DE1903946A1 - Festkoerperlaser mit verbesserter Pumpflaeche und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

* τ γ Γ- ^ ^ * " ^Λ·ν Λ L T E 7 Stuttgart 1, den 27. Jan. 1969

DK*-]\C: 'ν.'·'· ·'-■'.''-'■ V -/.VILS, Lange Strafte 51 .

Z .STUTTCa;..-· , :' ^ ·■ - λ _{R Nr> 121 ?62}

Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika

Pestkörperlaser mit verbesserter Pumpfläche und-Verfahren

zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Pestkörperlaser, dessen Pumpfläche durch Aufrauhen Vorsprünge und Einkerbungen aufweist.

Der Ausdruck "laser" ist ein Kurzwort für "light amplification by stimulated emission of radiation". Laser werden auch als optische Maser bezeichnet und arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die Maser, das auf den Bereich des sichtbaren Lichts ausgedehnt wurde. Allgemein gesprochen können Laser als Geräte bezeichnet werden, die durch induzierte Emission einen kohärenten monochromatischen Lichtstrahl im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich des elektromagnetic-chen V/ellenspektrums -erzeugen.

Die wirksamen Elemente eines Festkörperlasers bestehen üblicherweise aus anregbaren Ionen,,die homogen in einem Trägerkörper eingebaut sind, der zu einem optischen Hohl-

909832/1247

BAD ORIGINAL ·

raum gestaltet ist, v/elcher aurch reflektierende Endflächen senkrecht zur optischen Achse abgegrenzt ist. Der Tracerwerkstoff besteht üblicherweise aus Glas oder aus kristallinem Material, insbesondere aus Einkristallen. In den anregbaren Ionen werden die Elektronen durch Pumpstrahlung genannte äußere Energiezufuhr auf ein Niveau höherer Energie angehoben.¹ Diese Pumpstrahlung v/ird gewöhnlich über die Seitenflächen des optischen Hohlraums zugeführt, bei überbesetzung des Zustandes höherer Energie der Elektronen gegenüber einen* Zustand geringerer Energie, 3esetzungsumkehr genannt, v/ird durch weitere Pumpstrahlung eine Emission induziert, die ihrerseits wieder· im V/echsel andere Ionen anregt, so daß lawinenartig .eine Lichtverstärkung eintritt ,· Wenn das in einem optischen Hohlraum mit reflektierenden planparallelen Endflächen geschieht, dann wird die auf die Endflächen senkrecht auftreffende Strahlung oftmals parallel zur optischen Achse hin und her reflektiert, .Jährend diese Strahlung das aktive Medium durchquert, dem immer noch Pumpstrahlung zugeführt wird, gehen von den energiereicheren Ionen weiterhin induzierte Emissionen aus. Auf diese .'/eise nimmt in dem Medium die Lichtverstärkung sehr große Werte an.

Die Lichtquanten, die durch induzierte Emission entstehen, sind richtungs- und phasengleich mit denjenigen, die sie induzieren, so daß die Strahlung parall zur Achse des optischen Hohlraums kohärent ist. Ein Teil dieser sehr starken Strahlung, wird.durch einen der reflektierenden Endflächen hindurchgelaßsen und erscheint als Laserstrahl, Das Auftreten einer gleichphasigen, parallel zur Achse im optischen Hohlraum hin- und hergehenden Bewegung der Lichtquanten entspricht dein Aufbau einer stehenden elektromagnetischen Welle zwischen den beiden reflektierenden Endflä-

909832/12Λ7

⁸*° ORIGINAL

chen des Hohlraums. Stehende Wellen können in.optischen Hohlräumen der unterschiedlichsten Bauart erzeugt werden, Ar» häufigsten erhalten Laser eine zylindrische Gestalt 'mit parallelen reflektierenden Endflächen, Die vorliegende Erfindung betrifft alle Festkörperlaser ohne Rücksicht auf ihre Bauart und der beschriebene zylindrische Stab ist nur als öeispiel zu verstehen,'

