DE10243845B4 - Verfahren zur Herstellung und zum Betreiben eines Feststoff-Polymer-Lasermediums - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-Polymer-Lasermediums für einen Hochleistungs-Festkörper-Farbstofflaser mit hoher Wiederholungsrate, bei welchem ein farbstoff-dotiertes Polymer (2) und ein transparentes Polymer (3) mit einem gleichen Brechungsindex zu einem scheibenförmigen Verstärkungsmedium (1) derart zusammengefügt werden, dass das transparente Polymer (3) einen Außenring und das farbstoff-dotierte Polymer (2) eine Innenfläche bildet, indem das farbstoff-dotierte Polymer (2) abgekühlt in das transparente Polymer (3) eingefügt und beide miteinander verbundenen Polymere (2, 3) in eine spezielle Form (13) gebracht und dort so wärmebehandelt werden, dass zwischen beiden Polymeren (2, 3) ein optimaler optischer Kontakt hergestellt wird, und dass anschließend die zu einem Körper zusammengefügten Polymere (2, 3) mechanisch bearbeitet und poliert werden.

Description

  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung und zum Betreiben eines Feststoff-Polymer-Lasermediums gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
  • Das Prinzip des Dotierens einer Polymermatrize mit Farbstoffmolekülen wurde Ende der siebziger Jahre entwickelt.
  • Seitdem wurden mehrere Beispiele von Festkörper-Polymer-Farbstofflasern entwickelt, wobei in den meisten Fällen eine Ausführung verwendet wurde, die in einer longitudigonalen Pump-Konfiguration arbeitet ( US 5,136,596 ).
  • Diese Konfiguration ermöglicht die Herbeiführung eines Ausgangslaserstrahls von sehr guter Qualität, da sich die die Qualität bestimmenden Oberflächen sehr gut polieren lassen. Aus diesem Grunde sind Beugungsverluste (Diffraktionsverluste) innerhalb eines Laserresonators sehr gering. Für den Fall, dass mit einer hohen Pulsleistung bei gleichzeitig niedriger Pulswiederholrate (Repetitionsrate) gearbeitet wird (z. B.: mit Hilfe eines Nd:YAG-Lasers im Niedrigfrequenz Q-Schaltmodus (Q-switch)) kann ein Umwandlungs-Wirkungsgrad von 50–70% mit einer angemessenen Lebensdauer des Verstärkungsmediums erreicht werden. Andererseits ist die Laserschwelle relativ hoch – etwa 100–200 kW/cm2 für handelsübliche Kunststoffe, die mit Farbstoffen imprägniert sind.
  • Für Pumpquellen mit hohen Repetitionsraten, wie z. B. Kupfer-Dampflaser, muss man aus diesem Grunde den Pumpstrahl auf eine Fläche mit einem relativ kleinen Durchmesser fokussieren, um einen angemessenen Umwandlungs-Wirkungsgrad zu erzielen. Dies führt zu einer erkennbaren Fotodegradation des Laserfarbstoffes, und zwar schon nach einem einzelnen Laserpuls, und in einigen Fällen sogar zu einer Beschädigung der Polymermatrize.
  • Die Betriebszeit des Verstärkungsmediums kann durch eine periodische Änderung der Position, an der die Anregung stattfindet, erhöht werden, indem das Verstärkungsmedium mit Bezug auf den Pumpstrahl entweder bewegt und/oder gedreht wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde das Verstärkungsmedium zu einem dünnen Streifen ( US 5,136,596 ) oder zu einer Scheibe (A. Costella et al: "High repetition rate polymeric solid state dye lasers pumped by a copper vapor laser", Applied Physics Letters, Vol. 79, No. 4, p. 452–454) geformt.
  • Die längste Betriebszeit betrug 30 Minuten.
  • Eine andere Vorgehensweise zur Steigerung der Betriebszeit (Stabilität) des farbstoffdotierten Polymer-Verstärkungsmediums kann auf der „schwellen-ähnlichen" Abhängigkeit der Fotodegradationsrate des Farbstoffes als Funktion der Pumpleistungsdichte basiert sein. (Denisov L. K, Kytina I. G., Kytin V. G., Tsogoeva S. A., Saprykin L. G. Konstantinov, B. A, Service life of dye-impregnated polymer active elements at various energy densities and pump powers, Quantum Electronics, Vol. 27, No. 2, p. 115–117).
