DE19515704A1 - Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser - Google Patents
Gekühlter diodengepumpter FestkörperlaserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen gekühlten diodengepumpten Festkörperlaser gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Anordnung ist aus der DE 39 14 492 A1 bekannt.
Festkörperlaser werden im allgemeinen durch die Zufuhr optischer Energie zur
Lasertätigkeit angeregt ("optisches Pumpen"). Die Quelle dieser Energie sind dabei
konventionelle Krypton- oder Xenonlampen, neuerdings auch im nahen
Infrarotbereich emittierende Halbleiterdioden.
Halbleiterlaser sind dabei nahezu ideale Lichtquellen für die optische Anregung von
Festkörperlasern. Sie zeichnen sich im Vergleich gegenüber konventionellen Lampen
insbesondere durch eine gute spektrale Anpassung der Pumpstrahlung an die
Absorptionsbanden des laseraktiven Kristalls sowie eine hohe Lebensdauer aus und
ermöglichen die Entwicklung von kompakten, nur aus Festkörpermaterialien
aufgebauten, effizienten Lasersystemen, die sich durch geringe Abmessungen und
hohe Wirkungsgrade auszeichnen. Stand der Technik sind heute das sogenannte
longitudinale und transversale Pumpen von im allgemeinen zylindrischen Medien.
Die effizientesten Lasersysteme lassen sich mit der longitudinalen Pumpgeometrie
verwirklichen. So lassen sich bei guter Anpassung der Laserdioden-Strahlung auf
eine Absorptionsbande des Festkörperlasermaterials Systeme entwickeln, bei denen
das Verhältnis zwischen optischer Pumpleistung und optischer Ausgangsleistung
größer 50% erreicht. Die Ausgangsleistung dieser Systeme wird dadurch limitiert,
daß einerseits keine Halbleiterlaser mit genügend hoher Ausgangsleistung zur
Verfügung stehen, die gleichzeitig eine kleine, emittierende Apertur besitzen und
andererseits die thermische Belastbarkeit der Laserdiodenkristalle begrenzt ist.
Höhere Ausgangsleistungen sind nur mit transversaler Pumpgeometrie realisierbar,
die es erlaubt, das Licht einer Vielzahl von Laserdioden oder Laserdiodenarrays in
das Lasermedium einzukoppeln. Derartig konzipierte Anordnungen lassen sich
grundsätzlich in direkte transversale und indirekte transversale Anordnungen
unterscheiden. Direkte transversale Anordnungen haben durch die direkte
Einstrahlung in das Lasermedium den Vorteil einer hocheffizienten, verlustarmen
Pumplichttransmission in das Lasermedium mit vergleichsweise geringem
Justageaufwand. Der Anzahl der um das Lasermedium anordenbaren
Laserdiodenarrays und der Minimierung des Querschnitts des Lasermediums sind
enge Grenzen gesetzt, da die Dioden auf Grund ihrer hohen Divergenz möglichst
nah vor dem Lasermedium angeordnet werden müssen.
Bei indirekten transversalen Anordnungen werden die stark divergenten
Strahlenbündel der Emissionsstrahlung über eine Koppeloptik in parallele oder
konvergente Strahlenbündel umgeformt. Der Abstand zum Lasermedium kann damit
größer gewählt werden. Auf Grund des Raumgewinns lassen sich eine weitaus
höhere Anzahl von Diodenarrays um das Lasermedium anordnen. Neben hohen
Justageaufwänden und damit auftretenden Stabilitätsproblemen ist auch die
Kompaktheit solcher Anordnungen vermindert.
Zur Erlangung eines Hochleistungslasers mit hoher Effizienz und gutem
Strahlprodukt müssen mehrere Anforderungen erfüllt sein. Die Erfüllung dieser
Anforderungen erfolgt mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen auf
unterschiedliche Weise und in unterschiedlichem Maße. Letztendlich stellt jede
Lösung eine Kompromißlösung dar, da sich die Anforderungen einerseits teilweise
entgegenstehen und natürlich andererseits die permanente Forderung nach
langzeitstabilen wartungsfreien Systemen mit geringem konstruktiven und
technologischen Aufwand steht.
