DE19518177A1 - Diode laser pumped solid state laser - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen diodenlasergepumpten Festkörperlaser mit mindestens einem als aktives Medium dienenden, stab- oder scheibenför migen Festkörper und mit Diodenlasern, deren abgegebene Strahlung in den Festkörper eingestrahlt wird, wobei zur Strahlführung und/oder -formung reflektierende Elemente eingesetzt sind.The invention relates to a diode laser-pumped solid-state laser at least one rod or disc conveyor serving as the active medium solid solids and with diode lasers, whose emitted radiation in the Solid body is irradiated, for beam guidance and / or shaping reflective elements are used.
Aufgrund der schnellen Fortentwicklung der Hochleistungslasertechnologie in den letzten Jahren werden zunehmend Lampen, die zum Pumpen von Fest körperlasern eingesetzt werden, durch Diodenlaser ersetzt. Bedingt durch die Geometrie des aktiven Mediums sind Diodenlaserstrahlen unter anderem durch den elliptischen Strahlquerschnitt gekennzeichnet. Die große Achse dieses ellipsenförmigen Querschnitts verlauft senkrecht zu dem pn-Über gang der Diodenstruktur (auch als Fast-Richtung bezeichnet), während die kleine Achse parallel zu der Ebene des pn-Übergangs (auch als Flow-Rich tung bezeichnet) verlauft. Zu diesem asymmetrischen Strahlquerschnitt kommt hinzu, daß die austretende Strahlung in Richtung der großen Achse, d. h. senkrecht zu der Ebene des pn-Übergangs bzw. zu der aktiven Schicht eine hohe Divergenz zeigt, mit einem Strahlöffnungswinkel von bis zu 90°, während in der Richtung der kleinen Achse diese Divergenz nur bei etwa 10° liegt.Due to the rapid development of high-performance laser technology In recent years, lamps have become increasingly used for pumping festivals body lasers are used, replaced by diode lasers. Due The geometry of the active medium includes diode laser beams characterized by the elliptical beam cross section. The big axis this elliptical cross section runs perpendicular to the pn-overlap course of the diode structure (also known as fast direction), while the small axis parallel to the plane of the pn junction (also known as flow rich designated) runs. About this asymmetrical beam cross section in addition, the emerging radiation in the direction of the major axis, d. H. perpendicular to the plane of the pn junction or to the active layer shows a high divergence, with a beam opening angle of up to 90 °, while in the direction of the minor axis this divergence is only around 10 °.
Aufgrund des besonderen elliptischen Strahlquerschnitts und der großen Divergenz senkrecht zur aktiven Ebene (auch als Junction-Ebene bezeich net) und der relativ geringen Divergenz in Richtung der kleinen Achse, hangt ein effizientes Pumpen von Festkörperlasern mittels solcher Dioden laser entscheidend von der geeigneten Führung und Formung der Dioden laserstrahlung ab. Weiterhin werden die erzielbaren Lasereigenschaften, wie die Strahlqualität und die Ausgangsleistung, durch die effektive Ab führung der nicht zum Laserprozeß bei tragenden Warme stark beeinflußt.Because of the special elliptical beam cross-section and the large Divergence perpendicular to the active plane (also known as the junction plane net) and the relatively low divergence in the direction of the minor axis, depends on efficient pumping of solid-state lasers using such diodes laser crucial from the appropriate guiding and shaping of the diodes laser radiation. Furthermore, the achievable laser properties, like the beam quality and the output power, through the effective Ab leadership that is not greatly influenced by the laser process when the heat is carried.
Es gibt verschiedene Konzepte zur Einkopplung von Diodenlaserstrahlung in Festkörpermedien. Eine Ausführungsform gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1 ist in "Efficient continuous-wafe TEM₀₀ operation of a trans versely diode-pumped Nd:YAG laser" von D.R. Walker, C.J. Flood und H.M. van Driel, Juli 15, 1994, Vol. 19, No. 14/OPTICS LETTERS, Sei te 1055 ff., beschrieben. Hierbei wird die Diodenlaserstrahlung über el liptische Spiegel in das Festkörpermedium eingestrahlt. Die einzelnen Laserdioden mit den ihnen zugeordneten elliptischen Spiegeln sind gleich mäßig um den Festkörper herum mit Abstand verteilt.There are various concepts for coupling diode laser radiation into Solid state media. An embodiment according to the preamble of the An saying 1 is in "Efficient continuous-wafe TEM₀₀ operation of a trans versely diode-pumped Nd: YAG laser "by D.R. Walker, C.J. Flood and HM. van Driel, July 15, 1994, Vol. 19, No. 14 / OPTICS LETTERS, Be te 1055 ff. Here, the diode laser radiation over el Liptic mirror irradiated into the solid medium. The single ones Laser diodes with their assigned elliptical mirrors are the same moderately spaced around the solid.
Ein weiterer Aufbau ist in "Solid-state laser engineering" von Walter Köchner, Springer-Verlag, unter dem Kapitel "Laser-diode-pumped systems" beschrieben und auf Seite 134 skizziert. Bei dieser Anordnung sind Dio denarrays um einen Festkörperlaserstab in radialer Richtung und axialer Richtung verteilt, um die Strahlung der einzelnen Laserdioden in den Festkörper einzukoppeln.Another structure is in "Solid-state laser engineering" by Walter Köchner, Springer-Verlag, under the chapter "Laser-diode-pumped systems" described and outlined on page 134. In this arrangement, Dio denarrays around a solid-state laser rod in the radial and axial directions Distributed to the radiation of the individual laser diodes in the direction Coupling solids.
Mit den vorstehenden Anordnungen kann die Gain- bzw. Verstärkungsvertei lung je nach Anwendung durch die unterschiedliche Fokussierung optimiert werden, was jedoch Fokussierungskomponenten erforderlich macht, wie bei spielsweise die elliptischen oder zylindrischen Spiegel, wodurch die Bau kosten erhöht werden.With the above arrangements, the gain distribution optimized depending on the application due to the different focus , but this requires focusing components, as in for example the elliptical or cylindrical mirrors, making the construction costs are increased.