Der verwertbare Anteil der induzierten Emission ist parallel zur Achse des'optischen Hohlraumes ausgerichtet. Sin gro'aer Anteil der Strahlung verläuft jedoch schrärr zur Achse und trägt nicht zur Ausgangsleistung des Lasers be,i.. Sine solche schräge Strahlung verringert den Jirkungsgraa eines Lasers, weil sie die Temperatur des Lasers erhöht und die · Zahl der angeregt en. Ionen erniedrigt. Da der größte Teil der schrägen Strahlung auf die Seitenflächen des optischen Hohlraums und nicht auf die reflektierenden Endflächen auftrifft, ist es wünschenswert, daß dieser Teil nicht in den Hohlraum zurückgeworfen wird. Demzufolge wurden Versuche angestellt, um die innere Totalreflexion dieser Strahlung an den die Pumpflächen bildenden Seitenflächen der Festkörperlaser zu verringern.

Sine bekannte Möglichkeit, die Totalreflexion der Seitenflächen zu verringern, besteht; darin, den wirksamen Kern des Laserstabes mit einem Stoff zu umgeben, der bei der Frequenz des Lasers Strahlung-absorbiert. Solche Stäbe müssen entweder mit einem festen, Strahlungsabsorbierenden Stoff- verkleidet .werden oder'es müssen geeignete Vorrichtungen vorgesehen werden, mi-t deren Hilfe eine absorbierende Flüssigkeit in ständiger Berührung mit dem Laserstab gehalten wird. Jedes dieser Verfahren erhöht jedoch-die Kosten eines Lasers, . . ,

909832/1247

BAD ORIGINAL

Es ist noch ein anderes Verfahren bekannt, das die Totalreflexion an den Seitenflächen des Laserstabes verringert und das darin besteht, daß man diese Flächen dadurch optisch diffus macht, daß man sie z. B, durch Schleifen aufrauht, d. h. auf der Oberfläche Vorsprünge und Einkerbungen erzeugt. Strahlung, die auf eine optisch dl ffuse Fläche auftrifft, wird von ihr gestreut, statt in den optischen Hohlraum zurückgeworfen zu werden. Das Ergebnis ist eine höhere Ausgangsleistung bei geringerer Aufweitung des Laserstrahls. Solche Laserstäbe arbeiten bei 'geringerer Pumpleistung ganz zufriedenstellend«, Bei hoher Pumpleistung zeigt sich Jedoch auf der aufgerauhten Oberfläche eine weißliche krustige Erscheinung, welcne die Pumpstrahlung " am Eintreten in den Laserstab hindert» Eine solche Ver- ■ schlechterung ist z. B, bei einem Laserstab aufgetreten, der 91**,4 mm (36 Zoll) lang war und einen Durchmesser'von 19,05 mm ζ3/Ai Zoll) hatte, und der 20 Minuten lang mit einer Pump-Eingangsleistung von -36 000 Joule betrieben wurde ujid dabei Laserimpulse mit einer Dauer von 1/2000 Sekunde bei einer Impulsfrequenz von 1- Impuls all© 2 Minuten abgab ₉

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, einen Pestkörperlaser zu schaffen, der in geringere^ Maße.dazu neigt, von innen auftreffende Strählung zurückzuwerfen und von außen kommende Pumpstrahlung"am Eintreten in den Laserstab zu hindern.

Der Erfinder hat erkannt, daß die weißliche krustige Erscheinung, die. bei hoher Pumpleistung auf der aufgerauhten Pumpfläche herkömmlicher Läserstäbe entstanden war, darauf zurückzuführen ist, daß sieh auf oder, dicht unterhalb der Oberfläche Bläschen bilden* Es 1st anzunehmen_a daß öie Blasschen dadurch entstehen, daß die ssharfen Spitzen, dl« bei

