DE19510705A1 - Festkörperlaservorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaservorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Festkörperlaser, die als laseraktives Medium Kristalle oder Gläser enthalten, gehören wegen ihres relativ einfa­ chen Aufbaus und der hohen erzielbaren Impulsleistung zu den in der Praxis wichtigsten Lasertypen.

Sie werden mit Lampen verschiedener Gasfüllung und Bauart, Leuchtdioden oder mit Lasern - etwa Halbleiterlasern - ge­ pumpt, wobei die Pumplichtquelle so zu wählen ist, daß der Hauptanteil der emittierten Strahlung im Spektralbereich der Absorptionsbanden des Lasermediums liegt. Aus diesem Grund kann der Einsatz von im nahen Infrarot (NIR) emit­ tierenden, durch entsprechende Dotierung exakt auf die Haupt-Absorptionsbanden abstimmbaren, Halbleiterlasern zum Pumpen von YAG(Yttrium-Aluminium-Granat)-Festkörperlasern aus energetischer Sicht sehr effizient sein. Hiermit wird eine Pumplichtausnutzung (ausgedrückt durch die sogenannte "slope efficiency" - vgl. dazu die Ausführungen weiter un­ ten) von 70 bis weit über 90% erreicht. Diese Pumplicht­ quellen finden daher in den sogenannten DPSS (Diode Pumped Solid-State)-Laseranordnungen zunehmende Verbreitung.

Der zunehmende Einsatz und die künftig zu erwartenden aus­ gezeichneten Marktchancen des miniaturisierten DPSS-YAG- Lasers resultieren auch aus der Möglichkeit, damit bei einfachem Aufbau hohe Leistungen im Impuls betrieb bei ho­ her Folgefrequenz wie auch im kontinuierlichen Betrieb und ein nahezu ideal Gauß′sches Strahlprofil zu erreichen.

Die praktischen Anwendungsmöglichkeiten der zumeist im na­ hen Infrarotbereich (Nd:YAG-Laser bei 1064 nm, Yb:YAG-La­ ser bei 1031 nm) emittierenden Festkörperlaser können durch eine Frequenzvervielfachung, insbesondere -verdopp­ lung, unter Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte in geeigneten Kristallen wesentlich erweitert werden, da hierdurch Strahlung im sichtbaren Bereich (beim Nd:YAG- und Yb:YAG-Laser grünes Licht von 532 bzw. 515 nm) mit be­ achtlicher Leistung (bis etwa 50 W) bereitgestellt werden kann.

Die Frequenzvervielfachung wird realisiert, indem dem La­ serkörper - bevorzugt intrakavitär, d. h. zwischen den Re­ sonatorspiegeln - in Richtung seiner Längsachse, der Rich­ tung des Verlaufes des Laserstrahls, ein entsprechendes Frequenzvervielfächerelement, insbesondere ein Frequenz­ verdopplerkristall (KDP = Kaliumdiposphat, KTP = Kalium­ titanylphosphat, Lithiumniobat o. ä.) mit nichtlinearen op­ tischen Eigenschaften, nachgeschaltet wird, den die primä­ re Laserstrahlung ebenfalls in Richtung der Längsachse durchläuft. Dabei werden höhere, insbesondere die zweite, Harmonische der Laser-Grundfrequenz (Fundamentalen) er­ zeugt. Im sogenannten gütegeschalteten ("Q switch") Be­ trieb mit einer Pockels-Zelle innerhalb der Kavität kann der Frequenzverdopplerkristall auch außerhalb der Kavität bzw. des Resonators angeordnet sein.

Speziell bei einer solchen Laseranordnung mit intrakavitä­ rer Frequenzvervielfachung ist die Phasenanpassung während des Betriebs sehr genau einzuhalten, d. h. eine exakte, wäh­ rend der Betriebsdauer stabile Justierung der relativen Lage der einzelnen Komponenten ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Erreichung angemessener Leistungsparame­ ter. Dies gilt noch verstärkt, wenn Polarisatoren oder Fo­ kussierungselemente oder - was bei DPSS-Laseranordnungen erforderlich sein kann - zusätzliche optische Elemente (Asphären) zur Erzeugung eines kreisförmigen Strahlquer­ schnitts innerhalb der Laserkavität untergebracht und re­ lativ zu den übrigen optischen Komponenten justiert werden müssen.

Die in der Optik-Technologie übliche Montage aus einzelnen Elementen ermöglicht eine genaue Justierung in weiten Grenzen, ist aber arbeits- und damit kostenaufwendig, und die Qualität der Justierung wird durch thermische Effekte infolge der Erwärmung im Betrieb beeinträchtigt, was ggfs. aufwendige Nachjustierungen erfordert.

In der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Az. P 44 02 688.4 hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen, eine DPSS-Laseranordnung mir Frequenzver­ dopplerkristall im Inneren eines transparenten Rohres un­ ter Verklebung der Komponenten mit der Rohr-Innenwandung aufzubauen. Der Aufbau dieser Anordnung ist noch relativ aufwendig, und Probleme können sich im Betrieb insbesonde­ re mit der Einkopplung des Pumplichtes in das Rohr sowie durch das Auftreten unkontrollierter thermischer Effekte (die weiter unten erörtert werden) im Laserkristall erge­ ben, die mit der geringen Wärmeleitfähigkeit des Montage­ rohres zusammenhängen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fest­ körperlaservorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine vereinfachte Herstellung und aufgrund verbesserter Stabilität der geometrischen und optischen Parameter den Wegfall von Nachjustierungen und damit er­ hebliche Herstellungs- und Betriebskostenerparnisse ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird durch eine Festkörperlaservorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, zugunsten von Ko­ stenersparnissen bei Herstellung und Betrieb einer solchen Vorrichtung vom "klassischen" Prinzip des nachjustierbaren diskreten Aufbaus einer Festkörperlaseranordnung abzugehen und statt dessen einen weitgehend integrierten Aufbau ("MIkrochip-Gestaltung") vorzunehmen. Dies erfordert gleichzeitig das Vorsehen von Mitteln, um Beeinträchtigun­ gen der optischen Elemente und Dejustierungen infolge thermischer Effekte im Betrieb der Vorrichtung weitgehend auszuschließen.

Der vorgeschlagene integrierte, feste Aufbau auf einem (insbesondere plattenartigen) Träger ist schon für die Mi­ nimalkonfiguration eines Miniatur-Festkörperlasers techno­ logisch vorteilhaft, erreicht aber besondere Wirkung, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführung ein innerhalb des La­ serresonators angeordnetes Frequenzvervielfacherelement, insbesondere ein Frequenzverdopplerkristall, zusammen mit dem Laserkörper und dem Resonator fest auf dem Trägerele­ ment angeordnet ist. Die Thermostatierung des Frequenzver­ dopplerkristalls hat noch besondere Bedeutung zur Verhin­ derung des sogenannten "greytrack damage", einer reversi­ blen degenerativen Ergrauung des Kristalls infolge der Ab­ sorption höherer Harmonischer der primären Laserstrah­ lung.

Ein bevorzugter zusätzlicher Schritt bei der Integration der Komponenten besteht darin, daß keine gesonderten Reso­ natorspiegel vorgesehen werden, sondern die dem Laserkör­ per abgewandte Stirnfläche des Frequenzverdopplerkristalls als vollreflektierende Resonatorspiegelfläche und die dem Frequenzverdopplerkristall abgewandte Stirnfläche des La­ serkörpers als Auskoppelspiegel ausgebildet ist.