Eine weitere Möglichkeit, die Diodenlaserstrahlung in den Festkörper ein zukoppeln, kann unter Verwendung von Strahlführungselementen erfolgen. Another way to insert the diode laser radiation into the solid couple, can be done using beam guidance elements.
Ausgehend von dem vorstehend angesprochenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung eines dioden lasergepumpten Festkörperlasers anzugeben, bei dem zum einen mit einem hohen Wirkungsgrad die von Diodenlasern abgegebene Strahlung in das Fest körpermedium eingekoppelt werden kann, bei dem zum anderen die Verlust wärme in einfacher Weise abgeführt werden kann und die eine große Va riationsmöglichkeit im Aufbau bietet, allerdings dennoch zu einem kompak ten Aufbau führt.Starting from the prior art mentioned above, the The present invention has for its object an arrangement of a diode specify laser-pumped solid-state laser, in which on the one hand with a high efficiency the radiation emitted by diode lasers into the festival body medium can be coupled in, on the other hand, the loss heat can be dissipated in a simple manner and which is a great Va Rationalization in the construction offers, but still a compact structure.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einem diodenlasergepumpten Festkörperla ser dadurch gelöst, daß der Festkörper von einem für die abgegebene Strahlung transparenten Glas- oder Kristall-Hüllkörper in radialer Rich tung zu seiner Achse umhüllt ist, wobei die Mantelfläche des Hüllkörpers in mindestens zwei Bereiche aufgeteilt ist, von denen einer einen Ein strahlbereich für die abgegebene Strahlung bildet und der andere Bereich als Reflexionsfläche dient, die durch den Hüllkörper hindurchgehende Strahlung auf den Festkörper reflektiert.The above task is in a diode laser pumped solid state water solved in that the solid from one for the dispensed Radiation transparent glass or crystal envelopes in radial direction device is encased to its axis, the outer surface of the enveloping body is divided into at least two areas, one of which is an on forms the beam area for the emitted radiation and the other area serves as a reflecting surface that passes through the envelope Radiation reflects on the solid.
Erfindungsgemäß wird ein speziell geformter Glas- oder Kristall-Hüllkör per, vorzugsweise in der Form eines Zylinders oder Zylinderabschnitts, der in seiner Außenkonfiguration in Umfangsrichtung in einzelne Bereiche bzw. Flächenabschnitte unterteilt ist, wobei wechselweise diese Abschnit te einen Einstrahlbereich für die abgegebene Diodenstrahlung, die über diese Flächen in den Körper eingekoppelt wird, und Reflexionsflächen bil den. Dies bedeutet, daß Strahlung, die über die Einstrahlbereiche einge koppelt wird, entweder unmittelbar in den Festkörperstab, der in dem Hüllkörper vorzugsweise dicht anliegend eingebettet ist, eingestrahlt wird, oder an den jeweiligen Reflexionsflächen, die beispielsweise durch eine Beschichtung der Außenseite des Hüllkörpers im Bereich dieser Re flexionsflächen gebildet sind, reflektiert wird. Gleichzeitig dienen die se Reflexionsflächen dazu, Verlustwärme, die innerhalb des Hüllkörpers entsteht, durch Wärmeleitung an die Außenumgebung abzugeben. Es ist er sichtlich, daß hierdurch ein einfaches Bauteil erhalten wird, mit dem zum einen definiert die Diodenlaserstrahlung zum Pumpen des Festkörpers zu dem Festkörperstab hin geführt werden kann, zum anderen eine Wärmeab führung zur Außenumgebung erreicht wird. Die einzelnen Flächenbereiche können unterschiedlich in ihrer Erstreckung und in Umfangsrichtung des Hüllkörpers dimensioniert sein. Das bedeutet mit anderen Worten, daß der Bereich, über den die Strahlung der Diodenlaser in den Hüllkörper einge strahlt wird, nur so groß wählbar ist, daß er gerade ausreicht, um die gesamte, von den Diodenlasern abgegebene Strahlung aufzunehmen, während die verbleibenden Bereiche dann dazu ausgenutzt werden können, als Re flexionsflächen ausgebildet, die Verlustwarme zur Außenseite abzuführen. Die vorstehend beschriebenen Dimensionierungs- und Profilierungsmöglich keiten hinsichtlich des Hüllkörpers sind mit einfachen Mitteln insbeson dere dahingehend vorteilhaft, daß die Geometrie des Hüllkörpers dem un terschiedlichen Strahlquerschnitt der Diodenlaser, wie dies eingangs er läutert ist, angepaßt werden kann.According to the invention, a specially shaped glass or crystal envelope per, preferably in the form of a cylinder or cylinder section, in its outer configuration in the circumferential direction into individual areas or surface sections is divided, this section alternately te an irradiation area for the emitted diode radiation, which over these surfaces are coupled into the body, and reflection surfaces bil the. This means that radiation is emitted over the irradiation areas is coupled, either directly into the solid-state rod, which in the Envelope is preferably embedded tightly, radiated is, or on the respective reflective surfaces, for example, by a coating of the outside of the envelope in the area of this Re are formed, is reflected. At the same time they serve se reflective surfaces, heat loss within the envelope is created by heat conduction to the outside environment. It is him obvious that this gives a simple component with which to one defines the diode laser radiation for pumping the solid the solid rod can be guided, on the other hand a heat guidance to the outside environment is achieved. The individual surface areas can vary in their extent and in the circumferential direction of the Envelope be dimensioned. In other words, this means that the Area over which the radiation from the diode laser is inserted into the envelope is radiated, can only be selected so large that it is just sufficient for the to absorb all of the radiation emitted by the diode lasers while the remaining areas can then be used as re flexion surfaces designed to dissipate the heat loss to the outside. The dimensioning and profiling described above is possible speeds with regard to the envelope are in particular simple means dere advantageous in that the geometry of the envelope to the un Different beam cross-section of the diode laser, as he did at the beginning is refined, can be adjusted.