909832/1247

; BAD ORiGiNAL

- 5¹-

. der herkömmlichen Art des Aufrauhens der Oberfläche zurückbleiben, kurzzeitig schmelzen und wieder abkühlen, weil das Verhältnis zwischen der Oberfläche und dem eingeschlossenen Volumen 4tr Vorsprünge der Laseroberfläche sehr groß ist» Die Größe und die Anzahl der Bläschen ruft die weißliche krustige Erscheinung hervor, die die in den Laseritab eintretende Lichtmenge verringert und die dadurch, den Wirkungsgrad des Lasers verkleinert,

Die Aufgabe ist bei Festkörperlasern der, ,eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vorsprünge i der aufgerauhten Pumpfläche abgeflacht sind» Durch die verbleibenden Sinkerbungen der aufgerauhten Pumpfläche ist sie für die von innen schräg Auftreffende Strahlung in dem er-. wünschten Mäße.optisch diffus, so daß diese Strahlung in möglichst geringem tfaße zurückgeworfen wird. Andererseits wird durch das Abflachen der beim Aufrauhen.entstandenen Vorsprünge die Gefahr vermieden, daß diese infolge eines' ungünstigen Verhältnisses Zwischen Oberfläche und eingeschlossenem Volumen bei einer hohen Pumpleistung angeschmolzen werden und dadurch eine Bläschenschicht entsteht, die die Durchlässigkeit der Pürapfiäche für die einzustrahlende Energie verringert. ·

Der Erfindung liegt weiterhin.die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren -aufzuzeigen, durch das Pestkörperlaser mit den vorerwähnten Eigenschaften hergestellt werden können. Diese Aufgabe-wird bei einem Pestkörper mit aufgerauhter Pumpflache nach der Erfindung dadurc-h gelöst, daß man die Spitzen der Vorsprünge de.r aufgerauhten Pump fläche entfernt;, z_eß. dadurch, daß man die Pumpfläche von Festkörperlasern in bekannter Weise durch Schleifen mit einem Schleifmittel aufrauht und anschließend ,die durch das Schleifen aufgerauhte Pumpfläche poliert..

. 909832/1247

, BAD ORIGINAL

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles im einzelnen erläutert· Es zeigen;

Fig, I . einen Längsschnitt durch einen Laserstab .rait zylindrischem Querschnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 3 und 4 photographische Aufnahmen von Oberflächenausschnitten eines' 'Laserstabes herkömmlicher Art bzw. eines Ausführungsbeispieles eines Laserstabes., gemäß der Erfindung in 400-fächer¹Vergrößerung,

In Fig· 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Laserstabes 1 als wirksamer Teil eines Festkörperlasers dargestellt . Er besteht aus einem Trägerwerkstoff, z, B, aus Glas oder aus einen Kristall, in den anregbare Ionen mit den für Laser erforderlichen Eigenschaften eingebaut sind. Der Stab ist für das eingestrahlte Licht bestimmter Wellenlänge durchlässig« In den anregbaren Ionen werden die Elektronen durch eine äußere, nicht dargestellte, Energiequelle vom Grundzustand auf ein höheres, metastabiles Energie- niveau angehoben'. Der Energieunt'erschied beider Zustande ist gleich der Quantenenergie.' des eingestrahlten Lichtes bei der betreffenden Wellenlänge, Der Laserstab 1 dieses Ausführungsbeispieles ist von zylindrischer Gestalt mit einer Längsachse X-X.' Er hat eine zylindrische Außenfläche und reflektierende Endflächen 3 und 4, die vorzugsweise eben, parallel sowie senkrecht zur Achse X-X sind. Die Endflächen begrenzen einen' optischen Hohlraum, in dem lawinenartig anwachsend die induzierte Strahlung entsteht» Di© Punpstrah-

909832/1247

BAD ORIGINAL

lung, durch Pfeil 5 angedeutet, wird auf die zylindrische Seltenfläche 2 gerichtet« Sie bewirk't die 3esetzungsumkehr und löst die induzierte Emission aus. Diese strahlt in alle Richtungen des Stabes, wobei sie weitere induzierte Strahlung auslöst, und trifft a.uch'auf alle Außenflächen des Laserstabes. Die parallel zur Zylinderachse verlaufende Strahlung wird wiederholt an den Endflächen 3 und 4 zurück^ Geworfen bis eine stehende Welle hoher Energie entstanden ist.

