DE112005000756T5

DE112005000756T5 - Gehäuse für Kristalle zur Harmonischenerzeugung bei Festkörper-Lasersystemen

Info

Publication number: DE112005000756T5
Application number: DE112005000756T
Authority: DE
Inventors: Paul Philip van Gwelup Saarloos
Original assignee: Customvis PLC
Current assignee: Customvis PLC
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: DE112005000756B4; WO2005096090A1; US20070223541A1; US7715451B2

Abstract

Vorrichtung zur Bewirkung einer Harmonischenumwandlung eines Laserstrahls vorbestimmter Frequenz zur Bereitstellung mehrerer harmonischer Komponenten des Laserstrahls mit von der vorbestimmten Frequenz abweichenden Frequenzen, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst:
ein Gehäuse, das eine hermetisch verschlossene Kammer definiert, die auf einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks gehalten werden kann;
Öffnungsmittel zum Evakuieren der Kammer;
Mittel, die einen Lichtweg für den Laserstrahl und dessen Komponenten durch das Gehäuse und die Kammer hindurch definieren; und
mehrere individuelle Halter zum Fixieren jeweiliger Frequenzumwandlungskristalle an beabstandeten Stellen im Lichtweg.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein das Gehäuse von Frequenzumwandlungskristallen bei Festkörper-Lasersystemen und findet als solches insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, eine Anwendungsmöglichkeit bei Festkörper-Lasersystemen zur Erzeugung von Laserstrahlen mit zur Photoablation von Werkstoffen geeigneten Wellenlängen. Der Einsatz derartiger Laserstrahlen ist in der Chirurgie und der Medizin weit verbreitet, unter anderem bei Operationen zur Korrektur von Brechungsfehlern des Auges.
Hintergrund der Erfindung
Excimer-Gaslaser stellen nach wie vor das bevorzugte Hauptlasersystem zur refraktiven Augenchirurgie durch Photoablation dar, bei der das Hornhautgewebe des Auges unter nur geringfügiger oder völlig ohne Wärmeschädigung benachbarter Bereiche verdampft wird. Trotz ihres weit verbreiteten Einsatzes weisen Excimer-Laser einige inhärente Nachteile auf, unter anderem ihre großen Dimensionen und ihre hohen Betriebs- und Wartungskosten, sowie ihre Abhängigkeit von einem Gas, das regelmäßig ausgetauscht werden muss und äußerst toxisch ist und daher eine Gefahr beim Transport und während seiner Handhabung darstellt. Excimer-Laser haben eine Betriebswellenlänge von 193 nm, im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Es wurden bereits alternative Festkörper-Lasersysteme zur Erzeugung eines für die Hornhautablation geeigneten ultravioletten Laserstrahls durch Frequenzumwandlung des Ausgangsstrahls eines Infrarot-Festkörperlasers, beispielsweise des weit verbreiteten Neodym:YAG-Lasers, vorgeschlagen. Dabei erzeugt der Nd:YAG-Laser eine Wellenlänge von 1064 nm, und dieser Ausgangsstrahl wird durch eine Reihe von nichtlinearen optischen (NLO) Kristallen geleitet, um mittels eines als Harmonischenerzeugung bekannten Verfahrens eine geeignete Harmonische im ultravioletten Bereich abzuleiten. Derartige Systeme sind beispielsweise in den U.S.-Patenten 5,144,630 und 5,592,325 allgemein beschrieben. Im U.S.-Patent 6,381,255 ist ein Festkörper-Lasersystem offenbart, bei dem zur Erzeugung der fünften Harmonischen des Ausgangsstrahls des Nd:YAG-Lasers mit 213 nm ein Nd:YAG-Laserstrahl der Reihe nach erst durch einen Kristall aus Beta-Barium-Borat (β-BaB₂O₄ oder BBO) und dann durch ein Paar von Kristallen aus Cäsium-Lithium-Borat (CsLiB₆O₁₀ oder CLBO) geleitet wird, was sich als besonders geeignet für die Refraktionschirurgie durch Photoablation erwiesen hat. Diese Harmonische wurde auch unter Verwendung von drei BBO-Kristallen erzeugt (Lago et al., 1988, Optics Letters 13(3):221-223).