  • Die Fotodegradationsrate nimmt deutlich ab, wenn die Pumpleistungsdichte einen bestimmten Wert unterschreitet. Dieser Wert ist jedoch zu niedrig, um einen angemessenen Ausgangs-Wirkungsgrad in der longitudinalen Pump-Konfiguration zu erzielen, ist aber hoch genug für eine wirksame Laseremission in der transversalen Pump-Konfiguration.
  • Der wesentliche Nachteil der transversalen Pump-Konfiguration liegt in der mangelhaften Qualität des Ausgangsstrahls und führt infolgedessen zu großen optischen Verlusten innerhalb des Resonators.
  • Die Qualität des Ausgangsstrahls kann wesentlich verbessert werden, indem ein Verstärkungsmedium eingesetzt wird, bestehend aus einer „Sandwich"-Struktur mit einer farbstoff-dotierten Schicht und einer transparenten Schicht aus vergleichbarem Polymermaterial, wobei beide Schichten in etwa denselben Brechungsindex aufweisen müssen ( RU 21 05 401 ).
  • Ein derartiges Verstärkungsmedium wurde durch Polymerisierung der transparenten Schicht verwirklicht, gefolgt durch eine Aufpolymerisierung der farbstoff-dotierten Schicht. Es ist jedoch schwierig, dieses Verfahren zu realisieren, wenn die Schichten nicht eben sind.
  • Weiterhin ist aus US 2002/97769 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines aus dotiertem und undotiertem Material zusammengesetzten, scheibenförmigen Festkörper-Lasermediums bekannt, wobei thermische Verfahren zur Kontaktierung gleichartiger oder unterschiedlicher Polymere zur Herstellung eines Lasermediums zur Anwendung gelangen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung und zum Betreiben eines Feststoff-Polymer-Lasermediums zu beschreiben, wobei das Medium, welches den Farbstoff aufnimmt, sowohl eine hohe Umwandlungseffizienz als auch die Stabilität der Laserleistung bei gleichzeitig guter Qualität des Laserstrahls gewährleisten soll, und wobei eine gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbesserte Langzeitstabilität des mit einem Farbstoff versehenen Festkörperpolymer-Lasermediums zu erreichen ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
  • Das Verfahren zur Herstellung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein farbstoff-dotiertes Polymer und ein transparentes Polymer mit einem nahezu gleichen Brechungsindex zu einem scheibenförmigen Verstärkungsmedium derart zusammengefügt werden, dass das transparente Polymer einen Außenring und das farbstoff-dotierte Polymer eine Innenfläche bildet, indem das farbstoff-dotierte Polymer abgekühlt in das transparente Polymer eingefügt und beide miteinander verbundene Polymere in eine spezielle Form gebracht und dort so wärmebehandelt werden, dass zwischen beiden Polymeren ein optimaler optischer Kontakt hergestellt wird, und dass anschließend in bekannter Art und Weise die zu einem Körper zusammengefügten Polymere mechanisch bearbeitet und poliert werden.
  • Das Verfahren zum Betreiben ist dadurch gekennzeichnet, dass auf den Außenring des sich mit einer definierten Frequenz drehende Verstärkungsmediums eine fokussierte Strahlung eines Pumplasers mit einer Repititionsrate geführt wird, wodurch auf dem Verstärkungsmedium ein Anregungsbereich einer Länge, die der Dicke des Verstärkungsmediums entspricht, und einer definierten Breite, welche die durchschnittliche Pumpleistungsdichte bestimmt, erzeugt wird, wobei die Frequenz der Rotation des Verstärkungsmediums nach der Gleichung f = v w/πdgewählt wird, in der d den Durchmesser der Eingangsoberfläche des Verstärkungsmediums darstellt, wobei das Verstärkungsmedium zur Verringerung der Photodegradation des Farbstoffes des Verstärkungsmediums zusätzlich periodisch mit der Repetitionsrate v in einem definierten Verhältnis mit der Strahlung des Pumplasers beleuchtet wird, wobei das Verhältnis zwischen Beleuchtung des Verstärkungsmediums und Beleuchtungspausen in Abhängigkeit von dem im Verstärkungsmedium enthaltenen Farbstoff gewählt wird, und wobei der Zyklus und die Dauer der Beleuchtungspausen durch eine Vorrichtung realisiert werden, deren Arbeitsmodus mit einem Antrieb synchronisiert wird, mit dem die Drehbewegung des Verstärkungsmediums realisiert wird.