Die zylindrische Seitenfläche 2 weist zwar Vorsprünge und Sinkerbungen auf, ist .aber verhältnismäßig gljatt, weil die Vorsprünge abgeflacht sinü_} wie das" in Flg. 2 deutlich gegeigt ist, Dadurch ist sie optisch diffus und läßt auftre£ fende Strahlung aus dem Stab austreten statt sie infolge Totalreflexion nieder naah innen zurückzuwerfen. Den optisch diffussn Obe^fiäehenzusfcand der Fläche 2 erzeugt man dadurch, daß man die Pläche beispielsweise mit in Wasser aufgeschlemmtem Schmirgelsand ih?_a 220 schleift und dadurch ■ aufrauht und anschließend die Spit ssen der durch das Aufrauhen entstandenen Vorsprünge wegpoliert, so daß eine Oberfläche entsteht, die neben glatten Flächenanteilen im wesentliehen.Einkerbungen aufweist. Die Polierstufe kann vervollkommnet werden,'wenn man den Stab noch mit einer Filzpolierscheibe behandelt und dazu in Wasser aufgeschlemmfces Ceroxyd verwendet». _;

In Fig, 3 ist die Photograph!« einer 400-fachen Vergrößerung der aufgerauhten Oberfläohe eines Laserstabes herkömmlicher Art aussehnittsweise wiedergegeben. Die Oberflächenunrege,lmääigkeiten sind dicht, verteilt und. weisen Vorsprünge und Einkerbungen auf, Eirte solche Fläche ist optisch diffus und verringert die Totalreflexion. Es hat sich aber heraus-

- ■ ■

ι ' ι

909832/1247

gestellt, daß sich auf ihr' eine weißliche, krustige Erscheinung bemerkbar macht, wenn eine Pumpstrahlung von 36 000' Joule 20 Minuten lang alle' zwei iMinuten einen Laserimpuls von 1/2000 Sekunde Dauer erzeugt.

Pig, 4 gibt die Photographie einer 400-fachen Vergrößerung der Oberfläche eines Lasers- gemäß der Erfindung wieder. Diese Oberfläche ist zuerst mit einem Schleifmittel aufgerauht worden, so daß Oberflächenunregelmäßigkeiten ähnlich denen in Fig. 3 -entstanden sind. Dann ist sie poliert worden, um die Spitzen der'durch das Aufrauhen entstandenen Vorsprünge abzuflachen; Im Endergebnis 1st durch das Polieren die Anzahl der Oberflächenuftregelmäßigkeiten auf · der Oberfläche verringert worden und diese Unregelmäßigkeit, ten haben im wesentlichen die Form von Einkerbungen.

Es hat sich herausgestellt, daß das Polieren der aufgerauhten Pumpfläche eines Laserstabes weder den ursprünglichen' Wirkungsgrad de3 Stabes verkleinert noch die Aufweitung des ausgesandten Laserstrahles'vergrößert. Auf der Pumpflache von Lasern gemäß der Erfindung entstand keine weißliche Kruste, wie das bei entsprechender Pumplelstung bei Lasern der herkömmlichen Art mit Pumpflä,chen nach Pig, 3 eintrat.

909832/1247 ' bad original

Claims (3)

Pat ent anspr'üc'h'e

1. Festkörperlaser, dessen-Purapflache durch Aufrauhen Vorsprünge und Einkerbungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (2) abgeflacht sind..

2. Verfahren zum Herstellen eines Festkörperlasers mit auf-

* ä

gerauhter Pumpflache nach Anspruch 1,'dadurch gekenn- \

zeichnet, daß man die Spitzen der Vorsprünge der aufgerauhten Pumpf lache· entfernt. _ ^; ·

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ' man die aufgerauhte Pumpfläche poliert.

909832/1247