Für den einwandfreien Ablauf des Verfahrens zur Erzeugung der Harmonischen muss der Laserstrahl den nichtlinearen Kristall unter ganz genau dem richtigen Winkel bezüglich der Kristallstruktur durchlaufen. Selbst ein ganz geringer Fehler in dem Winkel, unter dem der Laserstrahl durch den Kristall hindurch verläuft, kann die Umwandlungseffizienz erheblich senken, möglicherweise sogar bis auf Null. Aufgrund dieser Empfindlichkeit bezüglich der Winkelpräsentation ergeben sich grundlegende Probleme. Erstens hängt der genaue benötigte Winkel durch den Kristall hindurch normalerweise von der Kristalltemperatur sowie den Temperaturgefällen im Kristallinneren ab. Zweitens absorbiert der Kristall gewöhnlich ein wenig von entweder der einfallenden längeren Wellenlänge oder der neu erzeugten harmonischen kürzeren Wellenlänge oder von beiden Wellenlängen. Diese absorbierte Laserenergie erwärmt den Kristall, wodurch sich dessen Temperatur verändert und ein Temperaturgefälle im Inneren des Kristalls entsteht. Somit unterscheidet sich der für eine effiziente Harmonischenerzeugung erforderliche Verlaufswinkel durch den Kristall hindurch im kalten Zustand des Kristalls, d.h. zum Zeitpunkt der Einschaltung des Lasers, von dem Winkel, der benötigt wird, wenn der Laser bereits eine gewisse Zeit eingeschaltet war und seine Erwärmung des Kristalls einen Dauerzustand erreicht hat.
Wird ein Laser frisch eingeschaltet und der Laserstrahl verläuft in dem Winkel durch den Kristall, welcher für eine effiziente Harmonischenerzeugung im warmen Dauerzustand erforderlich ist, dann ist es nicht außergewöhnlich, dass überhaupt keine Harmonischenerzeugung stattfindet. In diesem Fall kann die harmonische Wellenlänge nicht zur Erwärmung des Kristalls beitragen, und daher wird der Temperaturzustand des Kristalls, bei dem es überhaupt zu einer Harmonischenerzeugung kommt, gar nicht erst erreicht. Selbst wenn die Winkelunterschiede zwischen dem kalten Ausgangszustand und dem warmen Dauerzustand nicht so groß sind, dass es zu dem oben erwähnten Problem kommt, so führen die Veränderungen gegenüber dem optimalen Winkel dennoch zu langen Aufwärmzeiten und möglicherweise starken Energieschwankungen der Wellenlänge der erzeugten Harmonischen. Zur Erzeugung der vierten oder fünften Harmonischen, zum Beispiel 266 nm oder 213 nm, bei einem Nd:YAG-Lasersystem sind im Umwandlungsverfahren üblicherweise zwei bzw. drei Kristallstufen erforderlich. Dies hat eine Vervielfachung der Energieinstabilitäten für diese kürzeren Wellenlängen zur Folge.
Aufgrund dieser Schwierigkeiten wurden Festkörper-Wellenlängen-Laserquellen bislang für den Einsatz in der Industrie oder in der Medizin als ungeeignet betrachtet.
Im eingangs erwähnten U.S.-Patent 6,381,255 sind Anordnungen zur Anbringung der Frequenzumwandlungskristalle in hermetisch verschlossenen Gehäusen offenbart, in die Heizelemente eingebaut sind, um die Kristalle auf optimalen Temperaturwerten zu halten, was für die Stabilität des Frequenzumwandlungsprozesses wichtig ist. Bei einer Ausführungsform sind die beiden CLBO-Kristalle miteinander in optischem Kontakt in dem einen Gehäuse angebracht, während sie bei der anderen Ausführungsform in getrennten Gehäusen vorgesehen sind.
Im U.S.-Patent 6,381,255 wird auch vorgeschlagen, die Laserimpulsfrequenz niedrig zu halten, um ein Abkühlen des Kristalls und seinen teilweisen Rückgang auf seinen Ausgangszustand zwischen Pulsen zu ermöglichen. Bei zahlreichen industriellen Anwendungen gestaltet sich jedoch durch die geringe Impulsfrequenz dieser Einsatz wegen langsamer Materialverarbeitungsraten als unwirtschaftlich. Selbst beim medizinischen Einsatz auf dem Gebiet der Laserrefraktionschirurgie kann eine derartige geringe Impulsfrequenz unpraktisch lange Behandlungszeiten zur Folge haben. Dies trifft insbesondere auf die neuen Behandlungsarten auf der Grundlage von Topographie- oder Wellenfront-geführten, maßgeschneiderten Ablationen zu, für die zahlreiche kleinere Pulse auf die Hornhaut gerichtet werden müssen. Ferner werden aufgrund der in letzter Zeit verbesserten Diodenlaser nunmehr diodenlasergepumpte Festkörper-Laser gegenüber den blitzlampengepumpten bevorzugt. Diodenlasergepumpte Festkörper-Laser sind möglicherweise zuverlässiger und ihr Infrarotlaserausgangsstrahl hat eine bessere Energiestabilität als es bei blitzlampengepumpten Festkörper-Lasern der Fall ist. Jedoch sind diodenlasergepumpte Systeme bei den im U.S.-Patent Nr. 6,381,255 vorgeschlagenen niedrigen Impulsfrequenzen ineffizient.
