DE19507625A1 - Festkörper-Laser - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festkörper-Laser, der
vorzugsweise über mindestens einen Halbleiter-Laser optisch
gepumpt wird.
Beispielsweise aus der US 4,884,281 ist ein endgepumpter
Festkörper-Laser bekannt, bei dem als Pumpstrahlungsquelle ein
oder mehrere Halbleiter-Laser bzw. Laser-Dioden verwendet
werden. Ein solcher Festkörper-Laser zeichnet sich insbesondere
durch einen hohen Wirkungsgrad aus, da durch die geeignete Wahl
von entsprechend emittierenden Pumpstrahlungsquellen eine
effiziente optische Anregung des Lasermediums möglich ist.
Derart aufgebaute Festkörper-Laser erlangen zunehmend Bedeutung
in Bereichen, wo eine stabile Laseremission, ein gutes
transversales Strahlprofil sowie eine Möglichkeit zur
longitudinalen Modenselektion gefragt sind. Hierunter fallen
diverse medizinische Anwendungen, beispielsweise in der
Ophthalmologie.
Aus der o.g. US-Patentschrift ist desweiteren bekannt, im
Laserresonator einen optisch nichtlinearen Kristall anzuordnen,
der als Frequenzvervielfacher-Element dient. Damit ist es
möglich, die Fundamentalwellenlänge des jeweiligen Lasermediums
zu halbieren, dritteln etc. Beispielsweise kann mit Hilfe
eines KTP-Kristalles die Fundamentalwellenlänge 1,064 µm eines
Nd:YAG-Lasermediums halbiert werden, so daß dann
Ausgangsstrahlung im grünen Spektralbereich bei 532 nm
resultiert.
Je höher nunmehr die gewünschten Leistungen eines derartigen
Festkörper-Lasers liegen, desto größere Probleme ergeben sich
aufgrund thermischer Effekte im Lasermedium. Hierunter fällt
u. a. die Ausbildung sogenannter "Thermischer Linsen" im
stabförmigen Lasermedium mit den entsprechenden, negativen
Folgen für die Effizienz und die Strahlqualität des
Gesamtsystems. Großer Aufwand wird deshalb auf die Kühlung
einer derartigen Anordnung gelegt. So ist etwa aus der
WO 92/09127 bekannt, das Lasermedium eines diodengepumpten
Festkörper-Lasers unmittelbar mit einer Kühlvorrichtung zu
versehen. Als nachteilig an der vorgeschlagenen Anordnung
erweist sich jedoch, daß damit nur relativ dünne Substrate
gekühlt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten
Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Wünschenswert
ist ein endgepumpter Festkörper-Laser hoher Leistung bzw. hoher
Effizienz. Zusätzlich sollte optional die Möglichkeit zur
effizienten Frequenz-Vervielfachung gegeben sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Festkörper-Laser mit den
Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Festkörper-La
sers ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist nunmehr innerhalb des Festkörper-Lasers ein
optisches Element vorgesehen, das eine Doppelfunktion erfüllt.
Zum einen steht das optische Element in thermischem Kontakt mit
einem Kühlelement und gewährleistet deshalb auf der Einkoppel
seite eine zusätzliche Wärmeabfuhr aus dem stabförmigen Laser
medium, das in thermischem Kontakt mit dem optischen Element
steht. Zur Kühlung des optischen Elementes sind hierbei eine
Reihe von Kühl-Konfigurationen realisierbar.
Desweiteren ist das gekühlte optische Element optisch so
dimensioniert, daß innerhalb des Laser-Resonators ein minimaler
Durchmesser des sich ausbildenden transversalen Modenprofiles
resultiert. Dies bedeutet, daß das in einer longitudinalen
Konfiguration zum stabförmigen Lasermedium angeordnete optische
Element auch als Endspiegel für den jeweiligen Laser-Resonator
dient.
