DE19510713C2 - Festkörperlaservorrichtung mit Mitteln zur Einstellung eines Temperaturprofils des Laserkörpers - 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 einfachen 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 - gepumpt, 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) emittierenden, 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 unten) von 70 bis weit über 90% erreicht. Diese Pumplichtquellen finden daher in den sogenannten DPSS(Diode Pumped Solid-State)-Laseranordnungen zunehmende Verbreitung.

Der zunehmende Einsatz und die künftig zu erwartenden ausgezeichneten Marktchancen des miniaturisierten DPSS-YAGLasers resultieren auch aus der Möglichkeit, damit bei einfachem Aufbau hohe Leistungen im Impulsbetrieb bei hoher Folgefrequenz wie auch im kontinuierlichen Betrieb und ein nahezu ideal Gauß'sches Strahlprofil zu erreichen.

Hier tritt jedoch mit dem sogenannten "thermal lensing", der unkontrollierten Bildung von linsenartig wirkenden Brechzahlgradienten-Bereichen und ggf. (bei infolge hoher volumenspezifischer Pumpleistung) auch von doppelbrechenden Bereichen im Laserkörper ein ernstes Problem auf, das zu einer unkontrollierten Brechung des Laserstrahls und damit zu einer starken Verschlechterung der Strahlqualität führt.

Die Auswirkungen des "thermal lensing" sind insbesondere im Zusammenhang mit einer Frequenzvervielfachung (speziell-verdopplung) der erzeugten Laserstrahlung durch nichtlineare Effekte nicht hinnehmbar, weil die Frequenzverdopplungseffizienz und damit die erzielbare Ausgangsleistung mit abnehmender Strahlqualität bei der gewünschten Endfrequenz stark absinkt.

Es wurde versucht, durch Einsatz von Laserkristallen mit trapezförmiger Längs­ schnittgestalt (sogenannter SlabGeometrie), bei denen der Strahl nicht geradlinig längs einer Kristall-Längsachse, sondern nach Eintritt in den Kristall unter dem Brewster-Winkel zickzackartig in einer Ebene zwischen zwei gegenüberliegenden Umfangsflächen verläuft, den störenden Einfluß des "thermal lensing" zu kompensieren. Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips ist in EP 0 301 526 B1 beschrieben, wonach sich der Strahl im Kristall schraubenartig unter jeweils sequentieller Reflexion an allen Umfangsflächen ausbreitet. Die Bearbeitung der Kristalle ist hierbei jedoch sehr aufwendig, der Kompensationseffekt hat sich als unbefriedigend erwiesen und die Laserschwelle erhöht sich merklich.

In der nachveröffentlichten Schrift DE 44 02 688 A1 hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen, bei einem transversal gepumpten DPSS (diode pumped solid state)-Laser das Pumplicht in Richtung der Längsachse eines stabförmigen Laserkristalls in seiner Intensität zu modulieren, wodurch abwechselnd angeordnete Bereiche mit hoher und mit niedriger Energiedichte im Kristall erzeugt werden sollen. Dieses Vorgehen ist bei front-end-gepumpten Anordnungen nicht durchführbar und erfordert zur zuverlässigen Realisierung über längere Betriebs­ dauern (während derer mit Parameteränderungen oder auch Ausfällen von Pumplichtquellen gerechnet werden muss) eine aufwendige Ansteuer- und Kontrollelektronik.

Aus der Schrift U. J Greiner et al., "Diode-Pumped Nd: YAG Laser Using Reflective Pump Optics", Applied Physics B 58 (1994), Seiten 393 bis 395, ist es bekannt, in einer Festkörperlaservorrichtung einen transversal gepumpten Laserstab mit einer röhrenförmigen, wasserdurchflossenen Kühleinrichtung zu umgeben, um das Auftreten von "thermal lensing" zu vermeiden. Nachteilig ist bei einer solchen Vorrichtung jedoch, dass eine derartige Kühlung die Ausbildung eines Temperatur­ gradienten senkrecht zur Längsachse des Laserkörpers nicht völlig verhindern kann und auch das die Strahlqualität mindernde "thermal lensing" nicht vollständig beseitigt wird.

Die DE 39 30 328 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Festkörperlaservorrichtung, bei der dem "thermal lensing" in einem plattenförmigen Laserkörper mit fluidgekühl­ ten Seitenschienen begegnet wird, die den Laserkörper in einem Längsabschnitt an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen kontaktieren. Mit Hilfe der Seitenschienen wird in diesem Längsabschnitt der Temperaturverlauf des Läserkörpers nahe den Seitenflächen beeinflusst. Auch diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass das "thermal lensing" nicht vollständig beseitigt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Festkörperlaservorrichtung der eingangs genannten Art mit möglichst geringer Beeinträchtigung der Strahlqualität aufgrund des "thermal lensing" anzugeben.

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

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, durch gezielte lokale Steuerung einer effizienten Wärmeableitung aus dem Lasermedium und/oder lokale Kühlung und/oder Zusatzheizung im Laserkörper (Stab bzw. Platte) in Längsrichtung, d. h. in Strahllaufrichtung, abwechselnd Bereiche mit höherer und mit niedrigerer Temperatur zu erzeugen. Dadurch werden in dem Material alternierend Brechzahl­ gradienten mit unterschiedlichem Vorzeichen aufgebaut. Nach deren Durchlaufen weist die Strahlform eines sich in Längsrichtung des Kristalls ausbreitenden Strahls gegenüber der Strahlform eines Strahls, wie er ohne thermische Effekte im Material vorläge, keine wesentlichen Unterschiede auf, weil die "lensing"-bedingten Strahlablenkungen bzw. -verformungen an den einzelnen Brechzahlgradienten sich über die Gesamtlänge des Laserkörpers im wesentlichen aufheben.