  • Das Lichtverstärkermedium nach der Erfindung erlaubt ein transversales Pumpen des Mediums, was mit einer hohen Umwandlungseffizienz bei gleichzeitig guter Qualität des Laserstrahls verbunden ist. Es kann dadurch mit einer wesentlich niedrigeren Anregungsleistung als bisher gepumpt werden, so dass eine deutlichere Verbesserung der Photodegradation des eingesetzten Farbstoffes erzielt wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Wahl des Operationsmodus wird eine signifikant höhere Langzeitstabilität des eingesetzten Farbstoffes erreicht.
  • Als Medium können alle herkömmlichen Laserfarbstoffe und Kunststoffe wie PMMA eingesetzt werden.
  • Gegenüber bekannten Verfahren kann mit wesentlich höheren Repetitionsraten als mit auf dem Markt erhältlichen Pumplasern gearbeitet werden.
  • Das Verstärkungsmedium kann mit Hochleistungslasern mit hohen Repetitionsraten gepumpt werden (z. B. Kupfer-Dampflaser). Das Verstärkungsmedium ist in der Lage, Laserstrahlung mit einem hohen Umwandlungs-Wirkungsgrad und mit angemessener Qualität des Ausgangsstrahls herzustellen.
  • Das vorgeschlagene Verstärkungsmedium weist die längste Betriebszeit (Stabilität) auf, die bislang bekannt ist, wenn dieses in dem hier vorgeschlagenen Betriebsmodus eingesetzt wird.
  • Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Lichtverstärker-Mediums näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
  • 1 die schematische Darstellung eines Mediums nach der Erfindung in der Draufsicht,
  • 2 die schematische Darstellung eines Mediums nach der Erfindung in der Seitenansicht,
  • 3 die schematische Darstellung der wesentlichen Herstellungsschritte für das Medium nach den 1, 2,
  • 4 die schematische Darstellung der Gerätekonfiguration zur Lichtverstärkung mittels des Mediums nach den 1 und 2 in Draufsicht,
  • 5 die schematische Darstellung eines Teils der Gerätekonfiguration zur Lichtverstärkung mittels des Mediums nach den 1 und 2 in Schnittdarstellung,
  • 6 die schematische Darstellung eines Lichtzerhackers (Choppers) in Draufsicht zur Realisierung einer definierten Wartezeit und
  • 7 die grafische Darstellung der Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Farbstofflasers von der Betriebszeit.
  • Es wird eine neue Art eines Feststoff-Polymer-Lasermediums für Farbstofflaser mit einer transversalen Pump-Konfiguration und dessen Herstellung beschrieben.
  • Das vorgeschlagene Feststoff-Polymer-Lasermedium 1 entsprechend der Darstellung in den 1, 2 ist scheibenförmig mit einer Dicke l ausgebildet. Es besteht aus einem farbstoff-dotierten Polymer 2 und einem transparenten Polymer 3. Beide Polymere 2, 3 haben einen nahezu identischen Brechungsindex. Die oberen und unteren Flächen a, b sind mit optischer Qualität poliert. Die Fläche c benötigt eine niedrigere Qualitätsstufe beim Polieren.
  • Die Dicke k (2) des transparenten Polymers 3 muss ausreichend groß sein, um die Erzeugung von Störeffekten (parasitäre Moden) zu vermeiden, die durch Reflektionen von der Oberfläche c verursacht werden. Die Dicke k ist beispielsweise mit 2 mm ausgeführt.
  • Das Verstärkungsmedium 1 hat eine durch den Winkel α bestimmte leicht konische Form, um die Erzeugung von Störeffekten durch die Reflektion von den Oberflächen a, b zu verhindern. Bei einem beispielhaft ausgeführten Medium 1 betrug dieser Winkel 5°. Der kleinste Durchmesser des farbstoffsdotierten Materials des Verstärkungsmediums 1 ist mit d bezeichnet.
  • Das Verstärkungsmedium 1 weist in der Mitte ein Loch 11 auf. Dieses Loch 11 ist für die Befestigung des Verstärkungsmediums 1 an einen Motor 10 erforderlich.
  • Die 3 zeigt in schematischer Darstellung die wichtigsten Phasen der Herstellung des vorgeschlagenen Feststoff-Polymer-Lasermediums 1.