Eine Hauptforderung ergibt sich aus der Temperaturabhängigkeit (ca. 0,25 nm/°C)
der Laserdioden, auf Grund derer die Emissionswellenlänge präzise auf eine
Absorptionsbande des Festkörperlasermaterials abgestimmt werden kann. Die
extrem schmale Halbwertsbreite der Anregungsbande von im allgemeinen < 1 nm
erfordert zwangsläufig eine notwendige Temperaturstabilisierung. Umfaßt die
Pumpanordnung mehrere Einzeldioden oder Diodenarrays, so müssen diese, da sie
herstellungsbedingt in ihrer Emissionswellenlänge variieren, einzeln
temperaturstabilisiert werden, um sie alle genau auf die Absorptionsbande
abzustimmen. Die Vielzahl von notwendigen Zu- und Abführungen für das
Kühlmittel machen derartige Anordnungen aufwendig und störanfälliger, so daß man
in der Regel eine gewisse Wellenlängendrift zwischen den Emissionswellenlängen in
Kauf nimmt und alle in einer Ebene anzuordnenden Laserdioden oder
Laserdiodenarrays auf einen gemeinsamen Kühlkörper montiert. Derartige
Anordnungen sind z. B. aus US-PS 4,719,631, US-PS 5,084,886 und DE 39 14 492
A1 bekannt. Über den sich daraus ergebenden Nachteil, nämlich, daß mit der Drift
der Emissionswellenlänge aus der Absorptionsbande des Lasermediums der
erforderliche Absorptionsweg exponentiell anwächst, schweigen die Verfasser dieser
Schriften. Praktisch bedeutet das für Lösungen, bei denen die Absorption mit dem
einmaligen Durchlaufen des Lasermediums erfolgen soll, daß entweder hohe
Energieverluste in Kauf genommen werden müssen oder der Durchmesser des
Lasermediums derart vergrößert wird, daß auch noch die Emissionswellenlänge mit
größer Drift, die den längsten Absorptionsweg benötigt, vollständig absorbiert wird,
mit dem Ergebnis eines schlechten Strahlproduktes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörperlaser
zu schaffen, der sich einerseits durch eine effektive Kühlung und andererseits durch
seine Justage- und Montagefreundlichkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Zwingende Voraussetzung, um die erfindungsgemäße effektive Kühlung zu
erlangen, ist die Auswahl und Anordnung der Laserdiodenarrays entsprechend ihrer
Emissionswellenlänge bei gleicher Betriebstemperatur. Innerhalb eines Pumpmoduls
werden die Laserdiodenarrays in der Reihenfolge abnehmender
Emissionswellenlänge, bezogen auf die gleiche Betriebstemperatur, angeordnet,
wobei das Laserdiodenarray mit der größten Emissionswellenlänge auf die
Temperatur stabilisiert wird, bei welcher die Emissionswellenlänge der
Absorptionsbande des laseraktiven Mediums entspricht.
Die Temperaturstabilisierung der folgenden Laserdiodenarrays erfolgt abgestuft auf
geringfügig höhere Temperaturen, wodurch die Drift der Emissionswellenlänge der
Strahlung der einzelnen Laserdiodenarrays zur Absorptionsbande des laseraktiven
Mediums und damit die Differenz des erforderlichen Absorptionsweges verringert
wird. Die Temperaturabstufung wird durch das Aufbringen der einzelnen
Laserdiodenarrays auf jeweils einen Kühlkörper erreicht, wobei eine thermische
Verbindung der Kühlkörper untereinander innerhalb eines Pumpmoduls nur über das
jeweilige Kühlrohr besteht. Durch die Wärmeabgabe der Laserdiodenarrays erfolgt
eine Erwärmung des Kühlmittels in Richtung des Kühlmittelflußes was die
unterschiedliche Temperaturstabilisierung der Kühlkörper und somit
Laserdiodenarrays zur Folge hat.
Eingangsseitig sind die Kühlrohre aller Pumpmodule über eine erste
Ausgleichskammer mit einem Kühlmitteleingang verbunden. Ausgangsseitig sind sie
über eine zweite Ausgleichskammer mit einem Kühlmittelausgang verbunden.