Insgesamt ergibt sich somit ein einfacher Aufbau mit nur
wenigen Einzel-Elementen im Resonator des erfindungsgemäßen
Festkörper-Lasers. Es entfallen aufwendige Justierarbeiten
etc. Daneben resultiert eine Reduzierung der üblicherweise
auftretenden thermischen Probleme im Lasermedium.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen
Festkörper-Lasers ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden
Figur.
Diese zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festkörper-Lasers.
Der erfindungsgemäße Festkörper-Laser umfaßt hierbei ein
stabförmiges Lasermedium (1) mit planen Endflächen (1.1, 1.2).
Als Lasermedium dient im dargestellten Ausführungsbeispiel mit
Nd-Ionen dotiertes YAG (Yttrium-Aluminium-Granat). Die gewählte
Stablänge beträgt ca. 10 mm, der Stabdurchmesser ca. 3 mm.
Der Resonator des erfindungsgemäßen Festkörper-Lasers wird
durch einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel (3) sowie einen
hochreflektierenden Endspiegel (2.1) gebildet, der in einem
optischen Element (2) integriert ist. Das optische Element (2)
wiederum ist unmittelbar benachbart zu einer Endfläche (1.1)
des stabförmigen Lasermediums (1) angeordnet. Mit dem
stabförmigen Lasermedium (1) steht das optische Element (2)
hierbei in thermischem Kontakt. Im dargestellten Ausführungs
beispiel sind das optische Element (2), ausgeführt als Linse,
und das stabförmige Lasermedium (1) über einen geeigneten Kitt
miteinander verbunden. Alternativ wäre es auch möglich, eine
Immersionsflüssigkeit zwischen der Linse (2) und dem stab
förmigen Lasermedium (1) vorzusehen. Desweiteren kann die Linse
(2) an das stabförmige Lasermedium (1) auch angesprengt werden.
Insbesondere im Fall des Ansprengens der Linse (2) an das
Lasermedium (1) läßt sich ein relativ geringer Brechungsindex-Sprung
zwischen den verwendeten Materialien realisieren.
Werden hingegen die beiden erstgenannten Möglichkeiten zur
Anordnung von Linse und Lasermedium (1) verwendet, so ist eine
sogenannte Kittreflex-Entspiegelung erforderlich. Je nach
verwendeter Kombination aus Lasermedium (1) und Linsenmaterial
muß eine entsprechende Antireflex-Schicht auf eine oder aber
auf beide Grenzflächen aufgebracht werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit der aufgesprengten
Linse dient in Verbindung mit dem Nd:YAG-Stab als Linsen
material SF6 oder aber SFL 6. Derartige Gläser sind unter
diesen Handelsnamen z. B. von der Fa. Schott Glaswerke Mainz
erhältlich.
Als Pumpstrahlungsquelle (6) zur optischen Anregung des
erfindungsgemäßen Festkörper-Lasers ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel ein bekanntes Laserdioden-Array vorgesehen,
das eine Pumpleistung von etwa 10-15 W bei einer Pump-Wellen
länge von 807 nm liefert. Derartige Laserdioden-Arrays sind
z. B. von der Firma SDL (Spectra Diode Labs) in großer Vielfalt
erhältlich.
Je nach erforderlicher Ausgangsleistung des Festkörper-Lasers
können aber auch mehr oder weniger leistungsstarke Halbleiter-
Laser-Konfigurationen als Pumpstrahlungsquelle(n) zum Einsatz
kommen.
Dem Laserdioden-Array (7) des dargestellten Ausführungs
beispieles vorgeordnet ist eine Strahlformungs-Optik (7), die
im wesentlichen die divergent emittierte Pumpstrahlung
kollimiert, bevor diese über das optische Element (2) auf das
anzuregende Lasermedium (1) gelangt.
Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel mit direkter
Übertragung der Pumpstrahlung, kann die Pumpstrahlung auch über
eine geeignete Faseroptik zur Einkopplung in das Lasermedium
übertragen werden, d. h. zwischen Pumpstrahlungsquelle und
Strahlformungs-Optik wäre in einer solchen Ausführungsform dann
eine entsprechende Faseroptik anzuordnen.