Bevorzugt wird der Hüllkörper als zylinderförmiges Teil aufgebaut mit in axialer Richtung begrenzenden Stirnflachen, die dann total reflektierend für die sich in dem Hüllkörper ausbreitende Diodenlaserstrahlung ausge bildet sind. Die Diodenlaserstrahlung wird über die Mantelflächensegmente in Form der Einstrahlbereiche des Hüllkörpers in diesen eingestrahlt und zu dem Festkörper hin geführt; Strahlung, die aufgrund der Strahldiver genz oder der Reflexionen innerhalb des Hüllkörpers zu den Stirnflachen des Hüllkörpers hin gerichtet wird, wird dort durch Totalreflexion re flektiert, so daß keine Verluste durch aus dem Hüllkörper austretende Strahlung auftreten.The enveloping body is preferably constructed as a cylindrical part with in axially bounding end faces, which are then totally reflective for the diode laser radiation propagating in the envelope forms are. The diode laser radiation is over the surface segments in the form of the irradiation areas of the enveloping body and led to the solid; Radiation due to the beam diver genz or the reflections within the envelope to the end faces of the envelope is directed there by total reflection right inflected so that no losses caused by emerging from the envelope Radiation occur.
Vorzugsweise wird der Hüllkörper in Bezug auf seinen Querschnitt symme trisch zu einer Ebene aufgebaut, die die Achse des Hüllkörpers enthält. Hierdurch wird erreicht, daß der Festkörper gleichförmig aus den unter schiedlichen Richtungen durch die Strahlung der Diodenlaser gepumpt wird. Bei dem Aufbau des Hüllkörpers sollte darauf geachtet werden, daß jeweils die Reflexionsflächen den Einstrahlbereichen, über die die Diodenstrah lung in den Hüllkörper eingestrahlt wird, gegenüberliegen, so daß die eingestrahlte Strahlung entweder unmittelbar auf den Festkörper trifft oder auf die dahinterliegende bzw. die der Einstrahlflache gegenüberlie gende Reflexionsflache des Hüllkörpers, um dann, an dieser Reflexions fläche reflektiert, auf den Festkörper gerichtet zu werden. Hieraus folgt, daß es vorteilhaft ist, daß jedem Einstrahlbereich mindestens eine Reflexionsflache zugeordnet ist.Preferably, the envelope is symme with respect to its cross section built up to a plane that contains the axis of the enveloping body. This ensures that the solid from the bottom different directions is pumped by the radiation of the diode laser. When building the envelope, care should be taken that the reflective surfaces the irradiation areas over which the diode beam tion is radiated into the envelope, opposite, so that radiated radiation either hits the solid directly or on the one behind or opposite the irradiation surface reflecting surface of the enveloping body, then, at this reflection surface reflected to be directed at the solid. Out of this follows that it is advantageous that each irradiation area at least one Reflection area is assigned.
In einer bevorzugten Weiterbildung werden die Reflexionsflächen so ausge bildet, daß sie die Strahlung auf den Festkörper fokussieren. Hierbei werden die Reflexionsflachen so dimensioniert und gekrümmt, daß sie vor zugsweise diejenige Strahlung fokussieren, die in den Hüllkörper über den jeweiligen Einstrahlbereich eingestrahlt wird, der dieser Reflexions fläche gegenüberliegt.In a preferred development, the reflection surfaces are made in this way forms that they focus the radiation on the solid. Here the reflecting surfaces are dimensioned and curved so that they are in front preferably focus the radiation that is in the envelope over the is irradiated in each irradiation area, this reflection face lies.
Um jedoch die Strahlung der Diodenlaser unmittelbar ohne Reflexionsver luste in den Festkörper einzustrahlen, können zum einen die Diodenlaser so dimensioniert werden, daß deren Strahlquerschnitt den Querschnitt des Festkörpers in etwa ausleuchtet, so daß annähernd die gesamte Strahlung der Diodenlaser unmittelbar auf den Festkörperstab auftrifft. Eine solche definierte Ausleuchtung kann aber auch dadurch erzielt werden, daß die Flächen der Einstrahlbereiche durch eine definierte Krümmung die Strah lung der Diodenlaser in der einen oder der anderen Richtung (auch in Ab hängigkeit der Lage des elliptischen Strahlquerschnitts der Diodenlaser) fokussieren oder aufweiten.However, in order to get the radiation from the diode laser directly without reflection The diode lasers, on the one hand, can radiate any lust into the solid be dimensioned so that their beam cross section the cross section of the Solid body illuminated approximately, so that almost all the radiation the diode laser strikes the solid-state rod directly. Such Defined illumination can also be achieved in that the Areas of the irradiation areas by a defined curvature diode laser in one direction or the other (also in Ab dependence of the position of the elliptical beam cross section of the diode laser) focus or expand.
Es ist bekannt, daß einzelne Diodenlaser, zur Erzielung höherer Leis tungen und Leistungsdichten, zu sogenannten Diodenlaserarrays bzw. Dio denlaserfeldanordnungen zusammengefaßt werden können, beispielsweise zu linearen Feldanordnungen, bei denen die Strahlaustrittsfenster der ein zelnen Diodenlaser auf einer Linie liegen, oder aber auch zu mehrdi mensionalen Feldanordnungen, d. h. zu solchen Feldanordnungen, bei denen mehrere linienförmige Laserdiodenarrays wiederum zusammengefaßt werden. It is known that individual diode lasers, to achieve higher Leis lines and power densities, for so-called diode laser arrays or Dio The laser field arrangements can be summarized, for example linear array arrangements in which the beam exit window of the one individual diode lasers lie on one line, or also to more di dimensional field arrangements, d. H. to such field arrangements where several line-shaped laser diode arrays can in turn be combined.
Mit solchen Diodenlaserarrays können große Flächenbereiche gleichmäßig ausgeleuchtet werden, was wiederum im Hinblick auf den Hüllkörper dahin gehend ausgenutzt wird, daß die Einstrahlbereiche relativ groß gewählt werden können, die dann mit solchen Diodenlaserfeldanordnungen gleich mäßig ausgeleuchtet werden können bzw. deren Strahlung gleichmäßig über den jeweiligen Einstrahlbereich verteilt in den Hüllkörper eingestrahlt wird. In einer Ausführungsform wird dann die Größe der Einstrahlbereiche etwa gleich groß wie diejenige der Reflexionsflächen gewählt.With such diode laser arrays, large areas can be uniform be illuminated, which in turn with respect to the envelope is used to the extent that the irradiation areas are chosen to be relatively large can then be the same with such diode laser array arrangements can be moderately illuminated or their radiation evenly the respective irradiation area is radiated into the enveloping body becomes. In one embodiment, the size of the irradiation areas chosen about the same size as that of the reflection surfaces.