Dieser Gedanke hat vielgestaltige Ausprägungsmöglichkeiten in speziellen Festkörperlaser-Konfigurationen, auch über den transveral gepumpten miniaturisier­ ten DPSS-Laser hinaus.

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

Diese Anordnung kann auf einfache und kostengünstig herstellbare Weise im wesentlichen durch mindestens einen metallischen Wärmeleitkörper mit sich periodisch abwechselnden Vorsprüngen und Aussparungen gebildet sein, bei dem die Vorsprünge dem Laserkörper zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, während die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper bilden. Anstelle der Abstandsbereiche können zwischen den Bereichen mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch wärmeisolierende Bereiche vorgesehen sein.

Anstelle einer speziell gestalteten Wärmeableitanordnung oder zusätzlich zu dieser kann weiterhin eine an der Umfangsfläche des Laserkörpers angeordnete aktive Heiz- und/oder Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die so ausgeführt ist, daß sie in Richtung der Längsachse des Laserkörpers periodisch abwechselnd Bereiche mit höherer und niedrigerer Umfangstemperatur und damit auch Temperaturgradienten im Inneren des Materials erzeugt.

Hierfür kann einerseits eine aktive, insbesondere elektrisch betriebene, Kühlvor­ richtung mit in Richtung der Längsachse des Laserkörpers in Abständen angeord­ neten Kühlelementen oder -bereichen vorgesehen sein. Dies kann etwa eine Zeilenanordnung von Peltierelementen sein.

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

Auch eine Kombination einer Heiz- mit einer Kühlvorrichtung mit alternierend angeordneten Kontaktbereichen zum Laserkörper ist möglich.

Schließlich kann als besonders einfache, wirkungsvolle und kostengünstig verfügbare Anordnung eine elektrisch betriebene, nach dem Peltier-Effekt arbeitende, kombinierte Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laserstabes abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizbereichen vorgesehen sein.

Die genannten speziellen Anordnungen können jeweils - einzeln oder in Kombination - an zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Laserkörpers angeordnet sein.

Der Laserkörper ist insbesondere ein Miniatur-Laserkristall aus Nd- oder Yb- dotiertem YAG mit quaderförmiger Gestalt oder mindestens einer dem Wärme­ ableitkörper bzw. dem Kühl- und/oder Heizelement zugewandten ebenen Fläche. Bei einem quaderförmiger Kristall können die Abmessungen beispielsweise ca. 20 × 20 × 5 mm sein.

In einer - praktisch bevorzugten - transversal gepumpten Anordnung ist mindestens eine seitlich vom Laserkörper (transversal) angeordnete Pumplichtquelle vorgesehen, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Längsachse in diesen einstrahlt. Vorzugsweise sind aber mehrere, insbesondere beidseitig des Laserkörpers, angeordnete NIR-Halbleiterlaser als Pumplichtquellen vorgesehen. Zwischen den Lichtaustrittsflächen der Laserdioden und dem Festkörperlaserkörper sind bevorzugt Lichtleitfasern zur Führung des Pumplichtes vorgesehen. Dadurch ist eine sehr kompakte Ausbildung der Pumpeinheit als Laserdioden-Lichtleitfaser-Block möglich.

Zur Realisierung einer kompakten und gleichzeitig geometrisch hochstabilen Laservorrichtung und zur technologischen Vereinfachung sind vorzugsweise mindestens der Laserkörper und der Resonator mit der Anordnung zur Wärme­ ableitung und/oder der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung als zusammenhängende kompakte Einheit aufgebaut. Unter Verwendung kommerziell verfügbarer Kühlarrays sind der Laserkörper und der Resonator vorteilhaft auf einer - insbesondere zweifach kaskadierten - Peltierelementanordnung mit Al₂O₃-Grundplatte, als Träger mittels der SMD(Oberflächenmontage)-Technologie montiert, speziell auf den Träger aufgelötet oder wärmeleitfähig aufgeklebt.

Die Seitenflächen des Laserkörpers, an denen kein Pumplicht eingekoppelt wird, sind zur effizienten Ausnutzung des Pumplichtes metallisiert, zur Unterdrückung 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 (die zudem in nachteiliger Weise einen Teil der erzeugten Strahlleistung ausblenden und damit vernichten würde) vereinfacht gestaltet sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders vorteilhaft für Festkörperlaservor­ richtungen mit Frequenzvervielfachung, speziell-verdopplung, einsetzbar, bei denen zusätzlich in der Laserkavität (d. h. zwischen den Resonatorspiegeln) ein Frequenz­ vervielfacherelement, insbesondere ein Frequenzverdopplerkristall (KDP = Kaliumdiposphat, KTP = Kaliumtitanylphosphat, Lithiumniobat o. ä.) mit nicht­ linearen optischen Eigenschaften vorgesehen ist.

Da es bei einer solchen Anordnung besonders auf die Stabilität der Abmessungen und der relativen Lage der Komponenten ankommt, ist hier speziell die oben bereits erwähnte Ausführung als kompakte Einheit vorteilhaft, wobei der Frequenzverdopp­ lerkristall in die zusammenhängende kompakte Einheit integriert ist. Dabei kann die dem Laserkörper abgewandte Stirnfläche des Frequenzverdopplerkristalls insbesondere zugleich als vollreflektierende Resonatorspiegelfläche und die dem Frequenzverdopplerkristall abgewandte Stirnfläche des Laserkörpers als Auskoppel­ spiegel ausgebildet sein. Diese Anordnung ist - obzwar sie hohe Anforderungen an die Qualität der Oberflächenbearbeitung der Kristall-Stirnflächen stellt - technolo­ gisch relativ einfach realisierbar, und der Umfang aufwendiger Justierarbeiten wird minimiert.