In der australischen Patentanmeldung 30076/89 wird eine Anordnung von zwei oder mehr optischen Kristallen innerhalb des Laserresonanzhohlraums vorgeschlagen. Dabei verfügt jeder Kristall über eine individuelle Temperatursteuerung zur Einstellung der Temperatur des Kristalls zur Leistungsoptimierung. Die Ausrichtung eines jeden Kristalls wird ebenfalls zur Leistungsoptimierung entsprechend eingestellt.
Zur Behebung geringfügiger Schwankungen in der Richtung des Laserstrahls bei dessen Austritt aus dem Kristall wird in der europäischen Patentveröffentlichung 1 041 427 ein Kristallhalter vorgeschlagen, der zur Verringerung von örtlichem Luftflimmern aufgrund des Kristallerwärmungssystems mit „Strahlverlaufskomponenten" in der Nähe der Eintritts- und Austrittsstirnflächen des CLBO-Kristalls versehen ist. Bei einer anderen Anordnung, wie sie in der Europäischen Patentveröffentlichung 1 048 974 offenbart ist, die ebenfalls die Verringerung der Degradation an Kristallschnittstellen betrifft, verlaufen längliche, hermetische verschlossene Räume von den jeweiligen Fenstern im Kristallgehäuse weg und sind mit hochreinem Sauerstoff oder einem Gasgemisch aus hochreinem Sauerstoff und einem Edelgas gefüllt.
In der internationalen Patentveröffentlichung WO 02/33484 ist eine Anordnung offenbart, bei der drei OPO-Kristalle in einem gemeinsamen Gehäuse in jeweiligen Haltern befestigt sind, welche zur individuellen drehbasierten Feineinstellung der Kristalle um jeweilige Achsen herum drehbar ausgelegt sind. Zur Regelung der Temperaturen der jeweiligen Kristalle sind individuelle Peltier-Heizelemente in Verbindung mit den jeweiligen Haltern angebracht.
In der U.S.-Patentschrift 6,002,697 wird es zur Bewältigung der vorliegenden Probleme vorgeschlagen, jeden der drei nichtlinearen Frequenzumwandlungskristalle in einem getrennten verschlossenen Gehäuse anzubringen, welches entweder mit Edelgas unter leichtem Überdruck durchspült, oder evakuiert wird, um Feuchtigkeit aus dem Gehäuse zu entfernen und dadurch eine Kontaminierung des Kristalls durch diese zu verhindern. Die Temperatur eines jeden Kristalls wird mittels einer Heizvorrichtung in einer Rückkopplungsschleife mit einem Temperatursensor am Kristall auf ca. „100°C oder mehr" gehalten. Die Einstellung der Neigung erfolgt dabei über eine von außen auf das Gehäuse einwirkende Stellschraube, welche drehbar gelagert ist.
Der Verweis auf bestimmte Patentdokumente oder andere Veröffentlichungen in der vorausgehenden Erörterung ist nicht so zu verstehen, dass es sich bei den darin enthaltenen Offenbarungen um Allgemeinwissen in Australien oder anderswo handelt.
Diese Erfindung betrifft vorwiegend die Bereitstellung von Festkörper-Lasersystemen mit verbesserter Stabilität und Gleichmäßigkeit des Strahls, und mit einer längeren Haltbarkeit des Kristalls als sie bislang festgestellt wurde.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung versteht es sich, dass die eingangs erwähnten Schwierigkeiten zumindest teilweise dadurch überwunden werden können, dass alle Kristalle eines Satzes bei erhöhter Temperatur in einem Dauervakuum untergebracht werden, was eine zyklische Reabsorption von Wasserdampf durch die Kristalle verhindern soll.
Dementsprechend stellt die Erfindung gemäß einem Merkmal eine Vorrichtung zur Bewirkung einer Harmonischenumwandlung eines Laserstrahls mit vorbestimmter Frequenz bereit, um mehrere harmonische Komponenten des Laserstrahls mit von der vorbestimmten Frequenz abweichenden Frequenzen zu erzeugen. Dabei weist diese Vorrichtung folgendes auf:
Ein Gehäuse mit einer hermetisch verschlossenen Kammer, welche auf einem Druck unterhalb atmosphärischem Druck gehalten werden kann;
Öffnungen zum Evakuieren der Kammer;
Mittel, die einen Lichtweg für den Laserstrahl und dessen Komponenten durch das Gehäuse und die Kammer hindurch definieren; und
mehrere individuelle Halter, um die jeweiligen Frequenzumwandlungskristalle an beabstandeten Stellen in dem Lichtweg zu fixieren.