Im Hinblick auf eine Anordnung der Einstrahlbereiche relativ zu den je weiligen Reflexionsflächen wird eine ungerade Anzahl Einstrahlbereiche gewählt, wobei dann, unter dem Gesichtspunkt, daß die Anzahl der Re flexionsbereiche der Anzahl der Einstrahlbereiche entspricht und diese jeweils eine gleiche Größe aufweisen, das bedeutet, daß eine Symmetrie zu einer Ebene vorhanden ist, die die Achse des Hüllkörpers enthält, der bereits vorstehend angesprochene, bevorzugte Aufbau erzielbar ist, bei dem jeweils ein Einstrahlbereich einer Reflexionsfläche gegenüberliegt. Damit der Hüllkörper in seiner äußeren Geometrie nicht zu kompliziert wird, zum anderen aber eine gleichmäßige Bestrahlung des Festkörpers er reicht wird, sollte die Anzahl der Einstrahlbereiche eine ungerade Anzahl zwischen drei und elf nicht übersteigen.With regard to an arrangement of the irradiation areas relative to each because of the reflection surfaces there is an odd number of irradiation areas chosen, then, from the point of view that the number of Re inflection areas corresponds to the number of irradiation areas and this each have the same size, which means that symmetry a plane is present that contains the axis of the enveloping body, the Preferred structure already mentioned above can be achieved at which is in each case an irradiation area of a reflection surface. So that the outer body of the envelope is not too complicated is, on the other hand, he uniform radiation of the solid is sufficient, the number of irradiation areas should be an odd number not exceed between three and eleven.
Der erfindungsgemäße Hüllkörper bietet auch die Möglichkeit, neben der Anordnung eines Festkörpers entlang der Achse des Hüllkörpers, mehrere Festkörper einzubetten, beispielsweise drei, die dann vorzugsweise sym metrisch um die Achse des Hüllkörpers verteilt angeordnet werden, um die angesprochene Symmetrie zu erzielen.The enveloping body according to the invention also offers the possibility, in addition to the Arrangement of a solid along the axis of the envelope, several Embed solid, for example three, which are then preferably sym arranged around the axis of the enveloping body to achieve the mentioned symmetry.
Um die Abführung der Verlustwärme über die Reflexionsflächen zu unter stützen, können an den Außenflächen der Reflexionsflächen Kühleinrich tungen angeordnet werden. Es ist ersichtlich, daß trotz solcher Kühlein richtungen ein kompakter Aufbau erreichbar ist. In order to dissipate the heat loss via the reflective surfaces can support on the outer surfaces of the reflective surfaces lines are arranged. It can be seen that despite such coolness directions a compact structure is achievable.
Weiterhin können zusätzliche Kühlmaßnahmen dadurch vorgenommen werden, daß der Festkörper unmittelbar in dem Hüllkörper gekühlt wird, indem bei spielsweise in dem Hüllkörper den oder die Festkörper umgebende Kanäle vorgesehen sind, um ein Kühlfluid dort hindurchzuführen.Additional cooling measures can also be carried out by that the solid is cooled directly in the envelope by at for example, channels or channels surrounding the solid body in the enveloping body are provided to pass a cooling fluid therethrough.
Vorzugsweise werden die jeweiligen Diodenlaser mit der großen Achse ihres elliptischen Strahlquerschnitts im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Hüllkörpers angeordnet, so daß, gerade im Hinblick auf einen Hüllkör per, der in Form eines kurzen Zylinderabschnitts gebildet ist, beispiels weise in Form eines scheibenförmigen Teils, der Strahl mit einer hohen Strahldivergenz zu diesen Stirnflächen des Hüllkörpers hin gerichtet wird. Hierdurch kann eine hohe Packungsdichte der Diodenlaser, die zum Pumpen eingesetzt werden, erreicht werden.The respective diode lasers are preferably with the large axis of their elliptical beam cross section substantially perpendicular to the axis arranged of the enveloping body, so that, precisely with regard to an enveloping body per, which is formed in the form of a short cylinder section, for example wise in the form of a disc-shaped part, the beam with a high Beam divergence directed towards these end faces of the enveloping body becomes. This can result in a high packing density of the diode lasers Pumps are used to be achieved.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigenFurther details and features of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments using the Drawings. Show in the drawings
Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines zylinderförmigen Hüll körpers gemäß der Erfindung mit einem einzelnen Festkörperstab, der darin eingebettet ist, Fig. 1 shows schematically an embodiment of a cylindrical shell body according to the invention having a single solid-state rod that is embedded therein,
Fig. 2 einen scheibenförmigen Hüllkörper mit einer Querschnittsform entsprechend des Hüllkörpers der Fig. 1, Fig. 2 is a disk-shaped casing body having a cross-sectional shape of the enveloping body corresponding to the Fig. 1,
Fig. 3 schematisch den Strahlverlauf innerhalb eines Hüllkörpers, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, und zwar in Bezug auf eine Diodenlaserfeldanordnung, Fig. 3 shows diagrammatically the beam path within an enveloping body, as shown in Figs. 1 and 2, in relation to a diode laser array,
Fig. 4 die Anordnung der Fig. 3, wobei der Strahlverlauf der drei eingesetzten Diodenlaserfeldanordnungen schematisch gezeigt ist, Fig. 4 shows the arrangement of Fig. 3, wherein the beam path of the three diode arrays employed is shown schematically,
Fig. 5 schematisch einen Diodenlaser mit dem aus der Austrittsfläche austretenden typischen Strahlkegel, Fig. 5 diagrammatically shows a diode laser with the exiting from the exit surface typical spray cone,
Fig. 6A bis 6D schematisch verschiedene ein- und zweidimensionale Diodenlaserfeldanordnungen, die in Verbindung mit dem Hüllkör per einsetzbar sind, FIG. 6A to 6D schematically illustrate various one and two dimensional diode laser arrays that can be used in conjunction with the Hüllkör by,
Fig. 7 eine mit der Darstellung der Fig. 4 vergleichbare Anordnung, wobei jedoch im Gegensatz zu der Anordnung der Fig. 4 die Ein strahlbereiche gegenüber den Reflexionsbereichen in Umfangs richtung des Hüllkörpers kleiner dimensioniert sind und die Slow-Richtung des Strahlquerschnitts der Diodenlaser parallel zur Achse des Hüllkörpers bzw. des Festkörperstabs verläuft, Fig. 7 is a comparable with the representation of Fig. 4, but in contrast to the arrangement of Fig. 4, the A beam areas are dimensioned smaller compared to the reflection areas in the circumferential direction of the envelope and the slow direction of the beam cross section of the diode laser parallel to Axis of the enveloping body or of the solid rod runs,
Fig. 8 eine der Anordnung der Fig. 3 und 4 entsprechende Anordnung, wobei jedoch in den Hüllkörper drei Festkörperstäbe eingebettet sind, und Fig. 8 is an arrangement of FIGS. 3 and 4 corresponding arrangement, although three solid bars are embedded in the casing body, and
Fig. 9 eine Anordnung entsprechend der Fig. 1, wobei gegenüber der Fig. 1 um den Festkörper herum ein Kühlkanal vorgesehen ist. FIG. 9 shows an arrangement corresponding to FIG. 1, with a cooling channel being provided around the solid body compared to FIG. 1.