Die als kompakte Baugruppe aufgebaute Laservorrichtung weist zweckmäßigerwei­ se einen Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur, eine mit dessen Ausgang verbundene Regeleinheit und eine mit deren Ausgang verbundene Heiz- und/oder Kühleinrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur der Baugruppe auf, um temperaturschwankungsbedingte Geometrieänderungen, die zu einer Verschlechte­ rung der Laserparameter führen würden, zu minimieren.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann in zweckmäßiger Weise im Zusammenhang mit einer Pumpanordnung realisiert sein, mit der der Laserkristall möglichst homogen ausgeleuchtet wird. Hierzu können in den Laserkristall an den Seiten­ flächen, über die das Pumplicht eingekoppelt wird, zusätzlich Diffusorelemente eingearbeitet sein, die in Art der Ulbricht-Kugel wirken.

Vorteilhaft kann sie andererseits jedoch auch mit einer Pumpanordnung realisiert sein, mit der in Richtung der Laserkörper-Längsachse periodisch abwechselnd Bereiche höherer und niedrigerer Leuchtdichte erzeugt werden. Wichtig ist in jedem Falle, daß das Temperaturfeld im Laserkristall langzeitstabil eingestellt werden kann.

Ein optimierter Betrieb einer solchen Laservorrichtung wird möglich, wenn eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgangsseitig mit einem Steuer­ eingang der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung und/oder der Steuereinrichtung für die Pumplichtquelle(n) verbunden ist und über die ein vorbestimmtes Temperaturprofil und/oder eine vorbestimmte Leuchtdichteverteilung in Richtung der Längsachse des Laserkörpers eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.

In einer vorteilhaften Ausbildung können im Laserresonator Mittel zur Formung des Strahlquerschnittes vorgesehen sein, mit denen sich aus dem üblicherweise beim YAG-Laser nicht a priori kreisförmigen Strahlquerschnitt ein im wesentlichen kreisförmiger Querschnitt bilden läßt. Dies kann im einfachsten Falle eine sogenannte Modenblende sein (bei der die Optimierung des Strahlquerschnitts allerdings mit einem Verlust an auskoppelbarer Ausgangsleistung erkauft wird), oder es kann ein geeignet geformtes Refraktorelement verwendet werden.

Eine noch verbesserte Frequenz- bzw. Modencharakteristik kann durch das zusätzliche Vorsehen eines sogenannten "Seeders", d. h. einer Laserdiode mit optischer Anordnung zur longitudinalen Einkopplung der Strahlung in den (Festkörper-)Laserkörper durch den Rückseitenspiegel des Resonators hindurch, erreicht werden. Damit kann die Strahlung des Festkörperlasers, die ohne eine solche Anordnung mehrere Moden innerhalb einer Bandbreite von etwa 4.4 GHz aufweist, im wesentlichen auf eine Mode bzw. Frequenz verriegelt werden ("injection locking").

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzug­ ten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und Wärmeableitkörper gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1b eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und Kühlanordnung gemäß einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 1c eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper, Zusatzheizung und Wärmeableitkörper gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1d eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und kombinierter Heiz- und Kühlanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des "thermal lensing"-Effekts beim Stand der Technik,

Fig. 3a eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer Bauform der Anord­ nung gemäß Fig. 1a,

Fig. 3b eine vereinfachte Draufsicht der Bauform nach Fig. 1a,

Fig. 3c eine vereinfachte Querschnittsdarstellung der Bauform nach Fig. 1a,

Fig. 4 eine vereinfachte perspektivische Gesamtansicht einer Festkörperla­ servorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4a eine Detaildarstellung einer Abwandlung der in Fig. 4 gezeigten Vor­ richtung,

Fig. 5 eine vereinfachte perspektivische Gesamtansicht einer Festkörperla­ servorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (mit Frequenzverdopplung),

Fig. 5a eine Detaildarstellung einer Abwandlung der in Fig. 5 gezeigten Vor­ richtung,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer Modifizierung der in Fig. 4 bzw. Fig. 5 gezeigten Ausführungsformen,

Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Meß- und Steuerschaltung für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung einer vorteilhaften Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1a zeigt in einer Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einen in der Längsschnitt­ gestalt rechteckigen Nd-dotierten YAG-Laserkristall 1 mit je einem auf der Oberseite 1a und der Unterseite 1b angeordneten - in der Figur nur ausschnittsweise gezeigten - Metallkörper 2 und 3 aus massivem Aluminium 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 rechteckigen 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 der Schlitze 2a, 3a besteht kein körperlicher Kontakt und damit eine gegenüber den Kontaktbereichen der vorspringenden Abschnitte 2b, 3b mit dem Laserskristall 1 stark verringerte Wärmeleitung zwischen dem Laserkristall und den Wärmeableitkörpern 2, 3.

Zwischen der hinteren (in der Figur linken), mit einer vollständig reflektierenden Beschichtung - dem ersten Resonatorspiegel - 4 versehenen Stirnfläche 1c und der vorderen (in der Figur rechten), mit einer teilweise reflektierenden - den zweiten Resonatorspiegel bildenden - Beschichtung 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-Halbleiterla­ serdioden - oberhalb einer Schwelleistung in bekannter Weise ein Laserstrahl(bündel) mit einer Wellenlänge von 1064 nm aus. In der Figur ist ein etwas oberhalb der Längsachse A des Kristalls liegender, d. h. einen sogenannten Offset aufweisender Teilstrahl gezeigt.

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

Infolge der stark unterschiedlichen Wärmeleitung zwischen dem Laserkristall und den Wärmeableitkörpern in den Bereichen 2a, 3a einerseits und 2b, 3b andererseits erfolgt eine entsprechend der geometrischen Gestalt der Oberflächen der Wärmeableitkörper in Richtung der Längsachse A des Laserkristalls 1 modulierte Abführung der Wärmeenergie. Im Ergebnis dessen bildet sich im Laserkristall 1 ein Temperaturfeld der in der Figur gestrichelt gezeigten Gestalt aus, das durch eine Periodizität von im Querschnitt annähernd elliptischen 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 Doppelbrechungs­ effekten bildet sich zugleich eine der Gestalt des Temperaturfeldes entsprechende, Flächen R₁, R₂, R₃ gleicher Brechzahl aufweisende, räumliche Verteilung der Brechungsindizes (gewissermaßen ein "Brechzahlfeld") im Laserkristall aus.