Weiter verstärkt kommen die Vorteile der Anordnung zum Tragen, wenn zusätzlich optische Elemente zur Formung des Strahlquerschnitts auf dem Trägerelement angeordnet sind, die bei herkömmlichen Aufbauten zusätzliche Justageproble­ me aufwerfen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Lehre der Erfindung be­ steht darin, daß mindestens eine Oberfläche des Trägerele­ mentes (zumindest partiell) metallisiert ist und auf diese die auf dem Träger angeordneten optischen Bauteile mittels der SMD (Oberflächenmontage)-Technologie montiert, insbe­ sondere aufgelötet oder wärmeleitfähig aufgeklebt, sind.

In der integrierten Baugruppe sind vorteilhafterweise ein Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur und eine mit dem Ausgang einer zugehörigen, mit dem Temperaturfühlersi­ gnal versorgten, jedoch in der Regel separat angeordneten, Steuer- bzw. Regeleinheit verbundene Heiz- und/oder Kühl­ einrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur der opti­ schen Elemente vorgesehen.

Als Trägerelement kann kostengünstig eine Al₂O₃-Platte Verwendung finden, wobei in vorteilhafter Weise auf kom­ merziell verfügbare Einheiten zurückgegriffen werden kann, die in Verbindung mit einer solchen Platte eine, insbeson­ dere zweifach kaskadierte, Anordnung von Peltierelementen aufweisen. Eine solche Einheit - mit T-Sensor - fungiert als eine thermostatierbare, mechanisch sehr stabile opti­ sche Bank, die zusammen mit dem Auflöten bzw. Aufkleben der optischen Komponenten die erforderliche hohe geometri­ sche Stabilität der optischen Konfiguration gewährleistet. Dabei sind zur Erreichung des wünschenswerten Selbstregel­ mechanismus solche Thermohalbleiter (etwa InTe) einzuset­ zen, bei denen ein lokaler Wärmefluß zu einer lokalen Im­ pedanzerhöhung und somit zum selbsttätigen Zurückregeln der entstandenen Temperaturdifferenz führt.

Der Laserkörper ist insbesondere ein Miniatur-Laserkri­ stall aus Nd- oder Yb-dotiertem YAG, dem bevorzugt minde­ stens eine transversal zum Laserstab angeordnete Pump­ lichtquelle zugeordnet ist. In der Praxis sind in der Re­ gel mehrere transversal zum Laserkörper, insbesondere beidseitig des Laserkörpers, angeordnete Halbleiterlaser als Pumplichtquellen vorgesehen, womit sich eine vielsei­ tig einsetzbare DPSS-Konfiguration ergibt.

Der erfindungsgemäße Aufbau ist aber auch bei Vorrichtun­ gen mit anderen Lasermedien und/oder Pumplichtquellenan­ ordnungen, beispielsweise auch für lampen- und front-end­ gepumpte Laser, mit Vorteil realisierbar.

Zwischen den Lichtaustrittsflächen der Halbleiterlaser und dem Laserkörper sind zur weiteren Vereinfachung des Auf­ baus zweckmäßigerweise Lichtleitfasern zur Führung des Pumplichtes vorgesehen.

Die Seitenflächen des Laserkörpers, an denen kein Pump­ licht eingekoppelt wird, sind zur effizienten Ausnutzung des Pumplichtes metallisiert, zur Unterdrückung höherer sowie parasitärer Moden jedoch nicht poliert. Das über die andere(n) Seitenfläche(n) eingekoppelte Pumplicht kann hier mehrfach diffus reflektiert werden, parasitäre Moden können jedoch nicht reflektiert und verstärkt werden. Die Anordnung kann daher durch den Fortfall einer Modenblende vereinfacht gestaltet sein.

In speziellen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ergibt sich auch in einfacher Weise die Möglichkeit der Unterdrückung eines bei Miniatur-YAG-Lasern störenden Effektes, des sogenannten "thermal lensing".

Hiermit bezeichnet man die unkontrollierte Bildung von linsenartig wirkenden Brechzahlgradienten-Bereichen oder auch (bei höheren Temperaturen infolge hoher volumenspezi­ fischer Pumpleistung) von doppelbrechenden Bereichen im Laserkörper, die zu einer starken Verschlechterung der Strahlqualität führt. Die Auswirkungen des "thermal len­ sing" sind insbesondere im Zusammenhang mit einer Fre­ quenzvervielfachung (speziell-verdopplung) der erzeugten Laserstrahlung durch nichtlineare Effekte nicht hinnehm­ bar, weil die Frequenzverdopplungseffizienz und damit die erzielbare Ausgangsleistung mit abnehmender Strahlqualität bei der gewünschten Endfrequenz stark absinkt.

Die mit einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen zur Unterdrückung dieses Effekts schließen den Gedanken ein, bei der trägerintegrierten Laserbaugruppe Mittel zur gezielten lokalen Steuerung einer effizienten Wärmeableitung aus dem Lasermedium und/oder zur lokalen Kühlung und/oder Zusatzheizung in Längsrichtung des Laser­ körpers vorzusehen, mit denen in diesem in Strahllaufrich­ tung abwechselnd Bereiche mit höherer und mit niedrigerer Temperatur erzeugt werden.

Dadurch werden in dem Material alternierend Brechzahlgra­ dienten mit unterschiedlichem Vorzeichen aufgebaut. Nach deren Durchlaufen weist die Strahlform eines sich in Längsrichtung des Kristalls ausbreitenden Strahls gegenü­ ber der Strahlform eines Strahls, wie er ohne thermische Effekte im Material vorläge, keine wesentlichen Unterschie­ de auf, weil die "lensing"-bedingten Strahlablenkungen bzw. -verformungen an den einzelnen Brechzahlgradienten sich über die Gesamtlänge des Laserkörpers im wesentlichen aufheben.

Als Mittel zur Einstellung eines vorbestimmten Temperatur­ profils kann zum einen eine an mindestens einer Umfangs­ fläche des Laserkörpers vorgesehene Anordnung zur Wärmeab­ leitung vom Laserkörper an die Umgebung (speziell die Luft) vorgesehen sein, die in Richtung der Längsachse des Laser­ stabes periodisch abwechselnd Abschnitte mit höherem und niedrigerem Wärmeübergangswiderstand aufweist.

Diese Anordnung kann auf einfache und kostengünstig her­ stellbare Weise im wesentlichen durch mindestens einen me­ tallischen Wärmeleitkörper mit sich periodisch abwechseln­ den Vorsprüngen und Aussparungen gebildet sein, bei dem die Vorsprünge dem Laserkörper zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, wäh­ rend die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper bilden. An­ stelle der Abstandsbereiche können zwischen den Bereichen mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch wärmeisolierende Berei­ che vorgesehen sein. Der Wärmeleitkörper kann zwischen dem Laserkristall und dem Trägerelement angeordnet oder ggfs. durch ein geeignet gestaltetes Trägerelement gebildet sein.

Anstelle einer speziell gestalteten Wärmableitanordnung oder zusätzlich zu dieser kann weiterhin eine an der Um­ fangsfläche des Laserkörpers angeordnete aktive Heiz- und/oder Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die so ausge­ führt ist, daß sie in Richtung der Längsachse des Laser­ körpers periodisch abwechselnd Bereiche mit höherer und niedrigerer Umfangstemperatur und damit auch Temperatur­ gradienten im Inneren des Materials erzeugt.