  • Zuerst wird die korrekte Form beider Polymer-Schichten 2, 3, der farbstoff-dotierten Schicht 2 sowie der transparenten Schicht 3, durch herkömmliche mechanische bzw. thermo-mechanische Behandlungen oder direkt durch Polymerisierung gemäß den entsprechenden Anforderungen realisiert.
  • Das Polieren ist nicht Bestandteil dieser Behandlung.
  • Das farbstoff-dotierte Polymer 2 wird abgekühlt (zum Beispiel in flüssigem Stickstoff 14) und dann sofort in das transparente Polymer 3 eingeführt. Die Größe der beiden Polymere 2, 3 wird so gewählt, dass nur eine teilweise Einführung möglich ist, wenn beide Teile dieselbe Temperatur aufweisen, und eine vollständige Einführung nur dann möglich ist, nachdem eine Abkühlung des Polymers 2 stattgefunden hat.
  • Nach Herstellung eines thermischen Gleichgewichts werden die mechanisch verbundenen Polymer-Teile 2, 3 in eine spezielle Form 13 eingeführt und bis zu einer bestimmten Temperatur aufgewärmt. Diese Temperatur muss hoch genug sein, um einen leicht flexiblen Zustand der Polymere 2, 3 herbeizuführen, jedoch niedrig genug, um eine chemische Transformation der Polymere 2, 3 und auch des Farbstoffs zu verhindern. Diese Temperatur beträgt zum Beispiel ca. 130–150°C für Copolymer MMA + 10% MMA + 10% MAH(MMA-methylmethacrylate, MAA-methacrylsäure, MAH-maleinanhydrid), imprägniert mit Rhodamin B- oder Rhodamin 6G-Farbstoffen.
  • Die Form 13 wird der Größe der Teile 2, 3 angepasst, um eine Verformung während der Wärmebehandlung zu verhindern. Aufgrund dieser Behandlung entsteht ein optischer Kontakt von hoher Qualität zwischen dem farbstoff-dotierten Polymer 2 und dem transparenten Polymer 3.
  • Die abschließende mechanische Behandlung (einschl. des Polierens der Oberflächen a, b und c führt zu dem Verstärkungsmedium 1 gemäß 1, 2.
  • Das vorgeschlagene Verstärkungsmedium 1 ist für den Betrieb in einem Farbstofflaser ausgelegt.
  • Die 4, 5 zeigen diesen Betrieb in schematischer Darstellung.
  • Das Verstärkungsmedium 1 wird durch einen Motor 10 in Drehbewegung gebracht. Ein optisches System 12 fokussiert die Strahlung eines gepulsten Pumplasers 4 über eine Linse 15 mit einer Repetitionsrate v auf das Verstärkungsmedium 1, wobei ein Anregungsbereich 5 entsteht (5). Dieser Bereich 5 hat eine Länge, die der Dicke l des Verstärkungsmediums 1 gemäß 1, 2 entspricht.
  • Die Breite w des angeregten Bereiches 5 bestimmt die durchschnittliche Pumpleistungsdichte. Aus diesem Grunde sollte die Breite w klein genug sein, um einen angemessenen Umwandlungs-Wirkungsgrad zu erzielen und groß genug sein, um die Rate der Photodegradation des Farbstoffes auf ein Minimum zu reduzieren.
  • Die Frequenz der Rotation f des Verstärkungsmediums 1 muss so gewählt werden, dass jeder neue Lichtpuls des Pumplasers 4 einen früheren nicht angeregten Bereich beleuchtet. Es gilt die Gleichung:
    Figure 00100001
  • Ein hinterer Spiegel 6 und ein Ausgangsspiegel 7 bilden einen Resonator des Farbstofflasers zusammen mit einem Prisma 8, das für die Auswahl der Wellenlänge benötigt wird. Der Qualitätsfaktor des Resonators sollte im Hinblick auf die Minimierung der Fotodegradationsrate optimiert werden aber bei gleichzeitig höchstmöglichen Umwandlungs-Wirkungsgrad. Ist der Qualitätsfaktor zu hoch, wird der Umwandlungs-Wirkungsgrad reduziert.