Das optische Element (2) in Form einer Linse ist zusammen mit
dem stabförmigen Lasermedium (1) in einer - schematisiert
angedeuteten - Fassung (4) gelagert. Die Fassung (4) dient
hierbei als Kühlelement, über das eine Wärmeabfuhr aus dem
Lasermedium (1) möglich ist. Die Wärmeabfuhr erfolgt somit
sowohl über die Oberfläche des Lasermediums (1) als auch über
die Linse (2) in Richtung der Fassung (4). Die Fassung (4)
wiederum dient im dargestellten Ausführungsbeispiel als
passives Kühlelement mit einer großen Oberfläche, über die die
resultierende Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Als
Material für die Fassung (4) eignet sich hierbei etwa
beispielsweise Kupfer oder ein anderes Material mit hoher
Wärmeleitfähigkeit.
Neben einer rein passiven Ausführung des Kühlelementes wie
beschrieben, ist es ferner möglich, das Kühlelement, d. h. im
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Fassung (4) des Laserstabes
(1) und der Linse (2), aktiv temperaturmäßig zu stabilisieren.
Dies kann etwa mit Hilfe eines bekannten Peltier-Elementes
erfolgen, das in thermischem Kontakt zum Kühlelement angeordnet
wird. Über eine entsprechende Temperatursteuerung des Peltier-Ele
mentes läßt sich das Kühlelement derart stets auf einer
konstanten, definierten Temperatur halten etc.
Der Aufwand der erforderlichen Kühlung ist jeweils abhängig von
der gewünschten Ausgangs-Leistung des erfindungsgemäßen
Festkörper-Lasers.
Neben der zusätzlichen Wärmeabfuhr gewährleistet das optische
Element (2) bzw. die Linse eine weitere wichtige Funktion
innerhalb des erfindungsgemäßen Festkörper-Lasers. So ist die
gekrümmte Außenfläche (2.1) der Linse (2), die als Resonator-End
spiegel dient, optisch derart dimensioniert, daß innerhalb
des Resonators eine Einschnürung des sich ausbildenden
transversalen Modenprofils resultiert. Dies ist durch eine
entsprechende Formgebung der Außenfläche (2.1) der Linse in
asphärischer oder sphärischer Form möglich.
Zur Realisierung des gewünschten transversalen Modenprofiles
innerhalb des Resonators ist bei der entsprechenden
Dimensionierung desweiteren selbstverständlich auch der
Krümmungsradius dem Auskoppelspiegels (3) sowie die
Resonatorlänge zu berücksichtigen.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Festkörper-Lasers mit einer Länge des stabförmigen Lasermediums
(1) von 10 mm und einem Durchmesser von 3 mm weist der
Krümmungsradius (R₂) der Linse (2) einen Wert von R₂ = 200 mm
auf. Der Krümmungsradius des Auskoppelspiegels (3) beträgt
hierbei R₃ = 60 mm, die Gesamt-Resonatorlänge 128 mm.
Als weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus
ergibt sich somit die Möglichkeit, die Linse mit einem
Durchmesser von etwa 5-10 mm relativ problemlos in bekannter
Art und Weise bearbeiten zu können, damit die gewünschte
optische Wirkung erreicht wird. Im Fall der entsprechend
erforderlichen Dimensionierung der kleinen Stabendfläche (1.1)
ergäben sich zusätzliche fertigungstechnische Schwierigkeiten
bei der Anpassung. Die Verwendung kommerziell erhältlicher
Laserstäbe mit planen Endflächen ist somit problemlos möglich.
Die als Resonator-Endspiegel dienende Linsenfläche (2.1) ist
für die Fundamentalwellenlänge des Lasers hochreflektierend
beschichtet, d. h. im dargestellten Ausführungsbeispiel
hochreflektierend für die Wellenlänge 1064 µm. Für die
Pumpstrahlung von 807 nm wiederum ist die Linse (2) möglichst
geringreflektierend ausgelegt, um einen hohen Transmissionsgrad
durch dieses Element zu gewährleisten.