Vorzugsweise sind des weiteren Mittel zum individuellen Erwärmen eines jeden der Kristalle in der Kammer, Mittel zur Temperaturüberwachung eines jeden Kristalls, elektrische Verbindungsleitungen zum Verbinden der Heizmittel und der Überwachungsmittel mit dem Äußeren des Gehäuses, sowie eine hermetische Zugangsöffnung, über die die Verbindungsleitungen im Wesentlichen ohne Verringerung des Vakuums in der Kammer verlaufen, vorhanden.
Bei einer Ausführungsform sind die individuellen Halter für die Kristalle zur Feineinstellung der Ausrichtungen der jeweiligen Kristalle individuell drehbar ausgelegt.
Bei den Kristallen handelt es sich praktischerweise um nichtlineare optische (NLO) Kristalle und sie schließen üblicherweise einen oder mehrere CLBO-Kristall(e) ein.
Jeder dieser Halter weist vorzugsweise Mittel zum Festklemmen seines jeweiligen Kristalls in zumindest zwei Richtungen auf, wobei eine bevorzugt senkrecht zur optischen Ausrichtung und die andere im Wesentlichen koaxial oder zumindest parallel zur optischen Ausrichtung verläuft. Die Klemmvorrichtung ist vorteilhafterweise derart angeordnet, dass auf den Kristall wirkende Spannungen minimiert werden und vorzugsweise die Klemmkraft großflächig am Kristall verteilt wird.
Vorzugsweise sind drei Halter in einer Anordnung zur Bereitstellung von drei Kristallen zur Ableitung eines ultravioletten Strahls, mit beispielsweise ca. 213 nm, aus einem Infrarotstrahl vorhanden, welcher zur refraktiven Photoablation von biologischem Gewebe geeignet ist. Eine besonders wirkungsvolle Anordnung ist ein Lithium-Borat- (LBO) Kristall, dem zwei Cäsium-Lithium-Borat- (CLBO) Kristalle nachgeschaltet sind, bei der die Achse, um die herum die Dreheinstellung für den mittleren CLBO-Kristall erfolgt, orthogonal zu den anderen beiden Einstellungsachsen verläuft, und diese beiden Achsen orthogonal zur optischen Ausrichtung verlaufen. Selbstverständlich sind auch alternative Kristallanordnungen möglich und gemäß vorliegender Erfindung auch vorgesehen.
Bei dem Gehäuse handelt es sich vorzugsweise um ein doppelt-verschlossenes Gehäuse, das die Kammer mit den Kristallen sowie eine äußere Unterkammer enthält, wobei diese Kammern separat hermetisch verschlossen sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem System zur Erzeugung eines Laserstrahls enthalten sein, welches ein Lasermittel, vorzugsweise ein Festkörper-Lasermittel, zur Erzeugung des Laserstrahls enthält. Erforderlichenfalls kann eine Optik zur Richtung des erzeugten Laserstrahls auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen sein.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Teil eines Laserablationsgeräts bereitgestellt, beispielsweise einem Gerät für die refraktive Augenchirurgie durch Photoablation von Hornhaut- oder anderem Augengewebe.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es folgt nunmehr eine ausführlichere, jedoch lediglich beispielhafte Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Davon zeigen:
1 ein optisches Diagramm eines Systems zur Laserstrahlerzeugung für die Ophthalmologie, das eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet;
2 eine auseinandergezogene isometrische Darstellung der Kristallgehäusevorrichtung des in 1 dargestellten Systems zur Laserstrahlerzeugung, wobei es sich bei dieser Vorrichtung um eine Ausführungsform der Erfindung handelt;
3 eine Ansicht der Kristallgehäusevorrichtung im zusammengesetzten Zustand, bei der die Kristallhalter aus dem Gehäuse herausgezogen dargestellt sind;
4 eine auseinandergezogene Darstellung eines individuellen Kristallhalters mit seinen zugehörigen Strukturen; und
5 eine auseinandergezogene Darstellung der Halteranordnung zur Positionsfixierung eines jeden Kristalls.
Bevorzugte Ausführungsformen
1 zeigt ein optisches Diagramm für ein System 10 zur Erzeugung eines Laserstrahls zu ophthalmologischen Zwecken. Das System 10 enthält einen Festkörper-Laser 12, der einen Primärlaserstrahl 14 im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums abgibt. Dieser Primärlaserstrahl 14 wird über optische Elemente, in diesem Fall Spiegel 16, 17, entlang einer optischen Ausrichtung oder Achse 21 durch eine Reihe nichtlinearer optischer (NLO) Kristalle 20, 22, 24 geführt, aus denen ein Austrittsstrahl 18 mit mehreren Komponenten herauskommt. Dieser Strahl 18 umfasst den ursprünglichen Strahl 14 sowie mehrere, von den Kristallen 20, 22, 24 erzeugte Harmonische. Die gewünschte Harmonische wird mittels eines Prismas 30 oder einer dichroitischen Spiegelanordnung abgesondert.