  • Es wurde gefunden, dass die Betriebszeit des Verstärkungsmediums 1 weiter erhöht werden kann, wenn periodische Pausen der Beleuchtung des Verstärkungsmediums 1 eingelegt werden mit einem Beleuchtungszyklus von etwa l Zeiteinheit Dunkelheit an einem Punkt zu 6 Zeiteinheiten der Beleuchtung. Dadurch kann sich der Farbstoff in den Pausen von einer möglichen Degradation erholen. Für den Farbstoff Rhodamine B ist der beste Betriebsmodus 1 Minute Pumpen mit dem Laser 4 (Beleuchtung), gefolgt von einer 10-Sekunden-Pause.
  • Ein derartiger Betriebsmodus kann durch einen Lichtzerhacker 9 (6), synchronisiert mit dem Motor 10, realisiert werden, um eine bestimmte Dauer der Beleuchtung und einen bestimmten Zyklus der Pausen für jeden einzelnen Punkt der Beleuchtung des Verstärkungsmediums 1 durch den Pumplaser 4 sicherzustellen.
  • Die gewünschte Dunkelzeit tpause kann über die Rotationsfrequenz fch des Lichtzerhackers 9 in der 6 über die folgende Gleichung eingestellt werden (lch-Bogenlänge des Chopper auf dem Radius Rch, Rch – der kleinste Radius im Betriebsbereich des Choppers):
    Figure 00110001
  • Das beispielhaft getestete Verstärkungsmedium 1 wurde aus einem Copolymer MMA + 10% MAA + 10% MAH imprägniert mit Rhodamine B, angefertigt. Die Konzentration des Rhodamine B betrug 8·10–4 mol/l. Für das transparente Polymer 3 wurde handelsübliches PMMA verwendet.
  • Das getestete Medium 1 hatte die gemäß den 1, 2 dargestellte Form.
  • Die Dicke l des Mediums 1 betrug 20 mm; der Durchmesser d betrug 94 mm. Die Dicke k der transparenten Schicht 3 betrug 2 mm. Der Konuswinkel α betrug 5°. Die Oberflächen a, b des Mediums 1 wurden mit optischer Qualität poliert, wobei die Oberfläche c nur so weit poliert wurde, dass diese Oberfläche für die Pumpstrahlung transparent wurde.
  • Das Medium 1 wurde gemäß der Konfiguration in den 4, 5 getestet. Als Pumpquelle 4 diente ein Kupfer-Dampflaser (Repetitionsrate v = 16 kHz, Laserpulslänge 20 ns, durchschnittliche Ausgangsleistung 10 W, Wellenlängen 510,6 nm und 578,2 nm). Die Reflektion des Ausgangsspiegels 7 betrug 60%. Die Breite w des angeregten Bereiches 5 betrug 0,8 mm.
  • Die Strahlung des Farbstofflasers mit dem getesteten und eingeführten Verstärkungsmedium 1 war abstimmbar im Bereich 605–635 nm mit einer spektralen Bandbreite von 2,5 nm. Der Ausgangsstrahldurchmesser betrug 1,2 mm und die Strahldivergenz betrug 6 mrad. Die zeitlichen Abhängigkeiten der Ausgangsleistung sind in der 7 für den Dauerbetriebsmodus sowie für den periodischen Betriebsmodus dargestellt (1 Minute Betrieb + 10 Sekunden Pause pro beleuchtete Stelle des Mediums 1). Für den Messvorgang wurde der Farbstofflaser auf 630 nm Ausgangswellenlänge abgestimmt. Im Dauerbetriebsmodus (ohne Lichtzerhacker) betrug die Betriebszeit des getesteten Verstärkungsmediums 1 etwa 2 Stunden, wobei die Betriebszeit als die Zeit definiert wird, an der die Ausgangsleistung des Farbstofflasers auf 70% seines ursprünglichen Werts abnimmt. In dem periodischen Betriebsmodus (mit Lichtzerhacker) verhielt sich das Verstärkungsmedium stabil (innerhalb einer Genauigkeit von 5%) während der 4-stündigen Betriebszeit. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Dauer der Pausen von der Gesamtbetriebszeit abgezogen wurden.
  • Es wird auch hier darauf hingewiesen, dass die zeitliche Abhängigkeit der Ausgangsleistung in dem periodischen Betriebsmodus (7) bei demselben Medium drei Tage nach der Messung im Dauerbetriebsmodus gemessen wurde. Demnach war die gemessene Ausgangsleistung in dem periodischen Betriebsmodus bereits etwas degradiert, obwohl eine kleine teilweise Erholung stattgefunden hat.