Hierfür kann einerseits eine aktive, insbesondere elek­ trisch betriebene, Kühlvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laserkörpers in Abständen angeordneten Kühl­ elementen oder -bereichen vorgesehen sein. Dies kann etwa eine Anordnung von Peltierelementen sein, die insbesondere auch gleichzeitig das Trägerelement der integrierten An­ ordnung bilden kann.

Andererseits können die alternierenden T-Gradienten auch durch eine, insbesondere elektrisch betriebene, Zusatz- Heizvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laser­ stabes in Abständen angeordneten Heizelementen oder -bereichen erzeugt werden - natürlich im Kombination mit einer wirksamen Wärmeableitvorrichtung.

Auch eine Kombination einer Heiz- mit einer Kühlvorrich­ tung mit alternierend angeordneten Kontaktbereichen zum Laserkörper ist möglich, speziell kann etwa eine nach dem Peltier-Effekt arbeitende, kombinierte Heiz-/Kühlvorrich­ tung mit in Richtung der Längsachse des Laserkörpers ab­ wechselnd angeordneten Kühl- und Heizbereichen vorgesehen sein. Auch diese kann - etwa realisiert auf einer Al₂O₃-Trägerplatte - zugleich den Träger der Gesamtanord­ nung bilden.

Die genannten speziellen Anordnungen können jeweils - einzeln oder in Kombination - an zwei einander gegenüber­ liegenden Seitenflächen des Laserkörpers angeordnet sein. Falls sie nicht selbst den Träger bilden, werden sie mit diesem vorzugsweise in gutem thermischen Kontakt stehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer Laserkristall-Kühlkörper-Baugruppe nach einer Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 1b eine vereinfachte Draufsicht der Ausführungsform nach Fig. 1a,

Fig. 1c eine vereinfachte Querschnittsdarstellung der Ausführungsform nach Fig. 1a,

Fig. 2 eine vereinfachte perpektivische Gesamtansicht einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 3 eine vereinfachte perpektivische Gesamtansicht einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer weiteren Aus­ führungsform der Erfindung (mit Frequenzverdopplung),

Fig. 4a eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und Wärmeableitkörper gemäß ei­ ner Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 4b eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und Kühlanordnung gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 4c eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper, Zusatzheizung und Wärmeableit­ körper gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 4d eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und kombinierter Heiz- und Kühl­ anordnung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung und

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Meß- und Steuerschaltung für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung.

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer Modifizierung der in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Ausführungsformen und

Fig. 7 eine schematische Detaildarstellung eine speziel­ le Ausbildung von leicht justierbaren Befestigungselemen­ ten für die Montage der optischen Komponenten.

Fig. 1a zeigt eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer technologisch vorteilhaft realisierbaren Einheit aus einem Laserkristall 1′′ und zwei diesen sandwichartig um­ fassenden Wärmeableitkörpern 11 und 12 auf einem Träger (Substrat) 10, Fig. 1b eine Draufsicht und Fig. 1c eine Querschnittsdarstellung (senkrecht zur Längsachse des La­ serkristalls) dieser Baugruppe.

Als Träger 10 dient ein Aluminiumoxidsubstrat mit Oberflä­ chenmetallisierung (In-Plattierung) 10a, auf das ein unte­ rer (passiver) Kühlkörper 11 und ein oberer (passiver) Kühlkörper 12, jeweils aus massivem Kupfer, aufgelötet sind. Die Kühlkörper 11, 12 schließen zwischen sich den flach quaderförmigen Nd:YAG- oder Yb:YAG-Laserkristall 1′′ ein. Die dem Laserkristall zugewandten Flächen der Kühl­ körper 11, 12 sind in der oben erläuterten Weise mit in Längsachsenrichtung des Kristalls (x-Richtung) aufeinan­ derfolgenden und sich senkrecht hierzu (in y-Richtung) er­ streckenden Schlitzen 11a bzw. 12a und Vorsprüngen 11b bzw. 12b profiliert. Sie weisen auf dieser Fläche jeweils eine In-Beschichtung 11c bzw. 12c auf, die zur Verringe­ rung des Wärmeübergangswiderstandes dient. Die Schlitze 12a des oberen Kühlkörpers 12 haben hier geringere Tiefe als die des unteren Kühlkörpers 11.

Bei der Anordnung nach Fig. 1a bis 1c sind die Resonator­ spiegel nicht auf den Stirnflächen des Laserkristalls 1′′ angebracht, sondern es wird vom Vorhandensein extern ange­ ordneter (in diesen Figuren nicht dargestellter) Spiegel ausgegangen. Dementsprechend ist ein beide Stirnflächen des Laserkristalls durchsetzender achsenversetzter Strahl R₀′′ dargestellt, der durch spezielle Öffnungen 12d und 12e des oberen Kühlkörpers 12 ein- bzw. austritt.

Die obere und untere Umfangsfläche 1a′′ bzw. 1b′′ des Laser­ kristalls 1′′ sind nicht poliert, jedoch mit einer reflek­ tierenden Metallisierung 1a/M′′ bzw. 1b/M′′ versehen.

In Fig. 1b und 1c sind auch die dem Laserkristall 1′′ zuge­ wandten Enden von Lichtleitfasern zweier seitlicher Pumplicht-Zuführungsanordnungen 13 bzw. 14 dargestellt, und der Strahlverlauf der einzelnen Pumplichtstrahlen ist (mit gestrichelten Linien) skizziert. In Fig. 1c ist hier­ bei gut zu erkennen, daß das Pumplicht zwischen der Ober- und Unterseitenmetallisierung 1a/M′′ bzw. 1b/M′′ des Laser­ kristalls vielfach reflektiert und daher äußerst effizient ausgenutzt wird. Wie oben erwähnt, verhindert die nicht polierte, optisch somit nicht perfekte Oberfläche jedoch zugleich, daß Moden höherer Ordnung und insbesondere para­ sitäre Moden verstärkt werden und die Strahlqualität be­ einträchtigen können.

Im dargestellten Beispiel betragen die Abmessungen des YAG-Kristalls 1′′ ca. (L/B/H) 5/4/0,5 mm, die des unteren Kühlkörpers 11 ca. 7/5/1,5 mm, die des oberen Kühlkörpers 12 (im gebogenen Zustand) ca. 13/6/1,5 mm und die Schlitz­ breiten in den Kühlkörpern ca. 0,5 mm. In einem weiteren, mit guten Ergebnissen erprobten Aufbau wurde ein in der Draufsicht quadratischer YAG-Kristall mit 2,2 mm Kanten­ länge und 0,65 mm Dicke verwendet, und die Breite der Schlitze und Stege des Kühlkörpers betrug jeweils 0,3 mm.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte perspektivische Gesamt­ ansicht einer gemäß den Grundsätzen der Oberflächenmon­ tagetechnologie (SMD) aufgebauten Festkörperlaservorrich­ tung, bei der die Kühlanordnung in der Bauform gemäß Fig. 1a bis 1c realisiert ist. Die in diesen Figuren verwende­ ten Bezugsziffern für die dort gezeigten Teile werden auch in Fig. 2 benutzt und diese Elemente werden hier nicht nochmals beschrieben.