In einer Anwendung zur refraktiven Augenchirurgie durch Photoablation wird der Strahl 26 durch ein Strahlzuführsystem 32 auf die Hornhaut 34 eines Auges 35 geleitet.
Die NLO-Kristalle 20, 22, 24 sind im Inneren eines Schutzgehäuses 40 einer Kristallgehäusevorrichtung 38 der in den 2 bis 5 gezeigten Form angeordnet, und Merkmale ihrer Umgebung werden von einer Steuerung 54 gesteuert. In diesem Fall betreibt die Steuerung 54 auch den Laser 12, wobei jedoch zu diesem Zweck auch eine separate Steuerung eingesetzt werden kann. Ein kleiner Teil 26a des Strahls 26 wird von einem Strahlteiler 86 zur Messung und Überwachung der Energie des Strahls 26 an einen Photodetektor 88, beispielsweise eine Photodiode, umgeleitet.
Ein besonders geeigneter Laser 12 ist ein gütegeschalteter Neodym:YAG-Laser, der einen 2-10 mm gepulsten Laserstrahl 14 einer Grundwellenlänge von 1064 nm erzeugt. Der Strahl 14 wird parallel gerichtet, was einen kollimierten, harmonisch erzeugten Strahl stromabwärts ergibt. Pulsenergien für die Grundwellenlänge liegen üblicherweise im Bereich zwischen 10 mJ und 30 mJ pro Puls bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung. Herkömmlicherweise sind weitaus höhere Energiewerte pro Puls, beispielsweise bis zu 1000 mJ, üblich. Es sind diverse andere Laserquellen geeignet, wobei jedoch bevorzugte Quellen Nd³⁺-dotierte Lasermedien wie Nd:YLF, Nd:Glas und Nd:YVO₄ sind.
Folgender Satz von Kristallen 20, 22, 24 ist besonders wirkungsvoll und praktisch: Kristall 20 ist ein LBO-Kristall, der eine Phasenanpassung Typ I oder II als Frequenzverdopplungseinheit zur Erzeugung eines frequenzverdoppelten Strahls 15 mit einer Wellenlänge von 532 nm der zweiten Harmonischen verwendet. Anstelle eines LBO-Kristalls kann der Kristall 20 alternativ auch ein KTP-, BBO-, KD*P-Kristall oder jedwede andere Art von geeigneten NLO-Kristallen sein. Bei den anderen beiden Kristallen 22, 24 handelt es sich vorzugsweise um CLBO-Kristalle, obwohl andere geeignete Kristalle unter anderem BBO- und KD*P-Kristalle sowie verwandte Kristallformen einschließen. Der Kristall 22 wandelt den frequenzverdoppelten Strahl 15 mit 532 nm unter Verwendung der Phasenanpassung Typ I in einen Strahl 23 einer Wellenlänge von 266 nm der vierten Harmonischen um. Im Kristall 24 werden die Strahlkomponenten 15 und 23 (mit der Grundwellenlänge bzw. der Wellenlänge der vierten Harmonischen) zur Erzeugung einer Laserstrahlkomponente 26 der Wellenlänge der fünften Harmonischen, also 213 nm, frequenzgemischt. Dies erfolgt mittels Summenfrequenzerzeugung, einer Interaktion der Phasenanpassung Typ I.
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 wird nunmehr die Kristallgehäusevorrichtung 38 ausführlich beschrieben.
Das Gehäuse 40 ruht auf einem Untersatz 41 und ist allgemein länglich mit größtenteils zylindrischen äußeren Erscheinungsbild, wobei es von einem Lasereintrittsfenster 36 an dem einen Ende zu einem Austrittsfenster 37 am anderen Ende verläuft. Die Mittellinie, welche die Fenster verbindet, definiert die optische Ausrichtung oder optische Achse 35 des Gehäuses. Das Eintrittsfenster 36 besteht aus einem beschichteten BK7- oder einem beschichteten Quarzglassubstrat, während das Austrittsfenster 37 aus einem unbeschichteten SUPRASIL- (Quarzglas) Substrat besteht, das bezüglich der optischen Achse 35 am Brewsterwinkel für einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 213 nm fixiert ist. Vom Austrittsfenster 37 reflektiertes Licht wird an einen (nicht dargestellten) Strahlauffänger abgelenkt.