  • Mit der Extrapolation der zeitlichen Abhängigkeit der Ausgangsleistung in dem periodischen Betriebsmodus, ergibt sich eine Betriebszeit von 12–14 Stunden.
  • Das Verstärkungsmedium 1 nach den 1, 2 besteht aus zwei planparallelen Ebenen (Oberflächen a, b) einer kreisförmigen Scheibe der Dicke l.
  • Es ist auch eine Ausführungsform des Verstärkungsmedium 1 möglich, bei der die kreisförmige Scheibe aus zwei unter einem definierten Winkel zueinander angeordneten Ebenen (Oberflächen a, b) gebildet wird. In dieser Ausführungsform ist der Winkel, unter dem das Laserlicht des Lasers 4 austritt (Brewsterwinkel), zu bestimmen.
    • 1
    Verstärkungsmedium
    2
    Farbstoff-dotiertes Polymer
    3
    Transparentes Polymer
    4
    Pumplaser
    5
    Anregungsbereich
    6
    Spiegel
    7
    Spiegel
    8
    Prisma
    9
    Zerhacker (Chopper)
    10
    Motor
    11
    Loch
    12
    Optisches System
    13
    Form
    14
    Kühlflüssigkeit
    a
    Fläche
    b
    Fläche
    c
    Fläche
    d
    kleinster Durchmesser des farbstoffdotierten Materials des Verstärkungsmediums
    f
    Rotation
    l
    Dicke des farbstoffdotierten Materials
    k
    Dicke des nicht dotierten Materials
    Rch
    der kleinste Radius des Betriebsbereichs des Choppers
    lch
    Bogenlänge des Choppers auf dem Radius Rch
    v
    Repititionsrate
    w
    Breite
    α
    Winkel

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-Polymer-Lasermediums für einen Hochleistungs-Festkörper-Farbstofflaser mit hoher Wiederholungsrate, bei welchem ein farbstoff-dotiertes Polymer (2) und ein transparentes Polymer (3) mit einem gleichen Brechungsindex zu einem scheibenförmigen Verstärkungsmedium (1) derart zusammengefügt werden, dass das transparente Polymer (3) einen Außenring und das farbstoff-dotierte Polymer (2) eine Innenfläche bildet, indem das farbstoff-dotierte Polymer (2) abgekühlt in das transparente Polymer (3) eingefügt und beide miteinander verbundenen Polymere (2, 3) in eine spezielle Form (13) gebracht und dort so wärmebehandelt werden, dass zwischen beiden Polymeren (2, 3) ein optimaler optischer Kontakt hergestellt wird, und dass anschließend die zu einem Körper zusammengefügten Polymere (2, 3) mechanisch bearbeitet und poliert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmedium (1) konusförmig, bestimmt durch den Konuswinkel α, ausgebildet wird, um die Erzeugung von Störeffekten durch Reflexionen an den Oberflächen (a, b) zu vermeiden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des transparenten Polymers (3) derart gewählt wird, dass parasitäre Moden durch Reflexionen an einer Oberfläche (c) vermieden werden.
  4. Verfahren zur Lichtverstärkung mittels eines scheibenförmigen Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) im transversalen Pumpmodus, wobei das Feststoff-Polymer-Lasermedium (1) ein farbstoff-dotiertes Polymer (2) und ein transparentes Polymer (3) aufweist, wobei das farbstoff-dotierte Polymer (2) eine Innenfläche und das transparente Polymer (3) einen Außenring bildet, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Außenring des sich mit einer definierten Frequenz f drehenden Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) eine fokussierte Strahlung eines Pumplasers (4) mit einer Repetitionsrate v geführt wird, wodurch auf dem Feststoff-Polymer-Lasermedium (1) ein Anregungsbereich (5) einer Länge, die der Dicke l des Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) entspricht, und einer definierten Breite w, welche die durchschnittliche Pumpleistungsdichte bestimmt, erzeugt wird, wobei die Frequenz f der Rotation des Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) nach der Gleichung f = v w/πdgewählt wird, in der d den Durchmesser der Eingangsoberfläche des Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) darstellt, wobei das Feststoff-Polymer-Lasermedium (1) zur Verringerung der Photodegradation des Farbstoffes des Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) zusätzlich periodisch mit der Repetitionsrate v in einem definierten Verhältnis mit der Strahlung des Pumplasers (4) beleuchtet wird, wobei das Verhältnis zwischen Beleuchtung des Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) und Beleuchtungspausen in Abhängigkeit von dem im Feststoff-Polymer-Lasermedium (1) enthaltenen Farbstoff gewählt wird, und wobei der Zyklus und die Dauer der Beleuchtungspausen durch eine Vorrichtung realisiert werden, deren Arbeitsmodus mit einem Antrieb (10) synchronisiert wird, mit dem die Drehbewegung des Feststoff-Polymer-Lasermediums (1) realisiert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklus und die Dauer der Beleuchtungspausen durch einen Lichtzerhacker (9) realisiert werden.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004038307B4 (de) * 2004-08-04 2006-08-03 Hahn-Meitner-Institut Berlin Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Feststoff-Polymer-Lasermediums
FR2909806B1 (fr) * 2006-12-12 2010-01-01 Saint Louis Inst Cristal et source laser a haute energie associe.