Wie am Verlauf des Strahls in der Figur schematisch verdeutlicht, bewirkt die dargestellte räumliche Verteilung der Brechungsindizes periodisch abwechselnd Ablenkungen 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 parallele Strahlorientierung ergibt. Dies führt - betrachtet man die achsenversetzten Strahlen in ihrer Gesamtheit - zur Ausbildung eines Strahlbündels mit hohem Grad an Parallelität und Phasenkohärenz und einer in vorteilhafter Weise nahezu ideal Gauß'schen Energieverteilung im Strahlquerschnitt.

Durch die angegebene Anordnung wird somit der nachteilige Effekt des "thermal lensing" bei herkömmlichen Festkörperlaseranordnungen, wie er in Fig. 2 skizziert ist, unterdrückt.

Fig. 2 zeigt einen Laserkristall 1' mit konventioneller, längs der Seitenflächen 1a', 1b' im wesentlichen gleichmäßiger Wärmeabführung und den Verlauf des Mittelstrahles Rm' und eines achsenversetzten Strahles RO' an Isothermen I₁', I₂', I₃', denen auch hier Flächen R₁', R₂', R₃' gleicher Brechzahl entsprechen. Der schematisch dargestellte Strahlverlauf verdeutlicht die Abweichung des Verlaufes des achsenversetzten Strahles von der Richtung der Längsachse A' des Laser­ kristalls infolge der unkontrolliert gebildeten thermischen Linse, der auch mit Phasenverschiebungen und somit einer Verschlechterung der Kohärenz der Laserstrahlung einhergeht.

Fig. 1b zeigt (wiederum im Längsschnitt) eine Prinzipdarstellung 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 Berührungsflächen mit dessen oberer bzw. unterer Seitenfläche 1a bzw. 1b, treten also funktionell im Grunde an die Stelle der dem Laserkristall zugewandten Vorsprünge der Wärmeableitkörper 2, 3 in Fig. 1a. In der Figur ist vereinfachend angenommen, daß auch das resultierende Temperaturfeld und damit die räumliche Verteilung des Brechungsindex den Verhältnissen in Fig. 1a entspricht. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1b kann aber selbstverständlich bei separater Ansteuerung der Kühlelemente 6.1 bis 6.8 im Bedarfsfall durch geeignete Wahl der Spannungen der einzelnen Kühlelemente eine differenziertere und vor allem zeitabhängig veränderbare Steuerung der Gestalt des T-Feldes und damit des Strahlverlaufes des Laserstrahles R_o erfolgen.

Damit ist auf elektrisch-thermischem Wege eine Nachjustierung des Strahlverlaufes und der Phasenverhältnisse bei der Laservorrichtung ohne Änderungen am Aufbau möglich. Dies ermöglicht in technologisch vorteilhafter Weise eine Fixierung des Elementes sofort bei der Herstellung der Vorrichtung.

Diesen Vorteil hat auch die in Fig. 1c - 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 Heizelementen 7.1 bis 7.10 gemäß einer weiteren Ausführungsform, sofern hier die Heizelemente einzeln ansteuerbar sind.

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

Ansonsten ist in Fig. 1c angenommen, daß die Ausdehnung und die Abstände der Heizelemente denen der Schlitze bei Fig. 1a entsprechen und die thermische Wirkung der Heizelemente, d. h. der Einfluß auf das Temperaturfeld im Laserkristall, der der Schlitze der Wärmeableitkörper 2, 3 äquivalent ist. Diese vereinfachenden Annahmen wurden natürlich nur im Hinblick auf die Übersichtlichkeit der Dar­ stellungen getroffen. Die konkrete Ausführung hinsichtlich der Geometrie und der thermischen Parameter wird der Entwerfer der Laservorrichtung nach deren angestrebten Leistungsparametern vornehmen. Dabei müssen die Abmessugen und Abstände der Bereiche mit höherer und derer mit geringerer Kühlwirkung auch keineswegs alle gleich sein.

Fig. 1d 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 Wärmeableitkörper 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. 1a entsprechen.

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. 1a 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. 1b bis 1d können die aktiven Elemente jedoch auch gruppenweise oder alle zusammen angesteuert - etwa in Reihenschaltung betrieben - werden. Dies vereinfacht die Ansteuerung und reduziert die Herstellungskosten, verringert jedoch die Variationsmöglichkeiten bei der Formung des Brechzahlfeldes im Laserkristall.

Fig. 3a zeigt eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer technologisch vorteilhaft realisierbaren Bauform der grundsätzlichen Anordnung gemäß Fig. 1a, Fig. 3b eine vereinfachte Draufsicht und Fig. 3c eine vereinfachte Querschnitts­ darstellung (senkrecht zur Längsachse des Laserkristalls) dieser Bauform.

Als Träger dient ein Aluminiumoxidsubstrat 10 mit Oberflächenmetallisierung (In-Plattierung) 10a, auf das ein unterer (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 Kühlkörper 11, 12 sind in der oben erläuterten Weise mit in Längsachsenrichtung des Kristalls (x-Richtung) aufeinanderfolgenden und sich senkrecht hierzu (in y-Richtung) erstreckenden 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 Verringerung 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. 3a bis 3c sind die Resonatorspiegel nicht auf den Stirnflächen des Laserkristalls 1" angebracht, sondern es wird vom Vorhandensein extern angeordneter (in diesen Figuren nicht dargestellter) Spiegel ausgegangen.