Dadurch wird ein kompakter Aufbau der Gesamtanordnung mit nur einem Ein- und
Ausgang möglich. Insbesondere die erste Ausgleichskammer führt zum
Druckausgleich, wodurch Pumpimpulse einer mit dem Kühlmitteleingang
verbundenen Kühleinheit, die zu Schwingungen und damit Instabilitäten führen
könnten, ausgeglichen werden. Darüber hinaus gestattet dieses Kühlprinzip eine
einfache Anpassung der Konstruktion an eine unterschiedliche Anzahl von
Pumpmodulen und Laserdiodenarrays.
Durch jeweils parallele Anordnung der Kühlrohrachsen zur Achse des
Festkörperlaserstabes ergibt sich für die Pumpmodule eine einfache
Justiermöglichkeit. Das Kühlrohr muß selbstverständlich kein wirkliches Rohr sein,
sondern kann ebenso durch miteinander verbundene in den Kühlkörpern befindliche
Kühlkanäle beliebigen Querschnitts und Verlaufes gebildet werden, wobei an den
freien Seiten des jeweils ersten und letzten Kühlkörpers innerhalb eines Pumpmoduls
Rohransätze vorhanden sind. Eine versetzte und/oder differenzierte geometrische
Gestaltung der Kühlkanäle bewirkt eine turbulente Strömung des Kühlmittels und
damit bessere Wärmeabfuhr als bei laminarer Strömung, wie sie mit einem Kühlrohr
konstanten Querschnitts erreicht wird. Die Rohransätze oder auch Rohrenden sind
drehbar gelagert, womit in zeitsparender und einfacher Weise eine Justierung der
Pumpmodule zum Festkörperlaserstab möglich ist. Die erfindungsgemäße
Anordnung gestattet einen einfachen Austausch von einzelnen Pumpmodulen oder
auch des Festkörperlaserstabes, sowie den Aufbau eines hermetisch abgeschlossenen
Laserkopfes.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 das Schnittbild für einen erfindungsgemäßen gekühlten
diodengepumpten Festkörperlaser.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind um den Festkörperlaserstab
1 drei Pumpmodule 2 angeordnet, von denen der Übersichtlichkeit halber in der
Zeichnung nur ein Pumpmodul 2 dargestellt ist. Die Pumpmodule 2 sind identisch
aufgebaut und umfassen je zwei parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes 1
angeordnete Laserdiodenarrays 3.1; 3.2, die jeweils auf einem in der Zeichnung nicht
sichtbaren Kühlkörper angeordnet sind.
Durch eine zwischen den Kühlkörpern eingebrachte Isolierfolie sind die Kühlkörper
gegeneinander thermisch und elektrisch isoliert. Eine thermische Verbindung der
Kühlkörper untereinander besteht jeweils über ein durch die Kühlkörper parallel zur
Achse des Festkörperlaserstabes 1, geführtes Kühlrohr 4. Die Kühlmittelzuführung
erfolgt seitens des unterhalb des ersten Laserdiodenarrays 3. 1 angeordneten ersten
Kühlkörpers. Dadurch wird der erste Kühlkörper stärker und der unterhalb des
zweiten Laserdiodenarrays 3.2 angeordnete zweite Kühlkörper, durch die
zunehmende Erwärmung des Kühlmittels, geringer gekühlt. Es entsteht so eine
geringfügige Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kühlkörper und
damit eine Differenz der Betriebstemperaturen der einzelnen Laserdiodenarrays 3.1;
3.2. Die Kühlrohre 4 der drei Pumpmodule 2 sind eingangsseitig über eine erste
Ausgleichskammer 5 mit dem Kühlmitteleingang 6 eines den Festkörperlaserstab 1
umschließenden Kühlzylinders 7 und einer Kühlmittelzuführung 8 verbunden. Die
einzelnen Pumpmodule 2 werden im Mittel auf die gleiche Temperatur gekühlt und
es findet ein Druckausgleich stattfindet. Ausgangsseitig sind die Kühlrohre 4 der drei
Pumpmodule 2 über eine zweite Ausgleichskammer 9 mit dem Kühlmittelausgang 10
des Kühlzylinders 7 und einer Kühlmittelabführung 11 verbunden. Als Kühlmedium
kann sowohl eine Flüssigkeit, als auch ein Gas verwendet werden.