Im Resonator des erfindungsgemäßen Festkörper-Lasers ist im
dargestellten Ausführungsbeispiel desweiteren an der Stelle der
maximalen Einschnürung des Modenprofiles ein Frequenzverviel
facher-Element (5) angeordnet. Hierfür kommt ein optisch nicht
linearer Kristall wie etwa KTP oder LBO in Betracht. Im Fall
des Nd:YAG-Lasermediums gewährleistet das Frequenzverviel
facher-Element (5) eine Halbierung der Fundamental-Wellenlänge
von 1,064 µm, d. h. es resultiert ein Ausgangsstrahl mit einer
Wellenlänge von 532 nm im grünen Spektralbereich, wie sie etwa
für eine Reihe von Anwendungen im ophthalmologischen Bereich
erforderlich ist.
Die Anordnung eines derartigen Frequenzvervielfacher-Elementes
(5) ist jedoch optional im erfindungsgemäßen Festkörper-Laser,
d. h. eine derartige Frequenzvervielfachung kann wahlweise
vorgesehen werden oder nicht.
Claims (15)
1. Festkörper-Laser mit einem stabförmigen Lasermedium (1)
mit planen Endflächen (1.1, 1.2), einer Pumpstrahlungs
quelle (6), deren Pumpstrahlung über ein endseitig
benachbart und in thermischem Kontakt mit dem Lasermedium
(1) angeordnetes optisches Element (2) in das Lasermedium
(1) gelangt, wobei das optische Element (2) ferner in
thermischem Kontakt mit einem Kühlelement (4) angeordnet
und optisch so dimensioniert ist, daß innerhalb des
Laser-Resonators ein minimaler Durchmesser des transversalen
Modenprofiles resultiert.
2. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, wobei das optische
Element (2) als Linse ausgeführt ist.
3. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, wobei das Material des
optischen Elementes (2) und des Lasermediums (1) einen
weitgehend ähnlichen Brechungsindex aufweisen.
4. Festkörper-Laser nach Anspruch 2, wobei die Linse (2)
plan-konvex aufgeführt ist und die plane Seite der Linse
(2) einer planen Endfläche (1.1) des stabförmigen Laser
mediums (1) zugewandt ist.
5. Festkörper-Laser nach Anspruch 2, wobei mindestens eine
optisch wirksame Fläche der Linse (2) so gekrümmt ist, daß
sie als Endspiegel für eine Fundamental-Wellenlänge des
Laser-Resonators dient.
6. Festkörper-Laser nach Anspruch 5, wobei die optisch wirk
same Fläche der Linse (2) gering reflektierend für die
Pumpwellenlänge wirkt.
7. Festkörper-Laser nach Anspruch 5, wobei die optisch wirk
same Fläche der Linse (2) asphärisch gekrümmt ist.
8. Festkörper-Laser nach Anspruch 3, wobei das optische
Element und das Lasermedium über einen Kitt miteinander
verbunden sind und an der Grenzfläche eine Kittreflex-Ent
spiegelungsschicht vorgesehen ist.
9. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, wobei im Resonator
ferner ein Frequenzvervielfacher-Element (5) angeordnet
ist.
10. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, wobei das optische
Element (2) in einer gekühlten Fassung (4) angeordnet ist,
die als Kühlelement fungiert.
11. Festkörper-Laser nach Anspruch 10, wobei die Fassung (4)
aktiv und/oder passiv temperatur-stabilisierbar ist.
12. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, wobei als Pump
strahlungsquelle (6) mindestens ein Halbleiter-Laser
vorgesehen ist.
13. Festkörper-Laser nach Anspruch 12, wobei zwischen dem
Halbleiter-Laser und dem Lasermedium eine Faseroptik zur
Übertragung der Pumpstrahlung angeordnet ist.
14. Festkörper-Laser nach Anspruch 8, wobei als Frequenz
vervielfacher-Element (5) ein optisch nichtlinearer
Kristall vorgesehen ist.
15. Festkörper-Laser nach Anspruch 14, wobei als optisch
nichtlinearer Kristall KTP oder LBO vorgesehen ist.
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