Dementsprechend ist ein beide Stirnflächen des Laserkristalls durchsetzender achsenversetzter Strahl R_o" dargestellt, der durch spezielle Öffnungen 12d und 12e des oberen Kühlkörpers 12 ein- bzw. austritt.

Die obere und untere Umfangsfläche des Laserkristalls 1" sind nicht poliert, jedoch mit einer reflektierenden Metallisierung 1a/M" bzw. 1b/M" versehen.

In Fig. 3b und 3c sind auch die dem Laserkristall 1" zugewandten Enden von Lichtleitfasern zweier seitlicher Pumplicht-Zuführungsanordnungen 13 bzw. 14 dargestellt, und der Strahlverlauf der einzelnen Pumplichtstrahlen ist (mit gestrichelten Linien) skizziert. In Fig. 3c ist hierbei gut zu erkennen, daß das Pumplicht zwischen der Ober- und Unterseitenmetallisierung 1a/M" bzw. 1b/M" des Laserkristalls 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 parasitäre Moden verstärkt werden und die Strahlqualität beeinträchtigen 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 Schlitzbreiten in den Kühlkörpern ca. 0,5 mm.

Fig. 4 zeigt eine vereinfachte perspektivische Gesamtansicht einer Festkörperlaser­ vorrichtung, bei der die Kühlanordnung in der Bauform gemäß Fig. 3a bis 3c realisiert ist. Die in diesen Figuren verwendeten Bezugsziffern für die dort gezeigten Teile werden auch in Fig. 4 benutzt und diese Elemente werden hier nicht nochmals beschrieben.

In Fig. 4 ist - an drei Pumplichtquellen - genauer dargestellt, 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.

In dieser Figur sind auch ein hinterer, vollreflektierender Resonatorspiegel 17 und ein vorderer, halbreflektierender Resonatorspiegel 18 gezeigt. Beide Spiegel sind über zweifach abgewinkelte, bei der Montage zur Justierung biegbare Anschluß­ flächen ("pads" oder "legs") 17a, 17b bzw. 18a, 18b mit der lokalen Metallisierung 10a' des Trägers 10' verlötet. Weiter sind zwischen den Spiegeln 17, 18 und dem Laserkristall 1" je ein Element 19 bzw. 20 zur Strahlformung (z-Achsen-Dehnung) des erzeugten Laserstrahls und zur Reduktion transversaler Moden höherer Ordnung 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 Kühlanordnung 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 erreicht wird. Auf der Oberfläche der oberen Platte 10.1' ist ein Temperaturfühler 21 angeordnet, über den die Temperatur der Laservorrichtung abgefühlt und mit dessen Hilfe diese ggfs. durch geeignete Ansteuerung der Peltierelemente zusätzlich geregelt werden kann.

Fig. 4a ist eine Detaildarstellung einer hinsichtlich der Ausnutzung der Pump­ strahlung besonders vorteilhaften Ausbildung des Laserkristalls bei der Anordnung nach Fig. 4. Hier weist der Laserkristall 1''' neben der Grund- und Deckflächenbe­ schichtung 1b/M" bzw. 1a/M" zur weiteren Homogenisierung der Pumplichtver­ teilung im Inneren des Kristalls an den langen Seitenflächen 1c''' bzw. 1d''', die den Lichtleitfasergruppen 14 bzw. 13 zugewandt und parallel zur Richtung des Laserstrahls R sind, jeweils gegenüber den Enden der Lichtleitfasern annähernd halbkugelförmige Vertiefungen 1c/S''' bzw. 1d/S''' auf. Diese in des Lasermedium eingearbeiteten Vertiefungen wirken bezüglich der aus den Enden der benachbarten Lichtleitfasern austretenden Pumplichtstrahlbündel nach dem Prinzip der Ulbricht­ kugel als Streuflächen. Zur Verringerung von Reflexionsverlusten der Pumpstrahlung an den Seitenflächen und somit zur Verbesserung der Einkopplung ist zusätzlich vorgesehen, die Vertiefungen mit einem Gel 13a bzw. 14a zur Anpassung der Brechzahl ("index matching gel") auszufüllen, in das die Enden der Lichtleitfasern 14 bzw. 13 eintauchen.

Fig. 5 zeigt in einer (wiederum vereinfachten) perspektivischen Gesamtansicht eine weitere Festkörperlaservorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, mit der zusätzlich eine Frequenzverdopplung des erzeugten Laserstrahls vorgenommen wird. Die Ausbildung und Anordnung des Laserkristalls ist dieselbe wie bei der oben beschriebenen Vorrichtung, so daß diesbezüglich auch dieselben Bezugsziffern verwendet werden.

Ein wesentlicher Unterschied besteht im Aufbau der Pumpanordnung, die hier mit zwei kompakten Baugruppen 22, 23 aus einer integrierten Laserdiodenanordnung mit Strahlfokussierung ausgebildet ist. (Eine solche Anordnung ist in der eingangs erwähnten früheren Anmeldung des Erfinders näher beschrieben.) 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 Kristallänge erfolgt.

Einen weiteren wesentlichen Unterschied zur Laservorrichtung nach Fig. 4 stellt das Vorhandensein eines KTP(Kaliumtitanylphosphat)-Frequenzverdopplerkristalls 24 dar, der bezüglich des Laserkristalls jenseits (in der Figur rechts) des hinteren Elements 20 zur Strahlformung angeordnet ist. Auch der Frequenzverdoppler 24 ist über biegbare Anschlußflächen 24a, 24b, über die eine anfängliche Justierung der Lage relativ zu den übrigen optischen Komponenten möglich ist, auf die obere Trägerplatte 10.1' aufgelötet. Seine dem Laserkristall abgewandte Stirnfläche 24c hat eine konvexe Gestalt mit sehr genau auf die spezielle Laseranordnung angepaßter Geometrie und weist eine Verspiegelung 25 auf, so daß sie zugleich als hinterer Resonatorspiegel wirkt.