Das Gehäuse 40 hat einen doppelt verschlossenen Aufbau, mit einem Innenkörper 42 und einem äußeren zylindrischen Körper 44. Dabei hat der Körper 44 ein offenes Ende und ist hohl, wodurch eine Außenkammer 45 entsteht, die gegenüber dem Äußeren hermetisch verschlossen ist und ihrerseits wiederum den inneren Gehäusekörper 42 in sich beherbergt. Der innere Gehäusekörper 42 weist eine an beiden Enden offene Durchgangsbohrung auf, wodurch eine Innenkammer 43 entsteht, welche gegenüber der Unterkammer 45 hermetisch verschlossen ist und ihrerseits die drei Kristalle 20, 22, 24 in sich beherbergt.
Der hermetische Verschluss der Innenkammer 43 erfolgt über entsprechende Endkappen 50, 52, die mit Fenstern 36, 37 ausgestattet sind und durch jeweilige Schraubensätze 54 an den Enden des Innenkörpers 42 befestigt sind, um in den Endkappen entsprechende optische Abschirmungselemente 56 (am Eintrittsende) und 58, 59 (am Austrittsende) mit passenden O-Ringen 60 festzuklemmen. Die beiden Endkappen 50, 52 werden in den Enden des äußeren Gehäusekörpers 44 aufgenommen und tragen zum hermetischen Verschluss der Enden der Außenkammer 45 weitere O-Ringe 62.
An der Endkappe 36 und der zylindrischen Oberfläche des äußeren Gehäusekörpers 44 in der Nähe eines Endes sind Vakuum-Schnellanschlusskupplungen 62, 64 vorgesehen, zum Anschluss an Vakuumleitungen zur Evakuierung der Kammern 43, 45. Der bevorzugte Druck in der Kammer 43 liegt unter 0,5 Atmosphären, vorzugsweise unter 0,1 Atmosphären. Üblicherweise kann die Vakuumpumpe durch Rückkopplung von einem (nicht dargestellten) Drucksensor in Kammer 43 angetrieben werden, um das Vakuum im gewünschten Bereich oder auf dem gewünschten Niveau zu halten.
Die Kristalle 20, 22, 24 sind in Haltern 70, 72, 74 gelagert, die auslegerartig von jeweiligen Fassungen 86 in die Kammer 43 hinein ragen, wobei die Fassungen 86 durch O-Ringe 116 hermetisch verschlossen in entsprechende Öffnungen 78 in passenden Sitzen 112 in den Seitenwänden des Außenkörpers 44 und in seiner Bodenwand 59 und in damit ausgerichteten Öffnungen 79 im Innenkörper 42 eingesetzt sind. Alle Halter-/Fassungseinheiten haben ähnlichen Aufbau und daher wird vorgeschlagen, nur einen davon, nämlich den Halter 74, ausführlich zu beschreiben, wobei insbesondere auf die 4 und 5 Bezug genommen wird.
Die Hauptstrukturkomponente von Halter 74 ist ein einstückiger, oben offener Zylinder 100 mit einem Boden 102 und scheibenförmigen Endwänden 104, 105. Eine Endwand 104 weist eine koaxial hervorstehende rohrförmige Leitung 103 auf, die durch ihre jeweilige Öffnung 79 und Öffnung 78 (2) verläuft, in der sie durch innere und äußere Aufsätze 106, 107 und Buchsen 108, 109 drehbar gelagert ist. Die O-Ring-Sätze 110, 111 dichten die Leitung 103 gegenüber den jeweiligen Aufsätzen hermetisch ab, wodurch das Vakuum in den Kammern 43, 45 aufrechterhalten wird. Die Führungsleitungen 103 sind zur Ausrichtung der Kristalle in ihren Buchsen drehbar.
Der Zylinder 100 wird von einer in einem Bund 136 an der Zylinderendwand 105 gehaltenen zylindrischen Schraubendruckfeder 135 an einem Bolzen 118, der an der Wand des Innenkörpers 42 angreift, gegen den inneren Ansatz 106 vorbelastet.
Der äußere Ansatz 107 wird durch Schrauben 114 in einem passenden Sitz 112 (3) im Außenkörper 44 in seiner Stellung festgeklemmt, wobei dieser Eingriff von einem in einer Nut 117 verlaufenden O-Ring 116 hermetisch abgedichtet wird.