In der Fig. 1 ist in einer perspektivischen Ansicht schematisch ein zy linderförmiger Hüllkörper 1 dargestellt, der in Richtung der Achse 2 durch Stirnflächen 3, die in etwa senkrecht zu der Achse 2 verlaufen, begrenzt ist. Entlang der Achse 2 verläuft eine durchgehende Bohrung 4, die dazu vorgesehen ist, einen Festkörperstab eines dem Querschnitt der Bohrung 4 entsprechenden Durchmessers aufzunehmen.In Fig. 1, a zy-cylindrical envelope 1 is schematically shown in a perspective view, which is limited in the direction of the axis 2 by end faces 3 which extend approximately perpendicular to the axis 2 . A continuous bore 4 runs along the axis 2 and is intended to receive a solid body rod of a diameter corresponding to the cross section of the bore 4 .
Die Zylindermantelfläche 5 ist in sechs Flächensegmente 6 unterteilt, wobei drei ebene Flächensegmente 6 jeweils Einstrahlbereiche 7 bilden, während die anderen drei gekrümmten Flächensegmente 6 Reflexionsflächen 8 bilden. The cylindrical surface 5 is divided into six segments surface 6, wherein three flat surface segments 6 each form Einstrahlbereiche 7, while the other three curved surface segments form reflection surfaces 6. 8
Während der Hüllkörper 1 der Fig. 1 die Form eines langgestreckten Zy linders umfaßt, ist in Fig. 2 ein Hüllkörper 1 dargestellt, der dieselbe Querschnittsform wie der Hüllkörper 1 der Fig. 1 aufweist, ebenfalls mit sechs Flächensegmenten, von denen drei Segmente Einstrahlbereiche 7 und drei Segmente Reflexionsflächen 8 bilden, allerdings scheibenförmig ist, d. h. eine nur geringe Erstreckung in Richtung der Achse 2 besitzt.While the casing body 1 of FIG. 1, the shape comprises an elongated Zy Linders, an enfolding body 1 is shown in FIG. 2, the same cross-sectional shape as the casing body 1 of FIG. 1 comprises, also with six surface segments, three of which segments Einstrahlbereiche 7 and three segments form reflection surfaces 8 , but are disk-shaped, ie have only a small extension in the direction of the axis 2 .
Die Hüllkörper 1, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, sind in den Fig. 3 und 4 jeweils in einer Draufsicht auf ihre Stirnfläche 3 dargestellt. In der Fig. 3 ist den drei Einstrahlbereichen 7 des Hüll körpers 1 jeweils ein Diodenlaserarray bzw. eine Diodenlaserfeldanord nung 10 (in den Figuren auch als "DL-Array" bezeichnet) zugeordnet. Die Slow-Richtung verläuft senkrecht zu der Achse 2 des Hüllkörpers 1.The enveloping bodies 1 , as shown in FIGS. 1 and 2, are each shown in a top view of their end face 3 in FIGS. 3 and 4. In Fig. 3, the three irradiation areas 7 of the envelope body 1 each have a diode laser array or a diode laser array arrangement 10 (also referred to in the figures as a "DL array"). The slow direction runs perpendicular to the axis 2 of the enveloping body 1 .
Die Strahlung, die von den jeweiligen Diodenlaserfeldanordnungen 10 abge geben wird, wird über die Einstrahlbereiche 7 in den Hüllkörper 1 einge strahlt. Die Strahlung 11 trifft entweder direkt auf den Festkörper stab 9, wie in Fig. 3 durch den mittleren Strahl angedeutet ist, der von der unteren Diodenlaserfeldanordnung 10 ausgeht, oder führt an dem Fest körperstab 9 vorbei, trifft auf die gegenüberliegende Reflexionsfläche 8 und wird von dort, aufgrund der Krümmung der Reflexionsfläche 8, auf den Festkörperstab 9 fokussiert. Eine entsprechende Strahlung geht von den beiden anderen Diodenlaserfeldanordnungen 10 aus, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, so daß der Festkörperstab 9 gleichmäßig von allen Seiten der Anordnung bestrahlt wird.The radiation, which is given by the respective diode laser field arrangements 10, is radiated into the envelope body 1 via the irradiation regions 7 . The radiation 11 either strikes the solid rod 9 directly, as is indicated in FIG. 3 by the central beam emanating from the lower diode laser array 10 , or passes the solid rod 9 , strikes the opposite reflection surface 8 and is from there, due to the curvature of the reflection surface 8 , focused on the solid-state rod 9 . A corresponding radiation emanates from the two other diode laser field arrangements 10 , as shown in FIG. 4, so that the solid-state rod 9 is irradiated uniformly from all sides of the arrangement.