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5136596A (en) * 1989-09-26 1992-08-04 Excel Technology, Inc. Broadly tunable, high repetition rate solid state and dye lasers and uses thereof
RU2105401C1 (ru) * 1996-06-07 1998-02-20 Акционерное общество открытого типа "НИИ Зенит" Твердотельный лазер на красителе
US5846638A (en) * 1988-08-30 1998-12-08 Onyx Optics, Inc. Composite optical and electro-optical devices
WO1999049543A1 (en) * 1998-03-20 1999-09-30 Reveo, Inc. Solid state dye laser
WO2001067560A2 (en) * 2000-03-03 2001-09-13 Aculight Corporation Multiwavelength laser for illumination of photo-dynamic therapy drugs
US20020097769A1 (en) * 2001-01-22 2002-07-25 Jan Vetrovec Side-pumped active mirror solid-state laser for high-average power

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2179489A (en) * 1985-08-23 1987-03-04 English Electric Valve Co Ltd Laser apparatus
JPH0242779A (ja) * 1988-08-02 1990-02-13 Fujitsu Ltd プラスチック色素レーザ
JPH0661589A (ja) * 1992-08-10 1994-03-04 Tdk Corp ポリマー微小球レーザ
JP2000323770A (ja) * 1999-05-13 2000-11-24 Keiogijuku プラスチック光ファイバおよびプラスチック光ファイバレーザ

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5846638A (en) * 1988-08-30 1998-12-08 Onyx Optics, Inc. Composite optical and electro-optical devices
US5136596A (en) * 1989-09-26 1992-08-04 Excel Technology, Inc. Broadly tunable, high repetition rate solid state and dye lasers and uses thereof
RU2105401C1 (ru) * 1996-06-07 1998-02-20 Акционерное общество открытого типа "НИИ Зенит" Твердотельный лазер на красителе
WO1999049543A1 (en) * 1998-03-20 1999-09-30 Reveo, Inc. Solid state dye laser
WO2001067560A2 (en) * 2000-03-03 2001-09-13 Aculight Corporation Multiwavelength laser for illumination of photo-dynamic therapy drugs
US20020097769A1 (en) * 2001-01-22 2002-07-25 Jan Vetrovec Side-pumped active mirror solid-state laser for high-average power

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Costela, A. u.a.: High-repetition-rate polymeric s olide-state dye lasers pumped by a copper-vapor la ser. In: Appl. Phys. Lett., 2001, Vol. 79, No. 4, S. 452-454; KOPYLOVA, T.N. u.a.: Solid state activ e media of tunable oranic compound lasers pumped w ith a laser. II. A copper vapor laser. In Appl. Ph ys. B., 2002, Vol. 74, No. 6, S.545-547; Densov L. K, u.a. "Service life of dye -impregrated polymer active elements at varions energy densities and pu mp powers. In: Quantum Electronics, Vol. 27, No. 2 , p. 115-117
Costela, A. u.a.: High-repetition-rate polymeric solide-state dye lasers pumped by a copper-vapor laser. In: Appl. Phys. Lett., 2001, Vol. 79, No. 4, S. 452-454; *
Densov L.K, u.a. "Service life of dye -impregrated polymer active elements at varions energy densities and pump powers. In: Quantum Electronics, Vol. 27, No. 2, p. 115-117; *
KOPYLOVA, T.N. u.a.: Solid state activ e media of tunable oranic compound lasers pumped with a laser. II. A copper vapor laser. In Appl. Ph ys. B., 2002, Vol. 74, No. 6, S.545-547; *

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