Durch eine Vorauswahl sind sämtliche, für die Gesamtanordnung erforderlichen
Laserdiodenarrays 3 so ausgewählt, daß ihre Emissionswellenlänge bei gleicher
Betriebstemperatur möglichst gering voneinander abweicht.
Von den sechs ausgewählten Laserdiodenarrays 3 sind die drei mit der größten
Emissionswellenlänge jeweils eingangsseitig der Kühlrohre 4 angeordnet, so daß
diese mit gleicher Temperatur gekühlt werden. Die Kühlmitteltemperatur ist so
gewählt, daß diese drei ersten Laserdiodenarrays 3.1 eine Emissionswellenlänge
aufweisen, welche mit der Absorptionsbande des aktiven Lasermediums des
Festkörperlaserstabes 1 weitestgehend übereinstimmt. Die zweiten
Laserdiodenarrays 3.2 würden bei Kühlung auf die gleiche Temperatur wie die
ersten Laserdiodenarrays 3.1 eine kürzere Emissionswellenlänge und damit eine
Drift von der Absorptionsbande aufweisen. Durch die Kühlung in beschriebener
Weise wird diese Drift verringert. Bewirkt wird dadurch eine Verringerung der
Differenz des für die Absorption der Strahlung der einzelnen Laserdiodenarrays
erforderlichen Absorptionswege was zu einer höheren Effizienz der
Gesamtanordnung führt.
Das Kühlrohr 4 kann ebenso wie ein durch alle Kühlkörper jeweils eines
Pumpmodules 2 geführtes Rohr innerhalb der Kühlkörper als Kühlkanal beliebigen
Verlaufes und Querschnittes ausgebildet sein. Durch die Wahl von Länge, Verlauf
und Querschnitt der Kühlkanäle kann Einfluß auf die Höhe der Temperaturdifferenz
zwischen den Kühlkörpern eines Pumpmoduls genommen werden. Die Kühlkanäle
können innerhalb eines Kühlkörpers verzweigt und in verschiedenen Ebenen
verlaufen.
Durch die Anordnung der aus den Pumpmodulen herausragenden Kühlrohrenden
parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes ist eine einfache Montage und Justage
der Pumpmodule 2 zum Festkörperlaserstab 1 möglich. Die Achse des Kühlrohres
bildet hierfür die Justierachse um die der gesamte Pumpmodul zwecks Justierung
zum Festkörperlaserstab 1 und einer in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten
Koppeloptik 12 geschwenkt werden kann. Durch die Vorordnung einer Koppeloptik
12 jeweils vor einem Pumpmodul 2 kann der Abstand zwischen Pumpmodul 2 und
Festkörperlaserstab 1 gegenüber einer ebenfalls denkbaren Anordnung ohne
Koppeloptik vergrößert und damit eine größere Anzahl von Pumpmodulen um den
Festkörperlaserstab 1 angeordnet werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß die gewünschte
Pumpleistung für einen Pumpmodul bereits mit einem Laserdiodenarray erreicht
wird. Der mit der Gesamtanordnung erreichbare positive Kühleffekt für die
Anordnung mehrerer Laserdiodenarrays innerhalb eines Moduls kommt hier zwar
nicht zur Wirkung, jedoch kommen die anderen dargestellten Vorteile voll zur
Geltung.
Claims (6)
1. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser mit einem Festkörperlaserstab (1),
mindestens einem transversal in den Festkörperlaserstab (1) einstrahlenden
Pumpmodul (2) mit einem Kühlkanal (4) für ein Kühlmittel, dadurch
gekennzeichnet,
daß das Pumpmodul längs der Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet ist und mindestens zwei Laserdiodenarrays (3) umfaßt, die jeweils auf in Richtung des Festkörperlaserstabes (1) nebeneinander angeordneten Kühlkörpern aufgebracht sind, die untereinander über den Kühlkanal thermisch verbunden sind,
daß die Laserdiodenarrays (3) jeweils eines Pumpmoduls (2) in der Reihenfolge abnehmender Emissionswellenlänge, bezogen auf die gleiche Betriebstemperatur, in Richtung des Kühlmittelflußes angeordnet sind, daß die Kühlmitteltemperatur so gewählt ist, daß jeweils das erste in Richtung des Kühlmittelflußes angeordnete Laserdiodenarray (z. B. 3.1) eines jeden Pumpmoduls (2) auf die Temperatur stabilisiert wird, bei welcher die Emissionswellenlänge weitestgehend der Absorptionsbande des laseraktiven Mediums des Festkörperlaserstabes (1) entspricht,
daß der durch den Pumpmodul geführte Kühlkanal ein- und ausgangsseitig als Kühlrohr ausgebildet ist, dessen Achse parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet und zur Justierung drehbar gelagert ist.