Die Einstrahlbereiche 7 sind derart dimensioniert, daß sie in ihrer Größe der Erstreckung der Diodenlaserfeldanordnung 10 jeweils entsprechen, so daß der gesamte Einstrahlbereich 7 durch die Strahlung der Diodenlaser feldanordnung 10 ausgeleuchtet ist. Weiterhin ist die Anordnung, wie dies aus den Fig. 3 und 4 deutlich wird, symmetrisch zu einer fiktiven Ebene angeordnet, die die Achse 2 des Hüllkörpers 1 enthält. Die Re flexionsflächen 8, die vorzugsweise durch von der Außenseite auf den Hüllkörper aufgebrachte, reflektierende Schichten gebildet sind, sind für die Diodenlaserstrahlung total reflektierend. Wie anhand der Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, bilden die Reflexionsflächen 8 einen relativ großen Flächenbereich, in Bezug auf den gesamten Hüllkörper 1, der dazu geeignet ist, in dem Hüllkörper 1 entstehende Verlustwärme an die Außenumgebung abzugeben. Durch diese Reflexionsflächen ist daher gleichzeitig eine Maß nahme getroffen, um den Hüllkörper zu kühlen, was sehr wesentlich für die erzielbare Lasereigenschaft des Festkörperlasers, wie Strahlqualität und Ausgangsleistung, ist.The Einstrahlbereiche 7 are dimensioned such that they correspond in size to the extension of the diode laser array 10, respectively, is so that the whole irradiation region 7 array by the radiation of the diode laser illuminated 10th Furthermore, as is clear from FIGS. 3 and 4, the arrangement is arranged symmetrically to a fictitious plane which contains the axis 2 of the enveloping body 1 . The reflection surfaces 8 , which are preferably formed by reflecting layers applied to the envelope from the outside, are totally reflective for the diode laser radiation. As can be seen from FIGS. 3 and 4, the reflecting surfaces 8 form a relatively large surface area, with respect to the entire enveloping body 1 , which is suitable for dissipating heat generated in the enveloping body 1 to the outside environment. Through these reflective surfaces, a measure is therefore taken at the same time in order to cool the enveloping body, which is very important for the achievable laser property of the solid-state laser, such as beam quality and output power.
Die einzelnen Bereiche, d. h. die Einstrahlbereiche 7 und die Reflexions flächen 8, können definiert in ihrer radialen und axialen Erstreckung dimensioniert werden. Während in den Figuren die Einstrahlbereiche 7 als ebene Flächenteile dargestellt sind, können sie ebenfalls eine Krümmung aufweisen, um die Strahlung, die von den Diodenlasern der Feldanord nung 10 abgegeben wird, entweder zu fokussieren oder aufzuweiten, wobei für solche Maßnahmen der Strahlquerschnitt, der für einen Diodenlaser typisch ist, der in der Fig. 5 dargestellt und nachfolgend noch er läutert wird, berücksichtigt wird.The individual areas, ie the irradiation areas 7 and the reflection surfaces 8 , can be dimensioned in a defined manner in their radial and axial extent. While in the figures the irradiation areas 7 are shown as flat parts of the surface, they can also have a curvature in order to either focus or expand the radiation emitted by the diode lasers of the field arrangement 10 , the beam cross-section required for such measures a diode laser is typical, which is shown in FIG. 5 and will be explained below, is taken into account.
Um Verluste an den beiden Stirnflächen 3 des Hüllkörpers 1 gering zu hal ten, sind diese vorzugsweise total reflektierend, um Strahlung 11, die von den Diodenlaserfeldanordnungen 10 ausgeht und auf diese Stirn flächen 3 auftrifft, in den Hüllkörper 1 zurückzureflektieren. Gegebenen falls können diese Stirnflächen 3 gewölbt werden, um eine fokussierende Wirkung zu erreichen; ebene Stirnflächen 3 sind jedoch bevorzugt, um eine einfache Geometrie des Hüllkörpers 1 zu erzielen, wobei durch eine de finierte Anordnung der Diodenlaser der Feldanordnung 10 die Strahlungsan teile, die auf diese Stirnflächen 3 innerhalb des Hüllkörpers 1 auftref fen, gering gehalten werden.In order to keep losses on the two end faces 3 of the enveloping body 1 low, these are preferably totally reflective in order to reflect back radiation 11 , which emanates from the diode laser field arrangements 10 and strikes these end faces 3 , into the enveloping body 1 . If necessary, these end faces 3 can be curved in order to achieve a focusing effect; planar end faces 3 are preferred, however, in order to achieve a simple geometry of the enveloping body 1 , the radiation components which impinge on these end faces 3 within the enveloping body 1 being kept low by a de-defined arrangement of the diode lasers of the field arrangement 10 .
Falls es erforderlich ist, können im Bereich der Reflexionsflächen 8 auf der Außenseite des Hüllkörpers 1 zusätzliche Kühlmaßnahmen vorgenommen werden, um die in dem Hüllkörper 1 entstehende Verlustwärme nach außen schneller abzutransportieren. Da die Verlustwärme durch das Volumen des Hüllkörpers 1 transportiert wird, wird der Hüllkörper vorzugsweise aus einem hoch wärmeleitenden und hoch transmittierenden Material, wie bei spielsweise Saphir, hergestellt.If necessary, additional cooling measures can be taken in the area of the reflecting surfaces 8 on the outside of the enveloping body 1 in order to remove the heat loss generated in the enveloping body 1 more quickly to the outside. Since the heat loss is transported through the volume of the enveloping body 1 , the enveloping body is preferably made of a highly heat-conducting and highly transmissive material, such as for example sapphire.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist der elliptische Strahlquerschnitt eines Diodenlasers bei der Orientierung der Diodenlaserfeldanordnung 10 relativ zu den Einstrahlbereichen 7 bzw. der Achse 2 des Hüllkörpers 1 zu beachten.As already mentioned above, the elliptical beam cross section of a diode laser must be taken into account when orienting the diode laser field arrangement 10 relative to the irradiation regions 7 or the axis 2 of the enveloping body 1 .