In Fig. 2 ist - an drei Pumplichtquellen - genauer darge­ stellt, daß an das dem Laserkristall abgewandte Ende der Lichtleiter 13a, 13b, 13c bzw. 14a, 14b, 14c jeweils ein Laserdiodenarray 15a, 15b, 15c bzw. 16a, 16b, 16c mit je 1 bis 4 W Pumpleistung angekoppelt ist. Ein solche Pumpan­ ordnung ist als solche bekannt.

In dieser Figur sind auch ein hinterer, vollreflektieren­ der Resonatorspiegel 17 und ein vorderer, halbreflektie­ render Resonatorspiegel 18 gezeigt. Beide Spiegel sind über zweifach abgewinkelte, bei der Montage zur Justierung biegbare Anschlußflächen ("pads" oder "legs") 17a, 17b bzw. 18a, 18b mit der lokalen Metallisierung 10a′ des Trä­ gers 10′ verlötet. Weiter sind zwischen den Spiegeln 17, 18 und dem Laserkristall 1′′ je ein optisches Element 19 bzw. 20 zur Strahlformung (z-Achsen-Dehnung) des erzeugten Laserstrahls vorgesehen, mit denen ein kreisförmiger Strahlquerschnitt erzeugt wird. Diese optischen Elemente sind ebenfalls auf Metallisierungsbereiche des Trägers 10′ aufgelötet.

Der Träger 10′ ist durch eine zweifach kaskadierte Kühlan­ ordnung aus drei Al₂O₃-Trägerplatten 10.1′, 10.2′ und 10.3′ und jeweils ein dazwischenliegendes Array 10.4′ bzw. 10,5′ aus Peltierelementen gebildet. Eine solche Anordnung ist bei sich ändernden Umgebungstemperaturen bzw. veränderlichem Energieeintrag geometrisch hochgradig stabil, da durch die Kaskadierung der Peltier-Anordnungen ein selbsttätiger Ausgleich von Temperaturgradienten er­ reicht wird. Auf der Oberfläche der oberen Platte 10.1′ ist ein Temperaturfühler 21 angeordnet, über den die Tem­ peratur der Laservorrichtung abgefühlt und mit dessen Hil­ fe diese ggfs. durch geeignete Ansteuerung der Peltierele­ mente zusätzlich geregelt werden kann.

Fig. 3 zeigt in einer (wiederum vereinfachten) perspekti­ vischen Gesamtansicht eine weitere Festkörperlaservorrich­ tung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, mit der zusätzlich eine Frequenzverdopplung des erzeugten Laser­ strahls vorgenommen wird. Die Ausbildung und Anordnung des Laserkristalls ist dieselbe wie bei der oben beschriebenen Vorrichtung, so daß diesbezüglich auch dieselben Bezugs­ ziffern verwendet werden.

Ein wesentlicher Unterschied besteht im Aufbau der Pumpan­ ordnung, die hier mit zwei kompakten Baugruppen 22, 23 aus einer integrierten Laserdiodenanordnung mit Strahlfokus­ sierung ausgebildet ist. (Eine solche Anordnung ist in der eingangs erwähnten früheren Anmeldung des Erfinders näher beschrieben und wird hier durch Bezugnahme in den Gegen­ stand der vorliegenden Anmeldung eingeschlossen.) Die Strahlung der zeilenartig gereihten Laserdioden wird durch die Elemente zur Strahlfokussierung in einen Brennpunkt gebündelt; der Laserkristall 1′′ ist jedoch außerhalb der Brennweite der Pumpanordnungen 22, 23 plaziert, so daß die Pumplichteinstrahlung annähernd linienförmig über die Kri­ stallänge erfolgt.

Einen weiteren wesentlichen Unterschied zur Laservorrich­ tung nach Fig. 2 stellt das Vorhandensein eines KTP(Ka­ liumtitanylphosphat)-Frequenzverdopplerkristalls 24 dar, der bezüglich des Laserkristalls jenseits (in der Figur rechts) der hinteren Asphäre 20 zur Strahlformung angeord­ net ist. Auch der Frequenzverdoppler 24 ist über biegbare Anschlußflächen 24a, 24b, über die eine anfängliche Ju­ stierung der Lage relativ zu den übrigen optischen Kompo­ nenten möglich ist, auf die obere Trägerplatte 10.1′ auf­ gelötet. Seine dem Laserkristall abgewandte Stirnfläche 24c hat eine konvexe Gestalt mit sehr genau auf die spe­ zielle Laseranordnung angepaßter Geometrie und weist eine Verspiegelung 25 auf, so daß sie zugleich als hinterer Re­ sonatorspiegel wirkt.

Auf ähnliche Weise ist der vordere Resonatorspiegel hier durch eine teilreflektierende Verspiegelung 26 der vorde­ ren Stirnfläche des Laserkristalls 1′′ gebildet.

Merkmale der in Fig. 2 und 3 als Beispiele gezeigten Anordnungen können auch miteinander kombiniert sein; so kann etwa eine Vorrichtung mit Frequenzverdoppler auch ei­ nen oder zwei separate Resonatorspiegel aufweisen, oder bei einer Vorrichtung ohne Frequenzverdopplung kann minde­ stens einer der Resonatorspiegel auf einer Stirnfläche des Laserkristalls gebildet sein. Sowohl der Laserkristall als auch der Frequenzverdoppler kann auch aus einem ande­ ren, für den jeweiligen Zweck bekannten, Material gefer­ tigt sein: als Lasermaterial können etwa Nd- oder Yb- dotiertes Glas und für den Frequenzverdoppler KDP (Kalium­ diphosphat) oder Lithiumniobat eingesetzt werden.

Als Träger kann auch eine einfache Peltierelementanord­ nung oder ggfs. auch einfach eine gut wärmeleitende Träger­ platte - zur Erhöhung der Kühlwirkung auch mit Verrippung oder u. U. mit Flüssigkeitskühlung - dienen. Die Fixierung der Komponenten auf dem Träger kann beispielsweise durch einen wärmeleitenden Kleber vorgenommen sein.

Wichtig ist, daß die Ausbildung der optischen und thermi­ schen bzw. thermoelektrischen Komponenten für sich genom­ men und deren Zusammenfügung dem Integrations-Gedanken der Erfindung entsprechend, insbesondere der in der Elektronik etablierten SMD-Technologie angepaßt, vorgenommen wird.

Nachfolgend wird das Prinzip einer speziellen Ausgestal­ tung der Erfindung erläutert, mit der in vorteilhafter Wei­ se die unkontrollierte Bildung thermischer Linsen im Kri­ stall (das sogenannte "thermal lensing") verhindert und damit die erzielbaren Strahlparameter wesentlich verbes­ sert werden können.

Fig. 5a zeigt in einer Prinzipdarstellung (im Längs­ schnitt) einen in der Längsschnittgestalt rechteckigen Nd- dotierten YAG-Laserkristall 1 mit je einem auf der Ober­ seite 1a und der Unterseite 1b angeordneten - in der Figur nur ausschnittweise gezeigten - Metallkörper 2 und 3 aus massivem Aluminium oder Kupfer zur Wärmeableitung aus dem Laserkristall an die umgebende Atmosphäre.