daß das Pumpmodul längs der Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet ist und mindestens zwei Laserdiodenarrays (3) umfaßt, die jeweils auf in Richtung des Festkörperlaserstabes (1) nebeneinander angeordneten Kühlkörpern aufgebracht sind, die untereinander über den Kühlkanal thermisch verbunden sind,
daß die Laserdiodenarrays (3) jeweils eines Pumpmoduls (2) in der Reihenfolge abnehmender Emissionswellenlänge, bezogen auf die gleiche Betriebstemperatur, in Richtung des Kühlmittelflußes angeordnet sind, daß die Kühlmitteltemperatur so gewählt ist, daß jeweils das erste in Richtung des Kühlmittelflußes angeordnete Laserdiodenarray (z. B. 3.1) eines jeden Pumpmoduls (2) auf die Temperatur stabilisiert wird, bei welcher die Emissionswellenlänge weitestgehend der Absorptionsbande des laseraktiven Mediums des Festkörperlaserstabes (1) entspricht,
daß der durch den Pumpmodul geführte Kühlkanal ein- und ausgangsseitig als Kühlrohr ausgebildet ist, dessen Achse parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet und zur Justierung drehbar gelagert ist.
2. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser mit einem Festkörperlaserstab (1),
mindestens einem transversal in den Festkörperlaserstab (1) einstrahlenden
Pumpmodul (2) mit einem Kühlkanal (4) für ein Kühlmittel, wobei
das Pumpmodul längs der Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet ist
und ein Laserdiodenarray (3) umfaßt,
die Kühlmitteltemperatur so gewählt ist, daß das Laserdiodenarray (3) eines jeden Pumpmoduls (2) auf die Temperatur stabilisiert wird, bei welcher die Emissionswellenlänge weitestgehend der Absorptionsbande des laseraktiven Mediums des Festkörperlaserstabes (1) entspricht und
der durch den Pumpmodul geführte Kühlkanal ein- und ausgangsseitig als Kühlrohr ausgebildet ist, dessen Achse parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet und zur Justierung drehbar gelagert ist.
die Kühlmitteltemperatur so gewählt ist, daß das Laserdiodenarray (3) eines jeden Pumpmoduls (2) auf die Temperatur stabilisiert wird, bei welcher die Emissionswellenlänge weitestgehend der Absorptionsbande des laseraktiven Mediums des Festkörperlaserstabes (1) entspricht und
der durch den Pumpmodul geführte Kühlkanal ein- und ausgangsseitig als Kühlrohr ausgebildet ist, dessen Achse parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet und zur Justierung drehbar gelagert ist.
3. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Pumpmodule (2) vorhanden sind.
4. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Kühlkanäle (4) der Pumpmodule (2) einerseits untereinander und mit
einer Kühlmittelzuführung (8) über eine erste Ausgleichskammer (5) und
andererseits untereinander und mit einer Kühlmittelabführung (11) über eine
zweite Ausgleichskammer (9) verbunden sind.
5. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet,
daß der Festkörperlaserstab (1) von einem Kühlzylinder (7) mit einem
Kühlmitteleingang (6) und einem Kühlmittelausgang (10) koaxial umschlossen
ist und der Kühlmitteleingang (6) mit der ersten Ausgleichskammer (5) und der
Kühlmittelausgang (10) mit der zweiten Ausgleichskammer (9) verbunden ist.
6. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,
daß zwischen den Kühlkörpern zur thermischen und elektrischen Isolation eine
Folie eingebracht ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995115704 DE19515704C2 (de) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
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DE19515704A1 true DE19515704A1 (de) | 1996-10-31 |
DE19515704C2 DE19515704C2 (de) | 2000-03-16 |
Family
ID=7760629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1995115704 Expired - Fee Related DE19515704C2 (de) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser |
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