In Fig. 5 ist schematisch eine typische Struktur eines einzelnen Dioden lasers 12, allerdings ohne Kühlkörper und weitere Versorgungseinrich tungen, gezeigt. Die Struktur besitzt eine stark dotierte p⁺-Phase 13, eine p-Phase 14 und eine n-Phase 15. Mit dem Bezugszeichen 20 ist die Austrittsfläche einer emittierenden Zone des aktiven Mediums bezeichnet, die eine gewisse Ausdehnung in Richtung der Ebene des Übergangs der p-Phase 14 und der n-Phase 15 besitzt, während sie relativ schmal senk recht zu diesen Ebenen verläuft. Aufgrund der Geometrie des aktiven Me diums tritt aus der Austrittsfläche 20 der angedeuteten typische Strah lenkegel aus, der einen elliptischen Querschnitt besitzt, wobei die große Achse 16 senkrecht zu der Ebene des pn-Übergangs verläuft, während die kleine Achse 17 des elliptischen Querschnitts parallel zu der Ebene des pn-Übergangs verläuft. Typischerweise ist die große Ausdehnung des Strahlkegels senkrecht zu der Ebene des pn-Übergangs, die auch als "Fast-Richtung" bezeichnet wird, mit einem Divergenzwinkel 18 von etwa 90° behaftet, während der Strahlkegel in Richtung der kleinen Achse 17 bzw. senkrecht zu der Fast-Richtung, die auch als "Slow-Richtung" be zeichnet wird, einen Divergenzwinkel 19 von ca. 10° besitzt.In Fig. 5 a typical structure of a single diode laser 12 is shown schematically, but without heat sink and other supply lines. The structure has a heavily doped p⁺ phase 13 , a p phase 14 and an n phase 15 . The reference numeral 20 denotes the exit surface of an emitting zone of the active medium, which has a certain extent in the direction of the plane of the transition of the p-phase 14 and the n-phase 15 , while being relatively narrow perpendicular to these planes. Due to the geometry of the active Me diums emerges from the exit surface 20 of the indicated typical Strah lenkegel of which has an elliptical cross-section, the major axis 16 is perpendicular to the plane of the pn junction, while the small axis 17 of the elliptical cross-section parallel to the level of the pn junction. Typically, the large extent of the jet cone perpendicular to the plane of the pn junction, which is also referred to as the "fast direction", is afflicted with a divergence angle 18 of approximately 90 °, while the jet cone is in the direction of the minor axis 17 or perpendicular to the fast direction, which is also referred to as the "slow direction", has a divergence angle 19 of approximately 10 °.
In den Ausführungsformen, die bis jetzt beschrieben sind, wie sie die Fig. 1 bis 4 zeigen, wird vorzugsweise die Diodenlaserfeldanordnung 10 so angeordnet, daß die Slow-Richtung der einzelnen Diodenlaser 12 der Feldanordnung senkrecht zu der Achse 2 des Festkörperstabs 9 bzw. des Hüllkörpers 1 verläuft. Auf diese Weise wird eine extrem hohe Pumpleis tungsdichte erreichbar und damit kann ein äußerst kompakter Pulslaser aufgebaut werden.In the embodiments described so far, as shown in FIGS. 1 to 4, the diode laser array arrangement 10 is preferably arranged such that the slow direction of the individual diode lasers 12 of the array arrangement is perpendicular to the axis 2 of the solid-state rod 9 or Envelope 1 runs. In this way, an extremely high pump power density can be achieved and an extremely compact pulse laser can thus be constructed.
Beispiele für den Aufbau von Diodenlaserfeldanordnungen 10, die bei den Ausführungsformen des Hüllkörpers 1 eingesetzt werden können, sind in den Fig. 6A bis 6D dargestellt. Da einzelne Laserstrahlquellen in Form von Diodenlasern nur begrenzt zu höheren Leistungen skalierbar sind, wird zum Erzielen höherer Laserleistungen und Leistungsdichten eine größere Anzahl einzelner Diodenlaser zu verschiedenen Arrays- oder Feldanordnungen zusam mengefaßt, wie dies in den Figuren dargestellt ist.Examples of the structure of diode laser field arrangements 10 which can be used in the embodiments of the enveloping body 1 are shown in FIGS. 6A to 6D. Since individual laser beam sources in the form of diode lasers can only be scaled to higher powers to a limited extent, a greater number of individual diode lasers are combined to form different arrays or field arrangements in order to achieve higher laser powers and power densities, as is shown in the figures.
Hierbei kann man lineare Feldanordnungen, wie sie in den Fig. 6A und 6C dargestellt sind, doppelt-lineare Feldanordnungen, wie dies beispiels weise in Fig. 6B dargestellt ist, sowie zweidimensionale Arrays gemäß der schematischen Darstellung der Fig. 6D unterscheiden.Here, one can differentiate between linear field arrangements, as shown in FIGS . 6A and 6C, double-linear field arrangements, as shown, for example, in FIG. 6B, and two-dimensional arrays according to the schematic representation of FIG. 6D.
Wie die Fig. 6A bis 6D zeigen, können Diodenlaserfeldanordnungen 10 in den Einstrahlbereichen entsprechend in ihren Ausdehnungen und Leistungs dichten herangezogen werden, um die Strahlung der einzelnen Laserdioden in den Hüllkörper 1 einzustrahlen.As FIGS. 6A to 6D show, diode laser field arrangements 10 in the irradiation areas can be used in accordance with their dimensions and power densities in order to irradiate the radiation from the individual laser diodes into the enveloping body 1 .