Die gleichartig aufgebauten Wärmeableitkörper 2, 3 haben jeweils in den Laserkristallflächen 1a bzw. 1b zugewandter Lage eine profilierte Oberfläche mit im Querschnitt recht­ eckigen Schlitzen 2a bzw. 3a, zwischen denen jeweils mit dem Laserkristall in Kontakt stehende Bereiche 2b bzw. 3b der Wärmeableitkörper 2 bzw. 3 angeordnet sind. In den Kontaktbereichen 2a′, 3a′ der Schlitze 2a, 3a besteht kein körperlicher Kontakt und damit eine gegenüber den Kontakt­ bereichen 2b′, 3b′ der vorspringenden Abschnitte 2b, 3b mit dem Laserkristall 1 stark verringerte Wärmeleitung zwi­ schen dem Laserkristall und den Wärmeableitkörpern 2, 3.

Zwischen der hinteren (in der Figur linken), mit einer vollständig reflektierenden Beschichtung - dem ersten Re­ sonatorspiegel - 4 versehenen Stirnfläche 1c und der vor­ deren (in der Figur rechten), mit einer teilweise reflek­ tierenden - den zweiten Resonatorspiegel bildenden - Be­ schichtung 5 versehenen Stirnfläche 1d des Laserkristalls bildet sich bei Einstrahlung von Pumplicht - etwa von seitlich des Laserkristalls 1 angeordneten (in dieser Figur nicht dargestellten) InAlAs-Halbleiterlaserdioden - oberhalb einer Schwelleistung in bekannter Weise ein Laserstrahl(bündel) mit einer Wellenlänge von 532 nm aus. In der Figur ist hiervon ein etwas oberhalb der Längsachse A des Kristalls liegender, d. h. einen sogenannten Offset aufweisender, Teilstrahl R₀ gezeigt.

Durch das eingestrahlte Pumplicht erwärmt sich der Laser­ kristall 1 über die Umgebungstemperatur, so daß über die obere und untere Seitenfläche 1a, 1b und die diesen be­ nachbarten Wärmeableitkörper 2, 3 eine Wärmeableitung an die Umgebung erfolgt.

Infolge der stark unterschiedlichen Wärmeleitung zwischen dem Laserkristall und den Wärmeableitkörpern in den Berei­ chen 2a′, 3a′ einerseits und 2b′, 3b′ andererseits erfolgt eine entsprechend der geometrischen Gestalt der Oberflä­ chen der Wärmableitkörper in Richtung der Längsachse A des Laserkristalls 1 modulierte Abführung der Wärmeener­ gie. Im Ergebnis dessen bildet sich im Laserkristall 1 ein Temperaturfeld der in der Figur gestrichelt gezeigten Ge­ stalt aus, das durch eine Periodizität von im Querschnitt annähernd elliptisch Isothermen I₁, I₂, I₃ in Richtung der Längsachse A gekennzeichnet ist.

Infolge der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Lasermediums sowie - zumindest bei höheren Pumpleistungen - des Auftretens von Doppelbrechungseffekten bildet sich zugleich eine der Gestalt des Temperaturfeldes entspre­ chende, Flächen R₁, R₂, R₃ gleicher Brechzahl aufweisende, räumliche Verteilung der Brechungsindizes (gewissermaßen ein "Brechzahlfeld") im Laserkristall aus.

Wie am Verlauf des Strahls R₀ in der Figur schematisch verdeutlicht, bewirkt die dargestellte räumliche Vertei­ lung der Brechungsindizes periodisch abwechselnd Ablenkun­ gen des Strahls in wechselnde Richtungen gegenüber der Längsachse A, so daß sich bei entsprechender Gestalt des Brechzahlfeldes innerhalb des Laserkristalls 1 an den Stirnflächen 1c, 1d jeweils eine zur Längsachse A paralle­ le Strahlorientierung ergibt. Dies führt - betrachtet man die achsenversetzten Strahlen in ihrer Gesamtheit - zur Ausbildung eines Strahlbündels mit hohem Grad an Paralle­ lität und Phasenkohärenz und einer in vorteilhafter Weise nahezu ideal Gauß′schen Energieverteilung im Strahlquer­ schnitt.

Fig. 4b zeigt (wiederum im Längsschnitt) eine Prinzipdar­ stellung einer weiteren Anordnung aus einem Laserkristall 1 und einer Kühlanordnung, die hier aus je einer Zeile von in vorbestimmten Abständen angeordneten Peltierelementen 6.1 bis 6.4 bzw. 6.5 bis 6.8 oberhalb und unterhalb des Laserkristalls gebildet ist.

Die Peltierelemente kühlen den Laserkristall an den Berüh­ rungsflächen mit dessen oberer bzw. unterer Seitenfläche 1a bzw. 1b, treten also funktionell im Grunde an die Stel­ le der dem Laserkristall zugewandten Vorsprünge der Wär­ meableitkörper 2, 3 in Fig. 4a. In der Figur ist verein­ fachend angenommen, daß auch das resultierende Temperatur­ feld und damit die räumliche Verteilung des Brechungsindex den Verhältnissen in Fig. 4a entspricht. Bei der Vorrich­ tung nach Fig. 4b kann aber selbstverständlich bei separa­ ter Ansteuerung der Kühlelemente 6.1 bis 6.8 im Bedarfs­ fall durch geeignete Wahl der Spannungen der einzelnen Kühlelemente eine differenziertere und vor allem zeitab­ hängig veränderbare Steuerung der Gestalt des T-Feldes und damit des Strahlverlaufes des off-axis-Laserstrahles R₀ erfolgen.

Damit ist auf elektrisch-thermischem Wege eine Nachjustie­ rung des Strahlverlaufes und der Phasenverhältnisse bei der Laservorrichtung ohne Änderungen am Aufbau möglich. Dies ist bei einer Fixierung des Elemente sofort bei der Herstellung der Vorrichtung, wie sie in oben erläuterten Ausführungen der Erfindung vorgesehen ist, von besonderem Vorteil.

Diesen Vorteil hat auch die in Fig. 4c - wiederum als Prinzipdarstellung im Längsschnitt - gezeigte Anordnung aus Laserkörper 1, Wärmeableitkörpern 2′ und 3′ und einer Zusatzheizung aus fünf im Wärmeableitkörper 2′ und fünf im Wärmeableitkörper 3′ angeordneten elektrischen Heizelemen­ ten 7.1 bis 7.10 gemäß einer weiteren Ausführungsform, so­ fern hier die Heizelemente einzeln ansteuerbar sind.

Die Oberfläche der Wärmeableitkörper 2′ und 3′ ist bei dieser Ausführungsform auf der dem Laserkristall zugewand­ ten Seite nicht profiliert, sondern kann völlig eben sein, wobei die Heizelemente von der dem Laserkristall abgewand­ ten Seite aus eingesetzt sein können.

Ansonsten ist in Fig. 4c angenommen, daß die Ausdehnung und die Abstände der Heizelemente denen der Schlitze bei Fig. 4a entsprechen und die thermische Wirkung der Heize­ lemente, d. h. der Einfluß auf das Temperaturfeld im Laser­ kristall, der der Schlitze der Wärmeableitkörper 2, 3 äquivalent ist. Diese vereinfachenden Annahmen wurden na­ türlich nur im Hinblick auf die Übersichtlichkeit der Dar­ stellungen getroffen. Die konkrete Ausführung hinsichtlich der Geometrie und der thermischen Parameter wird der Ent­ werfer der Laservorrichtung nach deren angestrebten Lei­ stungsparametern vornehmen. Dabei müssen die Abmessungen und Abstände der Bereiche mit höherer und derer mit gerin­ gerer Kühlwirkung auch keineswegs alle gleich sein.

