DE19507625C2 - Festkörper-Laser hoher Leistung mit gekühltem Lasermedium - Google Patents

Festkörper-Laser hoher Leistung mit gekühltem Lasermedium

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Festkörper-Laser, der vorzugsweise über mindestens einen Halbleiter-Laser optisch gepumpt wird.
Ein derartiger Festkörper-Laser ist aus der DE 41 32 063 A1 bekannt. Dort ist ein diodengepumpter Mikrokristalllaser beschrieben, dessen scheibenförmiges Lasermaterial zusammen mit einer planen Diamantplatte in einer Fassung aufgenommen ist, welche Wärme abführt, die beim Betrieb des Lasers anfällt.
In der EP 0 557 182 A1 ist ein Nd:YAG-Laser mit geringer Leistung, insbesondere zum Einsatz in CD-Spielern, in Aufnahme- und in Wiedergabegräten erläutert. Dieser Laser ermöglicht einen stabilen Betrieb bei nur geringem Laserrauschen. Er ist mittels einer Laserdiode gepumpt und umfasst einen quaderförmigen Nd:YAG Laserstab. Der Nd:YAG Laserstab hat eine reflektierende Endfläche, die zusammen mit einem konkaven Spiegel einen Laserresonator bildet. Zur Frequenzverdopplung ist dem Nd:YAG Laserstab ein nichtlinearer Kristall zugeordnet. Indem der Nd:YAG-Laserstab, der nichtlineare Kristall und der konkave Spiegel auf einer aktiv temperaturstabilisierten Halterung angeordnet sind, wird eine hohe Laserstabilität erzielt.
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.
Zudem ist aus dem Lehrbuch "Diodengepumpte Festkörperlaser" von P. Penser und N. P. Schnitt, Springer Verlag, Berlin 1995, S. 162-163 ein longitudinal gepumpter Festkörper-Laser hinreichend großer Leistung mit einem stabförmigen Lasermedium bekannt.
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 A1 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- Lasers 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 Pumpstrahlungsguelle(n) zum Einsatz kommen.
Dem Laserdioden-Array (6) 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- Elementes 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- Endspiegel 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 des 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 1.064 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 (20)

1. Festkörper-Laser hoher Leistung mit
einem in einem Resonator angeordneten Lasermedium (1),
einer außerhalb des Resonators angeordneten Pumpstrahlungsquelle (6),
einem optischen Element (2), das mit dem Lasermedium (1) in flächigem Kontakt steht und im Strahlengang der Pumpstrahlung auf der Seite des Eintritts der Pumpstrahlung in das Lasermedium (1) angeordnet ist, wobei
das Lasermedium (1) in einer als Kühlelement dienenden Fassung (4) derart gelagert ist, dass Wärme aus dem Lasermedium (1) über die zur Fassung (4) für das Lasermedium (1) weisende Oberfläche des Lasermediums (1) zu der Fassung (4) für das Lasermedium (1) und über die zum optischen Element (2) weisende Endfläche (1.1) des Lasermediums (1) zu dem optischen Element (2) effizient abgeführt wird, welches in thermischen Kontakt mit einem Kühlelement steht,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lasermedium (1) stabförmig ist, und
eine dem Lasermedium (1) abgewandte Außenfläche (2.1) des optischen Elements (2) als ein Endspiegel des Resonators wirkt.
2. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) in einer als Kühlelement dienenden Fassung derart gelagert ist, daß Wärme aus dem Lasermedium (1) durch das optische Element (2) zu der Fassung (4) für das optische Element (2) effizient abgeführt wird.
3. Festkörper-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Resonator ein Freqenzvervielfacherelement (5) vorgesehen ist, das von dem Lasermedium (1) und der Fassung (4) für das Lasermedium (1) räumlich getrennt angeordnet ist.
4. Festkörper-Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Frequenz­ vervielfacher-Element (5) ein optisch nichtlinearer Kristall vorgesehen ist.
5. Festkörper-Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als optisch nichtlinearer Kristall KTP oder LBO vorgesehen ist.
6. Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element als Linse (2) ausgeführt ist.
7. Festkörper-Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (2) plan­ konvex ausgeführt ist und die plane Seite der Linse (2) einer planen Endfläche (1.1) des Lasermediums (1) zugewandt ist.
8. Festkörper-Laser nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche des optischen Elements (2) eine an eine Fundamental-Mode des Resonators angepasste Krümmung aufweist.
9. Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche des optischen Elements (2) für die Pumpstrahlung gering reflektierend wirkt.
10. Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche des optischen Elements (2) asphärisch gekrümmt ist.
11. Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des optischen Elementes (2) und des Lasermediums (1) einen weitgehend ähnlichen Brechungsindex aufweisen.
12. Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) und das Lasermedium (1) über einen Kitt miteinander verbunden sind und an der Grenzfläche eine Schicht zur Kittreflex-Entspiegelung vorgesehen ist.
13. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Element (2) und dem Lasermedium (1) eine Immersionsflüssigkeit vorgesehen ist.
14. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (2) an das Lasermedium (1) angesprengt ist.
15. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 14, soweit die Ansprüche 3 bis 14 auf Anspruch 2 zurückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung des optischen Elements (2) gekühlt ist.
16. Festkörperlaser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung des optischen Elements aktiv oder passiv temperaturstabilisiert ist.
17. Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (4) des Lasermediums (1) gekühlt ist.
18. Festkörper-Laser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (4) des Lasermediums aktiv und/oder passiv temperaturstabilisiert ist.
19. Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumpstrahlungsquelle (6) mindestens ein Halbleiter-Laser vorgesehen ist.
20. Festkörper-Laser nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiter-Laser und dem Lasermedium (1) eine Faseroptik zur Übertragung der Pumpstrahlung angeordnet ist.
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