In der Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines diodenlasergepumpten Festkörperlasers mit einem Hüllkörper 1 dargestellt, bei dem die Ein strahlbereiche 7, in ihrer radialen Erstreckung um die Achse 2 des Hüll körpers 1, wesentlich kleiner dimensioniert sind als die jeweils zwischen den einzelnen Einstrahlbereichen 7 liegenden Reflexionsflächen 8, wobei in der radialen Richtung gesehen die Reflexionsflächen 8 etwa um das Fünffache größer sind als die Einstrahlbereiche 7. Wiederum sind drei Einstrahlbereiche 7 mit jeweils einer dazwischenliegenden Reflexions fläche 8 vorgesehen. Die Anordnung der Fig. 7 eignet sich für solche Aufbauten eines diodenlasergepumpten Festkörperlasers, bei dem die Slow-Richtung der einzelnen Diodenlaser der Diodenlaserfeldanordnung 10 parallel zur Zylinderachse 2 des Festkörperstabs 9 verläuft. Die Dioden laserstrahlung wird wiederum über die drei Einstrahlbereiche 7 in den Hüllkörper 1 eingestrahlt, die eben sind und durch eine hoch transmit tierende Beschichtung auf dem Glaskörper gebildet sind. Ein Teil der Dio denstrahlung wird direkt auf den Festkörperstab 9 gestrahlt, wie der Strahlungsverlauf zeigt, während der andere Teil auf die in Strahlrich tung gesehen hinter dem Feldkörperstab 9 liegende Reflexionsfläche 8 auf trifft, von wo sie aus, aufgrund der konkaven Krümmung der Reflexions fläche 8, in den Festkörperstab 9 fokussiert wird. Durch die mehrfache Reflexion innerhalb des Glaskörpers kann die Effektivität des Lasers er höht werden.In FIG. 7 shows an embodiment of a diode laser pumped solid-state laser is shown with a casing body 1, in which the A bright areas 7, in their radial extension to the axis 2 of the shell body 1, are dimensioned substantially smaller lying as each individual between the Einstrahlbereichen 7 Reflection surfaces 8 , the reflection surfaces 8 being approximately five times larger than the irradiation regions 7 when viewed in the radial direction. Again, three irradiation areas 7 are provided, each with an intermediate reflection surface 8 . The arrangement in FIG. 7 is suitable for such structures of a diode laser-pumped solid-state laser in which the slow direction of the individual diode lasers of the diode laser field arrangement 10 runs parallel to the cylinder axis 2 of the solid-state rod 9 . The diode laser radiation is in turn irradiated through the three irradiation areas 7 in the envelope body 1 , which are flat and are formed by a highly transmit coating on the glass body. A portion of the Dio is denstrahlung directly irradiated to the solid-state rod 9, as the radiation path, shows the other part impinges on the saw tung in beam Rich behind the field-state rod 9 disposed reflection surface 8, from where they are made, due to the concave curvature of the reflection surface 8 , is focused into the solid-state rod 9 . The effectiveness of the laser can be increased by the multiple reflection within the glass body.
Die Ausführungsform der Fig. 7 besitzt gegenüber der Ausführungsform der Fig. 3 den Vorteil, daß bei einer bestimmten Größe des Hüllkörpers 1 mehr Diodenarrays 10 um den Umfang des Hüllkörpers 1 angeordnet werden können. Außerdem kann die Pumpleistungsdichteverteilung im Festkörper einfacher eingestellt werden. Dieses Konzept ist vorteilhaft für konti nuierlich betriebene (cw-) Laser.The embodiment of FIG. 7 has the advantage over the embodiment of FIG. 3 that with a certain size of the enveloping body 1 more diode arrays 10 can be arranged around the circumference of the enveloping body 1 . In addition, the pump power density distribution in the solid can be set more easily. This concept is advantageous for continuously operated (cw) lasers.
Weiterhin besitzt die Ausführungsform der Fig. 7 den Vorteil, daß durch die großflächige Dimensionierung der Reflexionsflächen 8, im Vergleich zu der Ausführungsform der Fig. 3 und 4, eine höhere Wärmeabfuhr von Ver lustwärme innerhalb des Hüllkörpers 1 erzielt werden kann.Furthermore, the embodiment of FIG. 7 has the advantage that the large dimensioning of the reflection surfaces 8 , in comparison to the embodiment of FIGS. 3 and 4, a higher heat dissipation of heat from United pleasure can be achieved within the envelope body 1 .
Fig. 8 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, wobei die Form des Hüllkörpers 1 sowie die Anordnung der Diodenlaserfeldanordnungen 10 der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 entspricht, bei der allerdings in den Hüllkörper 1, gegenüber der früheren Ausführungsform, drei Festkör perstäbe 9 eingebettet sind. Die einzelnen Festkörperstäbe sind symme trisch um die Achse 2 des Hüllkörpers 1 gleichmäßig verteilt, wobei je weils zwei Festkörperstäbe 9 mit ihren Achsen 22 so ausgerichtet sind, daß die Achsen der jeweiligen zwei Festkörperstäbe 9 in einer Ebene lie gen, die parallel zu der Ebene der Einstrahlbereiche 7 verläuft. Diese Ausführungsform bringt den Vorteil mit sich, daß die thermische Belastung des Festkörpermediums reduziert wird, außerdem die Fläche, die der Strah lung der Diodenlaserfeldanordnungen 10 entgegengesetzt wird, erhöht wird. Fig. 8 shows schematically a further embodiment, wherein the shape of the enveloping body 1 and the arrangement of the diode laser array 10 corresponds to the embodiment of FIGS. 3 and 4, in which, however, three solid rods 9 are embedded in the enveloping body 1 compared to the previous embodiment . The individual solid rods are sym metrically of the casing body 1 evenly distributed about the axis 2, wherein each weils two solid rods 9 are aligned with their axes 22 so that the axes of the respective two solid rods 9 lie in a plane gene that is parallel to the plane of the Irradiation areas 7 runs. This embodiment has the advantage that the thermal load on the solid-state medium is reduced, and in addition the area which is opposed to the radiation of the diode laser array arrangements 10 is increased.
In Fig. 9 ist zusätzlich zu der Ausführungsform der Fig. 1 um den Fest körperstab 9 herum ein ringförmiger Raum 22 belassen, durch den ein Fluid zirkuliert, das die Verlustwärme innerhalb des Hüllkörpers 1 abführt.In FIG. 9, in addition to the embodiment of FIG. 1, an annular space 22 is left around the solid body rod 9 , through which a fluid circulates, which dissipates the heat loss within the enveloping body 1 .
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, wird unter Einsatz des beschrie benen Hüllkörpers, in den ein oder mehrere Festkörperstäbe 9 als aktives Medium eingesetzt werden, eine kompakte, aber dennoch effektive Anordnung eines diodenlasergepumpten Festkörperlasers geschaffen.As the above description shows, a compact, yet effective arrangement of a diode laser-pumped solid-state laser is created using the described enveloping body, into which one or more solid-state rods 9 are used as the active medium.
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