Fig. 4d zeigt in einer weiteren Prinzipdarstellung eine Anordnung aus einem Laserkörper 1 und einer kombinierten Heiz- und Kühlanordnung aus je vier Kühlelementen 6.1 bis 6.4 bzw. 6.5 bis 6.8 und je fünf Heizelementen 7.1 bis 7.5 bzw. 7.6 bis 7.10 in einem oberen bzw. einem unteren Wär­ meableitkörper 2′′ bzw. 3′′. Auch hier ist in der Zeichnung vorausgesetzt, daß die sich durch den Einsatz der Kühl- und Heizelemente ergebenden thermischen Verhältnisse im Laserkristall denen bei der Anordnung nach Fig. 4a ent­ sprechen.

Es ist indes klar, daß insbesondere diese Anordnung mit aktiven Kühl- und Heizelementen eine weit ausgeprägtere Differenzierung des T-Feldes, d. h. die Realisierung von wesentlich größeren T-Gradienten, als die Anordnung nach Fig. 4a ermöglichen kann. Auch hierbei ist durch einzelne Ansteuerung der aktiven Elemente eine geeignete Formung des T- und damit des Brechzahlfeldes und somit auch auf elektrisch-thermischem Wege eine Nachjustierung möglich.

Bei den Vorrichtungen nach Fig. 4b bis 4d können die akti­ ven Elemente jedoch auch gruppenweise oder alle zusammen angesteuert - etwa in Reihenschaltung betrieben - werden. Dies vereinfacht die Ansteuerung und reduziert die Her­ stellungskosten, verringert jedoch die Variationsmöglich­ keiten bei der Formung des Brechzahlfeldes im Laserkri­ stall.

Fig. 5 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer elek­ trisch-thermischen Meß- und Steuerschaltung 100 zur Steue­ rung der Strahlparameter einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, Diese - im Sinne eines Beispiels für eine Vielzahl mögli­ cher Steuerschaltungen zu verstehende - Schaltung ist ins­ besondere zum zeitweiligen Einsatz mit der Laseranordnung, etwa zur anfänglichen Einstellung oder Nachstellung nach längerem Betrieb ohne Änderung der geometrischen Parame­ ter, geeignet.

Ausgegangen wird von einer Kühlanordnung für den Laserkri­ stall gemäß Fig. 4b mit vier einzeln ansteuerbaren Pel­ tierelementen 6.1 bis 6.4 oberhalb des Laserkristalls 1 und vier ebenfalls einzeln ansteuerbaren Peltierelementen 6.5 bis 6.8 unterhalb des Kristalls.

Die Meß- und Steuerschaltung 100 umfaßt eine flächige op­ tische Sensoranordnung in Gestalt einer CCD-Matrix 101, die gegenüber der vorderen Lichtaustrittsfläche des Lasers 1 angeordnet ist derart, daß auf ihr beim Betrieb des La­ sers ein Bild des Laserstrahls erzeugt wird. Die Anzahl der Bildaufnahmelemente der Matrix wird entsprechend den Qualitätsanforderungen an den Laserstrahl gewählt.

Der Ausgang der CCD-Matrix 101 ist mit dem Eingang einer Vorverarbeitungseinheit 102 zur Störbefreiung und Signal­ pegelanpassung verbunden. Deren Ausgang ist mit einem Ein­ gang einer Vergleichereinheit 103 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Datenausgang eines Musterbildspeichers 104 verbunden ist, in dem mindestens ein vorgegebener Laser­ strahlquerschnitt gespeichert ist, der bei der Steuerung bzw. Einstellung der Laservorrichtung zugrundegelegt wer­ den soll. In der Vergleichereinheit 103 wird der reale, von der CCD-Matrix 101 aufgenommene Strahlquerschnitt mit dem Muster-Strahlquerschnitt verglichen und am Ausgang eine das Vergleichsergebnis kennzeichnende Signalfolge be­ reitgestellt. Verarbeitungsbreite und -geschwindigkeit der Einheiten 102 und 103 und die Speicherkapazität des Speichers 104 sind entsprechend der Anzahl der Bildaufnah­ meelemente der CCD-Matrix 101 gewählt.

Die das Ergebnis des Strahlvergleiches spezifizierenden Signale werden dem Dateneingang einer - beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildeten - mit dem Ausgang der Vergleichereinheit 103 verbundenen Verarbeitungsein­ heit 105 zugeführt, die weiterhin in üblicher Weise mit einem Datenspeicher (RAM) 106 und einem Programmspeicher (etwa einem EPROM) 107 verbunden ist. Die Verarbeitungs­ einheit kann optional - was durch gestrichelte Linien dar­ gestellt ist - auch mit dem Ausgang eines Temperaturfüh­ lers (gemäß der Figur des Fühlers 21 aus Fig. 4 oder 5) verbunden sein, so daß auch die Temperatur des Laseranord­ nung in die Steuerung der Kühlanordnung eingeht.

In der Verarbeitungseinheit 105 wird unter Abruf eines Programms und von vorgespeicherten Daten zur Korrektur des T-Feldes im Laserkristall 1 durch Veränderung der Be­ triebsspannung der Peltierelemente 6.1 bis 6.8 ein Satz von Steuerdaten für die Spannungsversorgung der einzelnen Peltierelemente errechnet, der schließlich einer Span­ nungsversorgungseinheit 108 für die Kühlelemente zugeführt wird und eine entsprechende Einstellung der Betriebsspan­ nungen und damit der Kühlleistungen der Peltierelemente bewirkt. Dies führt zu einer Gestalt des T-Feldes im La­ serkristall, mit der die gewünschten Laserstrahlparameter erzielt werden. Die Einstellung der Spannungsversorgungs­ einheit kann nach Beendigung des Einstellvorganges verrie­ gelt werden.

Das Verarbeitungsprogramm für die gemessenen Strahldaten kann bei der beschriebenen Anordnung ein iteratives Pro­ gramm sein, wobei während der Einstellung laufend die ver­ änderten Strahlparamater erfaßt werden und einem nächsten Iterationsschritt zugrundegelegt werden können. Besonders vorteilhaft kann hier ein Fuzzy-Logic-Algorithmus angewen­ det werden.

Zur Darstellung der erfaßten Daten und Verarbeitungsergeb­ nisse für einen Bediener und zur Beeinflussung des Verar­ beitungsprozesses sind die genannten Komponenten weiter­ hin jeweils mit einer Anzeige- und Eingabeeinheit 109 - etwa Bildschirm und Tastatur eines herkömmlichen PC - ver­ bunden.

Eine grundsätzlich völlig analoge Schaltung kann zur Steuerung bzw. Einstellung einer aktiven Heizanordnung nach Fig. 4c oder auch einer kombinierten Kühl- und Heiza­ nordnung nach Fig. 4d eingesetzt werden. Weiterhin kann auf ähnliche Weise - alternativ oder ergänzend zur Steue­ rung des Temperaturfeldes - über die separate Ansteuerung mehrere Pumplichtquellen eine Steuerung der Leuchtdichte­ verteilung des Pumplichts im Festkörperlaser vorgenommen werden.