Der Kristall 24 (5) passt in einen Hohlraum 25, der von einem U-förmigen Sitz 122 von allgemein rechteckiger Form auf einem Peltier-Heizelement 120 definiert wird. Das offene Ende des Hohlraums 25 ist mit einem Sitzplättchen 124 verschlossen, und die Seiten durch entsprechende keramische Abschirmungen 126a, 126b, welche wiederum an den Seitenflächen eines Druckstückkörpers 128 befestigt sind, welcher den U-förmigen Sitz 122 in sich aufnimmt und um diesen herum passt und durch Schrauben 129 an Endschultern 131 des Zylinders 100 befestigt ist. Die Kristallposition wird ohne mechanisches Festklemmen des Kristalls mittels einer zylindrischen Schraubendruckfeder 130 beibehalten, die in einer Öffnung 132 in dem Druckstückkörper 128 angeordnet ist und auf das Sitzplättchen 124 wirkt.
Die Peltier-Heizelement 120 sitzt bis zum Boden 102 hin sauber im Zylinder 100. Elektrische Leitungen für die Heizeinheit und für einen (nicht dargestellten) Thermostat, der am Kristall 24 angreift und dessen Temperatur misst, werden über eine Leitung 103, ein über eine Schnellanschlusskupplung 142 mit dem äußeren Ende der Leitung 103 gekoppeltes Vakuumrohr 140 und einen Dichtungskörper 144 an das Äußere des Gehäuses geführt (3).
Die drei Vakuumdichtungskörper 144 für die jeweiligen Kristallhalter sind Seite an Seite an einer Befestigungsplatte 146 am Äußeren des äußeren Gehäusekörpers 44 angebracht. Jeder Dichtungskörper 144 ist ein rechteckiges Kästchen. Ein Vakuumrohr 140 ist an seinem einen Ende dichtend an einer Öffnung 148 (4) befestigt, und ein Dichtungsstöpsel 150 wird von einer Dichtungskappe 152 in einer (in 4 nicht sichtbaren) Öffnung am anderen Ende gehalten.
Für eine optimale Leistung und Betriebsdauer der Kristalle wird ein aus drei Kristallen bestehender Satz erstellt, geliefert und innerhalb des Gehäuses 40 als hermetisch verschlossene evakuierte Packgruppe gehalten. Im Idealfall liegt jederzeit ein Vakuum an den Kupplungen 62, 64 an, wobei jedoch der doppelt verschlossene Aufbau und die zur Abdichtung aller möglichen Leckwege angewandte Sorgfalt die Aufrechterhaltung eines bevorzugten Vakuums in der Kammer 43 über längere Zeitperioden hinweg, selbst ohne angelegte Vakuumquelle, ermöglichen.
Vorzugsweise werden die Kristalle durch Betrieb von Pettier-Heizelementen 120 auch genau in ausgewählten Temperaturbereichen gehalten, und die zugehörigen Thermostate überwacht.
Dabei sind folgende Kristalltemperaturen bevorzugt:

LBO-Kristall 20: 40°C

CLBO-Kristalle 22, 24: 130°C
Diese Temperaturen werden vorzugsweise auf Γ 0,2°C gehalten. Man geht davon aus, dass das Aufrechterhalten eines Vakuums in Kammer 43, vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,5 Atmosphären, die Wasserdampfreabsorption durch die NLO-Kristalle verhindert oder minimiert. Es wird angenommen, dass dies den zyklischen Prozess verringert, der bislang zu einer Degradation der Leistung und der Nutzungsdauer von NLO-Kristallen geführt hat, oder zumindest die negativen Auswirkungen dieses zyklischen Prozesses mindert. Diese genaue Beibehaltung der Temperatur ist besonders wichtig für den LBO-Kristall, der auf einer äußerst stabilen, voreingestellten Temperatur gehalten werden muss, um die Ausrichtung beizubehalten.
Es wird des weiteren angenommen, dass diese Verbesserung dadurch weiter verstärkt wird, dass die drei NLO-Kristalle, in diesem Fall der eine LBO- und die zwei BBO-Kristalle, in einer einzigen evakuierten Kammer untergebracht sind, d.h. in einer einheitlichen evakuierten Umgebung und nicht in diskreten Gehäuseeinheiten mit jeweils nur einem Kristall. Ist nur eine Kammer vorhanden, so erleichtert dies die Ausrichtung und vereinfacht die Bereitstellung eines Vakuums. Die langfristige Einheitlichkeit der Kristalltemperaturen mit minimalem Vakuum trägt des weiteren zu einem günstigen Ergebnis bei.