Auf ähnliche Weise ist der vordere Resonatorspiegel hier durch eine teilreflektieren­ de Verspiegelung 26 der vorderen Stirnfläche des Laserkristalls 1" gebildet.

Mit einer Temperatursteuerung des KTP-Kristalls 24 läßt sich in einfacher Weise ohne mechanischen Eingriff eine Abstimmung der effektiven Resonatorlänge der Anordnung erreichen, ohne daß zusätzliche steuerbare Refraktionselemente (wie etwa eine temperierbare Quarzplatte oder ein piezomechanisches Abstimmelement) erforderlich wären. Alternativ kann aber auch - was in der Figur nicht dargestellt ist - ein derartiges Element eingesetzt werden. Je nach konkreter Ausführung ist zur thermischen oder piezomechanischen Abstimmung der Laseranordnung eine entsprechende Steuereinheit vorzusehen.

Fig. 5a ist eine Detaildarstellung einer hinsichtlich der Ausnutzung der Pump­ strahlung besonders vorteilhaften Ausbildung des Laserkristalls bei der Anordnung nach Fig. 5, wobei nachfolgend nur die sich von Fig. 3a bis 3c bzw. Fig. 5 unterscheidenden Details erläutert werden.

Hier weist der Laserkristall 1"" zur weiteren Homogenisierung der pumplichtver­ teilung im Inneren des Kristalls an den langen Seitenflächen 1c"" bzw. 1 d"", die den Laserdiodenblöcken 22 bzw. 23 (vgl. Fig. 5) zugewandt sind, jeweils eine annähernd halbzylindrische Nut 1c/N"" bzw. 1d/N"" auf. Diese in des Lasermedium eingearbeiteten Vertiefungen wirken - analog wie die halbkugeligen Vertiefungen nach Fig. 4 - bezüglich der (außerhalb der Seitenflächen des Laserkristalls 1"" fokussierten) Pumplichtstrahlbündel nach dem Prinzip der Ulbrichtkugel als Streuflächen.

Merkmale der in Fig. 4 und 5 als Beispiele gezeigten Anordnungen können auch miteinander kombiniert sein; so kann etwa eine Vorrichtung mit Frequenzverdoppler auch einen oder zwei separate Resonatorspiegel aufweisen, oder bei einer Vorrichtung ohne Frequenzverdopplung kann mindestens einer der Resonatorspiegel auf einer Stirnfläche des Laserkristalls gebildet sein. Sowohl der Laserkristall als auch der Frequenzverdoppler kann auch aus einem anderen, für den jeweiligen Zweck bekannten Material gefertigt sein: als Lasermaterial können etwa Nd- oder Yb-dotiertes Glas und für den Frequenzverdoppler KDP (Kaliumdiphosphat) oder Lithiumniobat eingesetzt werden.

Als Träger kann auch eine einfache Peltierelementanordnung oder ggf. auch einfach eine gut wärmeleitende Trägerplatte - 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.

Fig. 6 ist eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung einer weiteren Modifizierung der weiter oben erläuterten Ausführungsformen einer Festkörperlaservorrichtung, mit der eine Verschmälerung der spektralen Bandbreite und eine Vereinheitlichung der Phasenlage des erzeugten Laserstrahlbündels erreichbar ist.

Dem in dieser Figur mit YAG bezeichneten Festkörperlaserkörper mit einer Laserwellenlänge von 1064 nm sind in üblicher Weise zwei Resonatorspiegel ML1 und ML2 zugeordnet. Der vordere, halbdurchlässige Spiegel ML2 ist auf der dem Festkörperlaserkörper YAG abgewandten konvexen Stirnfläche eines - hier mit KTP bezeichneten - intrakavitären Frequenzverdopplerkristalls gebildet, der hintere Spiegel ML1 separat. Mit r₁ und r₂ sind die Spiegelradien der Resonatorspiegel 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 Vorhandensein einer Antireflexbeschichtung und mit "HR . . ." einer hochreflektierenden Beschichtung für eine bestimmte Wellenlänge gekennzeichnet.

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

Seitlich der Festkörperlaseranordnung ist eine InGaAsLaserdiode LAD angeordnet, die ebenfalls bei einer Weitenlänge von 1064 nm mit einer Ausgangsleistung von ca. 50 mW emittiert. Deren Strahlung wird nach Passieren einer Kollimatorlinse COL1 und zweier Umlenkspiegel M1 und M2 mit einem Transmissionskoeffizienten von ca. 1% longitudinal in die Festkörperlaseranordnung eingekoppelt. Dort bewirkt diese schmalbandige Strahlung eine Frequenz- und Phasenverriegelung ("injection locking") der vom Festkörperlaser YAG emittierten Strahlung auf die Strahlung des Halbleiterlasers LAD, des sogenannten "Seeders".

Das in Fig. 6 anhand einer Linearresonator-Anordnung erläuterte Prinzip ist grundsätzlich analog auch bei einer (an sich bekannten und daher hier nicht gesondert gezeigten) Ringresonatoranordnung realisierbar, wobei hier die Einkopplung der Laserdiodenstrahlung in den Festkörperlaser 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 effektiver Resonatorlänge und Phasenlange des Seeders insbesondere eine einzelne (nicht gezeigte) piezomotorisch longitudinal 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 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer elektrisch-thermischen Meß- und Steuerschaltung 100 für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausführungs­ form der Erfindung zur Steuerung der Strahlparameter. Diese - im Sinne eines Beispiels für eine Vielzahl möglicher Steuerschaltungen zu verstehende - Schaltung ist insbesondere zum zeitweiligen Einsatz mit der Laseranordnung, etwa zur anfänglichen Einstellung oder Nachstellung nach längerem Betrieb, geeignet.