Fig. 6 ist eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung einer weiteren Modifizierung der weiter oben erläuterten Ausfüh­ rungsformen einer Festkörperlaservorrichtung, mit der eine Verschmälerung der spektralen Bandbreite und eine Verein­ heitlichung der Phasenlage des erzeugten Laserstrahlbün­ dels erreichbar ist.

Dem in dieser Figur mit YAG bezeichneten Festkörperlaser­ körper mit einer Laserwellenlänge von 1064 nm sind in üblicher Weise zwei Resonatorspiegel ML1 und ML2 zugeord­ net. Der vordere, halbdurchlässige Spiegel ML2 ist auf der dem Festkörperlaserkörper YAG abgewandten konvexen Stirn­ fläche eines - hier mit KTP bezeichneten - intrakavitären Frequenzverdopplerkristalls gebildet, der hintere Spiegel ML1 separat. Mit r1 und r2 sind die Spiegelradien der Re­ sonatorspiegel bezeichnet, mit r3 der Radius der vorderen KTP-Stirnfläche. Typischerweise liegt r1 im Bereich von 10 cm, r2 und r3 liegen bei einigen mm. An den Spiegel­ bzw. Stirnflächen ist jeweils mit "AR . . . " das Vorhanden­ sein einer Antireflexbeschichtung und mit "HR . . . " einer hochreflektierenden Beschichtung für eine bestimmte Wel­ lenlänge gekennzeichnet.

Extrakavitär (in der Figur links vom vorderen Spiegel ML2) ist noch eine Kollimatorlinse COL2 gezeigt. Sonstige opti­ sche Elemente und die Pumpanordnung sind hier zur Verein­ fachung weggelassen. Die Verhältnisse hinsichtlich der Strahlfrequenzen sind durch Angabe der Wellenlängen (1064 nm = primäre Wellenlänge, 532 nm = Wellenlänge nach Fre­ quenzverdopplung) an verschiedenen Stellen der Anordnung verdeutlicht. Die Abstimmung nach der Justage erfolgt auf die weiter oben beschriebene Weise, also etwa durch T-Steuerung des Frequenzverdopplers, was in der Figur mit einem Pfeil mit dem Bezugszeichen TC verdeutlicht ist.

Seitlich der Festkörperlaseranordnung ist eine InGaAs- Laserdiode LAD angeordnet, die ebenfalls bei einer Wellen­ länge von 1064 nm mit einer Ausgangsleistung von ca. 50 mW emittiert. Deren Strahlung wird nach Passieren einer Kol­ limatorlinse COL1 und zweier Umlenkspiegel M1 und M2 mit einem Transmissionskoeffizienten von ca. 1% longitudinal in die Festkörperlaseranordnung eingekoppelt. Dort be­ wirkt diese schmalbandige Strahlung eine Frequenz- und Phasenverriegelung ("injection locking") der vom Festkör­ perlaser YAG emittierten Strahlung auf die Strahlung des Halbleiterlasers LAD, des sogenannten "Seeders".

Das in Fig. 6 anhand einer Linearresonator-Anordnung er­ läuterte Prinzip ist grundsätzlich analog auch bei einer (an sich bekannten und daher hier nicht gesondert gezeig­ ten) Ringresonatoranordnung realisierbar, wobei hier die Einkopplung der Laserdiodenstrahlung in den Festkörperla­ ser unter einem Winkel zu dessen Längsachse erfolgt, der auf die Geometrie des Ringresonators abgestimmt ist.

Bei dieser Anordnung läßt sich die Frequenz noch besser abstimmen, wobei zur gleichzeitigen Abstimmung von effek­ tiver Resonatorlänge und Phasenlange des Seeders insbeson­ dere eine einzelne (nicht gezeigte) piezomotorisch longi­ tudinal verschiebbare planparallele Quarzplatte in den Strahlengang eingefügt sein kann, die von der Seeder- und der Laserstrahlung jeweils unter einem kleinen Winkel schräg durchsetzt wird.

Mit einer Temperatursteuerung des KTP-Kristalls läßt sich in einfacher Weise ohne mechanischen Eingriff eine Abstim­ mung der effektiven Resonatorlänge der Anordnung errei­ chen, ohne daß zusätzliche steuerbare Refraktionselemente (wie etwa eine temperierbare Quarzplatte oder ein piezome­ chanisches Abstimmelement) erforderlich wären. Alternativ kann aber auch - was in der Figur nicht dargestellt ist - ein derartiges Element eingesetzt werden. Je nach konkre­ ter Ausführung ist zur thermischen oder piezomechanischen Abstimmung der Laseranordnung eine entsprechende Steue­ reinheit vorzusehen.

Seitlich der Festkörperlaseranordnung ist eine InGaAs- Laserdiode LAD angeordnet, die ebenfalls bei einer Wellen­ länge von 1064 nm mit einer Ausgangsleistung von ca. 50 mW emittiert. Deren Strahlung wird nach Passieren einer Kol­ limatorlinse COL1 und zweier Umlenkspiegel M1 und M2 mit einem Transmissionskoeffizienten von ca. 1% longitudinal in die Festkörperlaseranordnung eingekoppelt. Dort be­ wirkt diese schmalbandige Strahlung eine Frequenz- und Phasenverriegelung ("injection locking") der vom Festkör­ perlaser YAG emittierten Strahlung auf die Strahlung des Halbleiterlasers LAD, des sogenannten "Seeders".

Das in Fig. 6 anhand einer Linearresonator-Anordnung er­ läuterte Prinzip ist grundsätzlich analog auch bei einer (an sich bekannten und daher hier nicht gesondert gezeig­ ten) Ringresonatoranordnung realisierbar, wobei hier die Einkopplung der Laserdiodenstrahlung in den Festkörperla­ ser unter einem Winkel zu dessen Längsachse erfolgt, der auf die Geometrie des Ringresonators abgestimmt ist.

Bei dieser Anordnung läßt sich die Frequenz noch besser abstimmen, wobei zur gleichzeitigen Abstimmung von effek­ tiver Resonatorlänge und Phasenlange des Seeders insbeson­ dere eine einzelne (nicht gezeigte) piezomotorisch longi­ tudinal verschiebbare planparallele Quarzplatte in den Strahlengang eingefügt sein kann, die von der Seeder- und der Laserstrahlung jeweils unter einem kleinen Winkel schräg durchsetzt wird.

Fig. 7 zeigt in einer (schematischen) Detaildarstellung eine spezielle Ausbildung von leicht justierbaren Befesti­ gungselementen für die SMD-Montage der optischen Komponen­ ten einer Festkörperlaservorrichtung in Art der in Fig. 2 oder 3 gezeigten, dargestellt am Beispiel einer Halterung für einen Resonatorspiegel 17′.