Ein weiterer Vorteil einer einzigen Kammer besteht in der Eliminierung von Fenstern zwischen den Kristallen: diese Fenster würden zu erheblichen Verlusten führen, und zwar bis zu 50 % insgesamt. Eine optimale relative Kristallausrichtung wird in entweder automatischer oder manueller Rückkopplung eingestellt, um ein Spitzensignal für die gewünschte Harmonische am stromabwärts angeordneten Offline-Photodetektor 88 zu erzeugen, welches dann an die Steuerung 54 geleitet wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Vorrichtung zur Bewirkung einer Harmonischenumwandlung eines Laserstrahls vorbestimmter Frequenz zur Bereitstellung mehrerer harmonischer Komponenten des Laserstrahls mit von der vorbestimmten Frequenz abweichenden Frequenzen weist ein Gehäuse (40) auf, das eine hermetisch verschlossene Kammer definiert, die auf einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks gehalten werden kann. Ebenfalls bereitgestellt werden Öffnungsmittel zum Evakuieren der Kammer, sowie Mittel (36, 37), die einen Lichtweg für den Laserstrahl und dessen Komponenten durch das Gehäuse und die Kammer hindurch definieren. Eine Vielzahl individueller Halter (20, 22, 24) ist derart angeordnet, dass sie jeweilige Frequenzumwandlungskristalle an beabstandeten Stellen im Lichtweg fixieren. Die Kristalle (20, 22, 24) können innerhalb der Kammer individuell ausgerichtet und erwärmt werden.

Claims

Vorrichtung zur Bewirkung einer Harmonischenumwandlung eines Laserstrahls vorbestimmter Frequenz zur Bereitstellung mehrerer harmonischer Komponenten des Laserstrahls mit von der vorbestimmten Frequenz abweichenden Frequenzen, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: ein Gehäuse, das eine hermetisch verschlossene Kammer definiert, die auf einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks gehalten werden kann; Öffnungsmittel zum Evakuieren der Kammer; Mittel, die einen Lichtweg für den Laserstrahl und dessen Komponenten durch das Gehäuse und die Kammer hindurch definieren; und mehrere individuelle Halter zum Fixieren jeweiliger Frequenzumwandlungskristalle an beabstandeten Stellen im Lichtweg.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Mittel zum individuellen Heizen eines jeden Kristalls in der Kammer, Mittel zum Überwachen der Temperatur eines jeden Kristalls, elektrische Verbindungsleitungen zum Verbinden der Heizmittel und Überwachungsmittel mit dem Äußeren des Gehäuses, und hermetische Zugangsöffnungen, durch die hindurch die Verbindungsleitungen im Wesentlichen ohne Verringerung des Vakuums in der Kammer verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Halter für die Kristalle zur Feineinstellung der Ausrichtungen der jeweiligen Kristalle individuell drehbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, des weiteren umfassend nichtlineare optische (NLO) Kristalle in den jeweiligen individuellen Haltern.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die NLO-Kristalle einen oder mehrere Cäsium-Lithium-Borat- (CLBO) Kristalle) einschließen.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Halter Mittel zum Festklemmen seines jeweiligen Kristalls in mindestens zwei Richtungen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Richtungen eine erste Richtung umfassen, die senkrecht zur optischen Ausrichtung ist, und eine zweite Richtung, die im Wesentlichen koaxial oder zumindest parallel zur optischen Ausrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmmittel für jeden Kristall derart angeordnet ist, dass die auf den jeweiligen Kristall einwirkenden Spannungen vermindert werden und die Klemmkraft großflächig am Kristall verteilt wird.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei der individuellen Halter in einer Anordnung zum Bereitstellen von drei der Kristalle vorhanden sind, um aus einem Infrarotstrahl einen ultravioletten Strahl abzuleiten, welcher zur refraktiven Photoablation von biologischem Gewebe geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese drei Kristalle einen Lithium-Borat- (LBO) Kristall, gefolgt von zwei Cäsium-Lithium-Borat- (CLBO) Kristallen, umfassen, wobei die Achse, um die herum die Dreheinstellung für den mittleren CLBO-Kristall erfolgt, bezüglich der anderen beiden Einstellungsachsen orthogonal verläuft, und diese beiden Achsen orthogonal zur optischen Ausrichtung verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des ultravioletten Strahls 213 nm beträgt.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein doppelt verschlossenes Gehäuse ist, das die Kammer mit den Kristallen sowie eine äußere Unterkammer aufweist, wobei die Kammer und die Unterkammer separat hermetisch verschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, des weiteren enthaltend eine Vakuumpumpe, um den Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks zu halten, welche von einer Rückkopplung von einem Drucksensor in dieser Kammer angetrieben wird.
System zur Laserstrahlerzeugung, umfassend eine Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Laserstrahlerzeugung, und eine Optik zur Lenkung des erzeugten Laserstrahls an die Vorrichtung.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermittel ein Festkörper-Lasererzeugungsmittel umfasst.
Laserablationsvorrichtung mit einem System zur Laserstrahlerzeugung nach Anspruch 14 oder 15.
Laserablationsvorrichtung nach Anspruch 16, konfiguriert als Vorrichtung für die refraktive Augenchirurgie durch Photoablation von Hornhaut- oder anderem Augengewebe.