wie Nd:YAG bildet sich entlang des gepumpten Bereichs, also in
den 1 bis 6 senkrecht zur Bildebene,
eine annähernd
symmetrische thermische Linse aus, in welcher der Lasermode wie
in einem Wellenleiter geführt
wird. In diesem Fall genügt
es die senkrecht zu dem gepumpten Bereich verlaufenden Endflächen der
Platte eben zu schleifen, zu verspiegeln und als Endflächen für einen
Lasenesonator zu benutzen. Abhängig
von der Größe des Differentialquotienten
dn/dT und der absorbierten Pumpleistung kann die thermische Linsenwirkung
so stark sein, dass das transversale Profil des Laserstrahls zu schmal
wird, um den gepumpten Bereich ausreichend zu überlappen, wodurch die Effizienz
des Lasers reduziert wird. Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen
die ebenen Endflächen
der Laserplatte für
die Laserstrahlung antireflektierend zu beschichten und separate
Endspiegel 15 für
den Laserresonator zu benutzen, wie dies in 7 dargestellt ist. Um die Konstruktion
möglichst
einfach zu gestalten, sind diese externen Spiegel bevorzugt eben,
gegebenenfalls können
jedoch gekrümmte
Spiegel vorteilhaft sein. Wird ein Lasermaterial benutzt, bei dem
die Ableitung des Brechungsindex nach der Temperatur verschwindet
oder negativ ist, sind gekrümmte
Endspiegel des Laserresonators sogar notwendig. Zur Steuerung der Überlappung
von gepumptem Bereich und Lasermode wird weiterhin alternativ vorgeschlagen
die Breite des gepumpten Bereichs durch Änderung der Brennweiten der
Linsen 6 und der Spiegel 7 zu optimieren.
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8 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung,
bei der zwei lineare Pumpquellen, z.B. Laserdiodenarrays 5 in
Richtung der "slow axis" hintereinander angeordnet sind. Auf dieselbe
Weise können natürlich auch
mehrere Dioden angeordnet werden.
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9 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung
nach Art eines gefalteten Resonators, bei der mehrere Laserplatten
zickzackförmig
zwischen Spiegeln 16 angeordnet sind. Die nicht gezeichneten
Laserdioden, deren Strahlen analog zu l bzw.
2 oder 3 in die Laserplatten abgebildet werden, befinden sich vor
der Bildebene senkrecht über
den Platten. Alternativ wird vorgeschlagen, die einzelnen Platten
durch eine einzige durchgehende Platte zu ersetzen, wobei jedoch
die Laserdioden weiterhin zickzackförmig angeordnet bleiben.
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Um den technischen Aufwand zur Realisierung
der in den vorangehenden Abschnitten beschriebenen Anordnungen bei
gleicher Effizienz zu reduzieren wird anhand von 10 eine Anordnung beschriebenen, bei
welcher ein achtfacher Durchgang des Pumpstrahls durch eine Laserplatte 1 ohne Zuhilfenahme
von Polarisationsstrahlenteilern realisiert wird. Zu diesem Zweck
wird der von der Pumpquelle 5 emittierte und durch die
Linse 6 auf das Lasermaterial 1 abgebildete Pumpstrahl,
nachdem er die Laserplatte 1 nach oben verlassen hat, durch
einen Umlenkspiegel 19 auf einen Bereich abgebildet, der
links neben dem ersten dwchstrahlten Bereich liegt. Dort wird der
Pumpstrahl wieder an der Unterseite der Platte reflektiert, zu einem
Spiegel 20 gelenkt, durch den er wieder in den zweiten
Bereich zurückreflektiert
wird, und sodann durch Reflektion an dem Umlenkspiegel 19 wieder
in den ersten Bereich gelenkt wird. Gleichzeitig wird ein zweiter
Pumpstrahl aus der Laserdiode 21 durch eine Linse 6 in
den linken Bereich abgebildet, an der Unterseite der Laserplatte
reflektiert und, nachdem er die Laserplatte verlassen hat, auf einen
Spiegel 22 gelenkt, durch den er senkrecht von oben in
den rechten gepumpten Bereich abgebildet wird. Er wird daher, nachdem
er an der Unterseite der Platte reflektiert wurde, wieder zu dem
Spiegel 22 gelenkt und von diesem wieder in den linken
gepumpten Bereich abgebildet. Beide Pumpstahlen durchstrahlen also
die beiden gepumpten Bereiche jeweils achtmal. Wie man leicht erkennt, ist
es nicht notwendig dass der zweite Pumpstrahl senkrecht auf den
rechten Bereich abgebildet wird. Ist dies nicht der Fall, so wird
ein weiterer Umlenkspiegel benötigt.
Außerdem
ist es möglich,
die Pumpstrahlen mit Hilfe von Umlenkspiegeln durch drei oder mehr
nebeneinander liegende Bereiche zu lenken, sofern dies zur Absorption
der Pumpstrahlen technisch sinnvoll ist. 11 zeigt einen erfindungsgemäßen Resonator,
bei welchem der Laserstrahl mit Hilfe von Umlenkspiegeln 23 durch
zwei gepumpte Bereiche gelenkt wird.
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Weiter wird vorgeschlagen, die anhand
der 1 bis 11 beschriebenen Anordnungen
zum Pumpen und Kühlen
von Laserstäben
für Laserverstärker zu
benutzen, indem ein externer Laserstrahl von der Stirnseite her
entlang der gepumpten Bereiche in den Laserstab eingekoppelt wird.
Um bei dieser Benutzung der Endung parasitäre transversale Lasermoden
in den Stäben
zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Seitenflächen der Laserplatten bzw.
-stäbe für in Frage
kommende Laserwellenlängen
antireflektierend zu beschichten oder nicht exakt parallel zueinander
zu schleifen. Falls die Pumpstrahlen nur von oben kommen, wird vorgeschlagen,
die rechte und die linke Seitenfläche des Stabs aufzurauen.