Der Spiegel 17′ ist auf eine Al₂O₃-Platte 17.1′ aufge­ klebt, in die zu diesem Zweck eine dem Außendurchmesser des Spiegels 17′ angepaßte Vertiefung 17.1a′ in Gestalt eines Zylindersegments eingearbeitet ist. In diese greift ein Abschnitt der Umfangsfläche des Spiegels ein. Die Verbin­ dung zwischen der Spiegeltragplatte 17.1′ und der Träger­ platte 10 der Vorrichtung (vgl. eine der Fig. 1 bis 3) wird über drei U-förmige Halter 17.2a′, 17.2b′, 17.2c′ aus einer leicht biegbaren Legierung, etwa InPbSn, herge­ stellt, die über Lötverbindungen 17.3a′, 17.3b′, 17.3c′ auf Metallisierungsbereichen 10a der Oberfläche des Trä­ gers 10 mit diesem verlötet sind. Durch Eingriff mit einer (in der Figur strichpunktiert skizzierten) Schraubenzie­ herklinge lassen sich die Halter jeweils leicht aufbiegen, so daß eine Drei-Achsen-Justierung der Lage der Spiegel­ tragplatte 17.1′ und damit der Lage der Spiegelachse A_M ohne besondere Hilfsmittel möglich ist.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (22)

1. Festkörperlaservorrichtung mit einem im wesentlichen stab- oder plattenförmigen Laserkörper (1; 1′′) mit einer Längsachse (A), einem achsparallel zur Längsachse des La­ serkörpers angeordneten Resonator (4, 5; 17, 18; 25, 26) und einer Pumplichtquelle (15a bis 15c, 16a bis 16c; 22, 23) zur Anregung des Laserkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper mit dem Resonator fest auf einem wärmeab­ leitenden, insbesondere thermostatierten, Trägerelement (10; 10′) als zusammenhängende kompakte Baugruppe aufge­ baut ist.

2. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß ein inner­ halb des Resonators angeordnetes Frequenzvervielfacherele­ ment (24), insbesondere ein Frequenzverdopplerkristall, zur Frequenzvervielfachung der Laserstrahlung aufgrund nichtlinearer optischer Effekte zusammen mit dem Laserkör­ per (1′′) und dem Resonator (25, 26) fest auf dem Träger­ element (10′) angeordnet ist.

3. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Laserkörper (1′′) abgewandte Stirnfläche (24c) des Fre­ quenzverdopplerkristalls (24) als vollreflektierende Reso­ natorspiegelfläche (25) und die dem Frequenzverdopplerkri­ stall abgewandte Stirnfläche des Laserkörpers als Auskop­ pelspiegel (26) ausgebildet ist.

4. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß weiterhin mindestens ein optisches Element (19, 20) zur Formung des Strahlquerschnitts auf dem Träger­ element (10′) angeordnet ist.

5. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens eine Oberfläche des Trägerelemen­ tes (10; 10′) im wesentlichen eben ist und auf diese die auf dem Trägerelement angeordneten Elemente SMD-montiert, insbesondere aufgelötet oder leitfähig aufgeklebt, sind.

6. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Temperaturfühler (21) zur Erfassung der Temperatur, eine mit dessen Ausgang verbundene Regelein­ heit (105) und eine mit deren Ausgang verbundenes Heiz-und/oder Kühleinrichtung (6.1 bis 6.8) zur Regelung, insbesondere Konstanthaltung, der Temperatur der optischen Elemente vorgesehen sind.

7. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Trägerelement (10, 10′) eine Al₂O₃-Platte umfaßt.

8. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Trägerelement (10′) eine, insbesondere zweifach kaskadierte, Anordnung von Peltierelementen auf­ weist.

9. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Laserkörper (1; 1′′) ein, insbesondere quaderförmiger, Miniatur-Laserkristall aus Nd- oder Yb- dotiertem YAG ist.

10. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens eine transversal zum Laserkörper (1′′) angeordnete Pumplichtquelle (15a bis 15c, 16a bis 16c; 22, 23) vorgesehen ist.

11. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere transversal zum Laserkörper (1′′), insbesondere beidseitig des Laserkörpers, angeordnete Halbleiterlaser (15a bis 15c, 16a bis 16c; 22, 23) als Pumplichtquellen vorgesehen sind.

12. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Lichtaustrittsflächen der Halbleiterlaser (15a bis 15c, 16a bis 16c) und dem Laserkörper (1′′) Lichtleitfasern (13a bis 13c, 14a bis 14c) zur Führung des Pumplichtes vorgese­ hen sind.

13. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (1a/M′′, 1b/M′′) des Laserkörpers (1′′), an denen kein Pumplicht eingekoppelt wird, zur effizienten Ausnutzung des Pumplichtes nicht poliert sind.

14. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Laserkörper (1; 1′′) zur Einstellung eines vorbestimmten Temperaturprofils eine an einer Umfangsflä­ che (1a, 1b; 1a/M′′, 1b/M′′) des Laserkörpers vorgesehene Anordnung (2, 3; 11, 12) zur Wärmeableitung vom Laserkör­ per an die Umgebung zugeordnet ist, die in Richtung der Längsachse (A) des Laserkörper periodisch abwechselnd Ab­ schnitte (2a, 2b, 3a, 3b; 11a, 11b, 12a, 12b) mit höherem und niedrigerem Wärmeübergangswiderstand aufweist.

15. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung zur Wärmeableitung mindestens einen metallischen Wär­ meleitkörper (2, 3; 11, 12) mit sich periodisch abwech­ selnden Vorsprüngen (2b, 3b; 11b, 12b) und Aussparungen (2a, 3a; 11a, 12a) umfaßt, wobei die Vorsprünge dem Laser­ körper (1; 1′′) zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, während die Aus­ sparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper bilden.

16. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Einstellung eines vorbestimmten Tempera­ turprofils an der Umfangsfläche (1a, 1b) des Laserkörpers (1) eine aktive Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (6.1 bis 6.8; 7.1 bis 7.10) vorgesehen ist, die in Richtung der Längsachse (A) des Laserkörpers periodisch abwechselnd Be­ reiche mit höherer und niedrigerer Umfangstemperatur er­ zeugt.

17. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, daß eine elek­ trisch betriebene, insbesondere nach dem Peltier-Effekt arbeitende, Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laserstabes abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizbereichen vorgesehen ist.

18. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen (1a, 1b; 1a/M′′, 1b/M′′) des Laserkörpers (1; 1′′) je eine Anord­ nung zur Wärmeableitung (2, 3; 2′′, 3′′; 11, 12) und/oder eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (6.1 bis 6.8; 7.1 bis 7.10) angeordnet ist.

19. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Wärmeableitung (2, 3; 2′′, 3′′; 11, 12) und/oder die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (6.1 bis 6.8; 7.1 bis 7.10) zusammenhängend mit dem Trägerelement (10; 10′) oder in gutem thermischem Kontakt mit diesem ge­ bildet ist.

20. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorange­ henden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein longitudinal von der Rückseite des vollreflektierenden Resonatorspiegels (ML1) einstrah­ lender Halbleiterlaser (LAD) zur Frequenz- und Phasenver­ riegelung der Festkörperlaserstrahlung vorgesehen ist.

21. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die mindestens ein Teil der optischen Elemen­ te (17, 18; 24) biegbare Montageflächen (17a, 17b, 18a, 18b; 24a, 24b; 17.2a′, 17.2b′, 17.2c′) zur nachjustierba­ ren Befestigung auf dem Trägerelement (10′′; 10) aufweist.

22. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die biegba­ ren Montageflächen bei mindestens einem Teil der optischen Elemente als U-förmige Halter (17.2a′, 17.2b′, 17.2c′) ausgeführt sind, wobei jedes Element (17) insbesondere drei in einem seitlichen Abstand zueinander angeordnete U-förmige Halter aufweist, von denen die beiden äußeren im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Festkörperla­ servorrichtung in die gleiche Richtung und das mittlere in die entgegengesetzte Richtung geöffnet sind.