Ausgegangen wird von einer Kühlanordnung für den Laserkristall gemäß Fig. 1b mit vier einzeln ansteuerbaren Peltierelementen 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 optische Sensoranordnung in Gestalt einer CCD-Matrix 101, die gegenüber der vorderen Lichtaustrittsfläche des Lasers 1 angeordnet ist derart, daß auf ihr beim Betrieb des Lasers ein Bild des Laserstrahls erzeugt wird. Die Anzahl der Bildaufnahmeelemente 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 Signalpegelanpassung verbunden. Deren Ausgang ist mit einem Eingang einer Vergleichereinheit 103 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Datenausgang eines Musterbildspeichers 104 verbunden ist, in dem mindestens ein vorgegebener Laserstrahlquerschnitt gespeichert ist, der bei der Steuerung bzw. Einstellung der Laservorrichtung zugrundegelegt werden 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 bereitgestellt. Verarbeitungs­ breite und -geschwindigkeit der Einheiten 102 und 103 und die Speicherkapazität des Speichers 104 sind entsprechend der Anzahl der Bildaufnahmeelemente 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 Verarbeitungseinheit 105 zugeführt, die weiterhin in üblicher Weise mit einem Datenspeicher (RAM) 106 und einem Programmspeicher (etwa einem EPROM) 107 verbunden ist. Die Ver­ arbeitungseinheit kann optional - was durch gestrichelte Linien dargestellt ist - auch mit dem Ausgang eines Temperaturfühlers (gemäß der Figur des Fühlers 21 aus Fig. 4 oder 5) verbunden sein, so daß auch die Temperatur des Laseranordnung 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 Betriebsspannung der Peltierelemente 6.1 bis 6.8 ein Satz von Steuerdaten für die Spannungsversorgung der einzelnen Peltierelemente errechnet, der schließlich einer Spannungsversorgungseinheit 108 für die Kühlelemente zugeführt wird und eine entsprechende Einstellung der Betriebsspannungen und damit der Kühlleistungen der Peltierelemente bewirkt. Dies führt zu einer Gestalt des T-Feldes im Laserkristall, mit der die gewünschten Laserstrahlparameter erzielt werden. Die Einstellung der Spannungsversorgungseinheit kann nach Beendigung des Einstellvorganges verriegelt werden.

Das Verarbeitungsprogramm für die gemessenen Strahldaten kann bei der beschriebenen Anordnung ein iteratives Programm sein, wobei während der Einstellung laufend die veränderten Strahlparameter erfaßt werden und einem nächsten Iterationsschritt zugrundegelegt werden können. Besonders gut eignet sich hierfür ein Fuzzy-Logic-Algorithmus.

Zur Darstellung der erfaßten Daten und Verarbeitungsergebnisse für einen Bediener und zur. Beeinflussung des Verarbeitungsprozesses sind die genannten Kom­ ponenten weiterhin jeweils mit einer Anzeige- und Eingabeeinheit 109 - etwa Bildschirm und Tastatur eines herkömmlichen PC - verbunden.

Eine grundsätzlich völlig analoge Schaltung kann zur Steuerung bzw. Einstellung einer aktiven Heizanordnung nach Fig. 1c oder auch einer kombinierten Kühl- und Heizanordnung nach Fig. 1d eingesetzt werden. Weiterhin kann auf ähnliche Weise alternativ oder ergänzend zur Steuerung des Temperaturfeldes über die separate Ansteuerung mehrerer Pumplichtquellen eine Steuerung der Leuchtdichteverteilung des Pumplichts im Festkörperlaser vorgenommen werden.

In Fig. 8 ist eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung einer vorteilhaften Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben.

Gezeigt ist in anhand von typischen Kurvenverläufen in logarithmischer Darstellung die Laserausgangsleistung Pout als Funktion der Pumpleistung Pin. Die gestrichelte Linie zeigt einen Kurvenverlauf für eine Yb-YAG-Laservorrichtung nach dem Stand der Technik, während die durchgezogene Kurve die Kennlinie einer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgebauten Vorrichtung ist. Es ist zu erkennen, daß bei letzterer sowohl der Anstieg im linearen Bereich ("slope") als auch die erreichbare maximale Ausgangsleistung (bezogen auf die Schwelleistung) wesentlich höher ist.

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

Claims (25)

1. Festkörperlaservorrichtung mit einem im Wesentlichen stab- oder plattenför­ migen, eine Längsachse (A) aufweisenden Laserkörper (1, 1"), einem achsparallel zur Längsachse (A) des Laserkörpers angeordneten Resonator (4, 5, 17, 18, 25, 26), einer Pumplichtquelle (15a bis 15c, 16a bis 16c, 22, 23) zur Anregung des Laserkörpers (1, 1") und mit dem Laserkörper (1, 1") zugeordneten, auf Wärmeleitung beruhenden Mitteln (2, 3, 6.1 bis 6.8, 7.1 bis 7.10, 2", 3", 11, 12) zur Einstellung eines vorbestimmten Temperatur­ profils in Richtung der Längsachse (A), dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (2, 3, 6.1 bis 6.8, 7.1 bis 7.10, 2", 3", 11, 12) zur Einstellung eines vorbestimmten Temperaturprofils derart ausgebildet sind, daß im Betrieb der Vorrichtung in Richtung der Längsachse (A) periodisch abwechselnd Berei­ che höherer und Bereiche niedrigerer Laserkörper-Temperatur vorliegen.

2. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung eines vorbestimmten Temperaturprofils eine an einer Umfangsfläche (1a, 1b; 1a", 1b"; 1a/M", 1b/M") des Laserkörpers (1; 1") vorgesehene Anordnung (2, 3; 11, 12) zur Wärmeableitung vom Laserkörper an die Umgebung umfassen, die in Richtung der Längsachse (A) des Laserkörpers periodisch abwechselnd Abschnitte (2a, 2b, 3a, 3b; 11a, 11b, 12a, 12b) mit höherem und solche mit niedrigerem Wärmeübergangs­ widerstand aufweist.

3. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Wärmeableitung mindestens einen metallischen Wärme­ leitkörper (2, 3; 11, 12) mit sich periodisch abwechselnden Vorsprüngen (2b, 3b; 11b, 12b) und Aussparungen (2a, 3a; 11a, 12a) umfasst, wobei die Vorsprünge dem Laserkörper (1; 1") zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, während die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper bilden.

4. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung eines vorbestimmten Temperaturprofils eine an der Umfangsfläche (1a, 1b) des Laserkörpers (1) angeordnete aktive Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (6.1 bis 6.8; 7.1 bis 7.10) umfassen, die in Richtung der Längsachse (A) des Laserkörpers periodisch abwechselnd Bereiche mit höherer und niedrigerer Umfangs­ temperatur erzeugt.

5. Festkörperlaservorrichturtg nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive, elektrisch betriebene Kühlvorrichtung mit in Richtung der Längsachse (A) des Laserkörpers (1) in Abständen angeordneten Kühlele­ menten oder -bereichen (6.1 bis 6.8) vorgesehen ist.

6. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laserkörpers (1) in Abständen angeordneten Heizelementen oder -berei­ chen (7.1 bis 7.10) vorgesehen ist.

7. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch betriebene, insbesondere nach dem Peltier-Effekt arbeitende, Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laserkörpers abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizbereichen vorgesehen ist.

8. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen zur Wärmeableitung (2, 3; 2", 3", 11, 12) und/oder Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen (6.1 bis 6,8; 7.1 bis 7.10) (1; 1") einander bezüglich des Laserkörpers gegenüberliegend an­ geordnet sind.

9. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper ein, insbesondere quaderför­ miger, Miniatur-Laserkristall (1; 1") aus Nd- oder Yb-dotiertem YAG ist.

10. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine transversal zur Längsachse (A) einstrahlende Pumplichtquelle (15a bis 15c, 16a bis 16c; 22, 23) vor­ gesehen ist.

11. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere transversal zur Längsachse (A), insbesondere beidseitig des Laser­ körpers, einstrahlende Halbleiterlaser (15a bis 15c, 16a bis 15c; 22, 23) als Pumplichtquellen vorgesehen sind.

12. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch 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 vorgesehen sind.

13. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den den Pumplichtquellen zugewandten Seiten­ flächen (1c''', 1d'''; 1c"", 1d"") des Laserkörpers (1''', 1"") Mittel (1c/S''', 1d/S'''; 1c/N"", 1d/N"") zur Homogenisierung der Pumplichtverteilung vorgesehen sind.

14. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Homogenisierung der Pumplichtverteilung in den Laserkörper eingearbeitete Vertiefungen mit im Wesentlichen sphärischer oder zylin­ drischer Begrenzungsfläche sind.

15. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Laserkörper (1") mit dem Resonator (17, 18; 25, 26) und der Anordnung zur Wärmeableitung (11, 12) und/oder der aktiven Heiz- und/oder Kühlvorrichtung als zusammenhängende kom­ pakte Baugruppe auf einem Trägerelement (10; 10') aufgebaut ist.

16. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (1") mit dem Resonator (17, 18; 25, 26) auf einer zweifach kaskadierten Peltierelementanordnung (10'), insbesondere mit Al₂O₃-Grund­ platte (10.1'), als Trägerelement montiert, insbesondere aufgelötet oder wärmeleitfähig aufgeklebt, ist.

17. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (1a/M", 1b/M") des Laserkörpers (1"), an denen kein Pumplicht eingekoppelt wird, nicht poliert und vorzugs­ weise metallisiert sind.

18. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzvervielfacherelement (24), ins­ besondere ein Frequenzverdopplerkristall, vorgesehen ist.

19. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 18 und Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzvervielfacherelement (24) in die zusammenhängende kompakte Baugruppe integriert ist.

20. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dem Laserkörper abgewandte Stirnfläche (24c) des Fre­ quenzverdopplerkristalls als vollreflektierende Resonatorspiegelfläche (25) und die dem Frequenzverdopplerkristall abgewandte Stirnfläche des Laser­ körpers (1") als Auskoppelspiegel (26) ausgebildet sind.

21. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung für die Pumplicht­ quelle(n) zur wahlweisen Einstellung eines in Richtung der Längsachse (A) des Laserkörpers homogenen oder eines periodisch abwechselnd Bereiche höherer und niedrigerer Leuchtdichte aufweisenden Leuchtdichteprofils vorgesehen ist.

22. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitungseinrichtung (105) vorgesehen ist, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (6.1 bis 6.8) und/oder der Steuereinrichtung für die Pumplichtquelle(n) verbunden ist und über die ein vorbestimmtes Temperaturprofil und/oder eine vorbestimmte Leuchtdichteverteilung in Richtung der Längsachse des Laserkörpers (1; 1") eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.

23. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem Eingang der Verarbeitungseinrichtung (105) verbundene Lichtaufnehmereinheit (101) zur Erfassung des Strahlprofils des im Laserkör­ per (1) erzeugten Laserstrahls als Steuergröße für das Temperaturprofil und/oder die Leuchtdichteverteilung vorgesehen ist.

24. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die kompakte Baugruppe einen Temperaturfühler (21) zur Erfassung der Temperatur, eine mit dessen Ausgang verbundene Ver­ arbeitungseinrichtung zur Regelung (105) und eine mit deren Ausgang verbundene Heiz- und/oder Kühleinrichtung (6.1 bis 6.8) zur Aufrechterhal­ tung des Temperaturprofils der Baugruppe aufweist.

25. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein longitudinal von der Rückseite des voll­ reflektierenden Resonatorspiegels (MLI) einstrahlender Halbleiterlaser (LAD) zur Frequenz- und Phasenverriegelung der Festkörperlaserstrahlung vor­ gesehen ist.