DE19521943A1 - Solid state laser - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaservorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a solid-state laser device the type specified in the preamble of claim 1.
Festkörperlaser, die als laseraktives Medium Kristalle oder Gläser enthalten, gehören wegen ihres relativ einfa chen Aufbaus und der hohen erzielbaren Leistung zu den in der Praxis wichtigsten Lasertypen.Solid-state lasers, which act as crystals as a laser-active medium or contain glasses, because of their relatively simple Chen construction and the high achievable performance to the in most important laser types in practice.
Sie werden mit Lampen verschiedener Gasfüllung und Bauart, Leuchtdioden oder mit Lasern - etwa Halbleiterlasern - ge pumpt, wobei die Pumplichtquelle so zu wählen ist, daß der Hauptanteil der emittierten Strahlung im Spektralbereich der Absorptionsbanden des Lasermediums liegt. Aus diesem Grund kann der Einsatz von im nahen Infrarot (NIR) emit tierenden, durch entsprechende Dotierung exakt auf die Haupt-Absorptionsbanden abstimmbaren, Halbleiterlasern zum Pumpen von YAG(Yttrium-Aluminium-Granat)-Festkörperlasern aus energetischer Sicht sehr effizient sein. Hiermit wird eine Pumplichtausnutzung (ausgedrückt durch die sogenannte "slope efficiency" - vgl. dazu die Ausführungen weiter un ten) von 70 bis weit über 90% erreicht. Diese Pumplicht quellen finden daher in den sogenannten DPSS(Diode Pumped Solid-State)-Laseranordnungen zunehmende Verbreitung.They come with lamps of different gas filling and construction, LEDs or with lasers - such as semiconductor lasers - ge pumps, the pumping light source being selected so that the Most of the radiation emitted in the spectral range the absorption bands of the laser medium. For this Reason can be the use of near infrared (NIR) emit appropriate, by appropriate doping exactly on the Main absorption bands tunable, semiconductor lasers for Pumping YAG (yttrium aluminum garnet) solid-state lasers be very efficient from an energy perspective. Hereby will a pump light exploitation (expressed by the so-called "slope efficiency" - cf. the explanations continue un ten) from 70 to well over 90%. This pump light sources are therefore found in the so-called DPSS (Diode Pumped Solid-state) laser arrays are becoming increasingly common.
Der zunehmende Einsatz und die künftig zu erwartenden aus gezeichneten Marktchancen des miniaturisierten DPSS-YAG- Lasers resultieren auch aus der grundsätzlich bestehenden Möglichkeit, damit bei einfachem Aufbau hohe Leistungen im Impuls betrieb bei hoher Folgefrequenz wie auch im konti nuierlichen Betrieb und ein nahezu ideal Gauß′sches Strahlprofil zu erreichen.The increasing use and expected in the future market opportunities of the miniaturized DPSS-YAG Lasers also result from the fundamentally existing Possibility to achieve high performance in a simple construction Pulse operation at a high repetition frequency as well as continuously nuclear operation and an almost ideal Gaussian To achieve beam profile.
Bei longitudinal gepumpten DPSS-Lasern wird die Pumpstrah lung aus einem Leistungs-Laserdiodenarray kollinear zur optischen Resonatorachse des Festkörperlasers durch den hinteren Resonatorspiegel in das aktive Verstärkungsmedium bzw. den Festkörperlaserkristall eingekoppelt. With longitudinally pumped DPSS lasers, the pump beam development from a power laser diode array collinear optical resonator axis of the solid-state laser through the rear resonator mirror in the active gain medium or coupled in the solid-state laser crystal.
Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze den Aufbau eines sol chen longitudinal gepumpten DPSS-Lasers. Die Strahlung P einer (beispielsweise im nahen Infrarot=NIR arbeitenden) Pump-Laserdiode 1 wird über eine (hier aus zwei Bikonvex linsen 2a, 2b bestehende) Kollimationsoptik 2, die ebenso wie die Laserdiode 1 jenseits des hinteren Resonatorspie gels 3.1 eines Festkörperlasers angeordnet ist, durch die sen hindurch in einen im Emissionsbereich der Laserdiode 1 absorbierenden Festkörperlaserkristall (Verstärkungs- oder Lasermedium) 4 eingekoppelt. Dieser besteht bei den mei sten praktisch eingesetzten DPSS-Anordnungen aus seltenerd-dotiertem YAG (Yttrium-Aluminium-Granat). Die NIR-Pumpstrahlung erzeugt dort eine Festkörperlaserstrah lung L, die zwischen dem hinteren Resonatorspiegel 3 und einem vorderen, teildurchlässigen Resonatorspiegel 3.2 mehrfach reflektiert und schließlich durch den letzteren aus gekoppelt wird. Fig. 2 shows in a schematic diagram the structure of such a longitudinally pumped DPSS laser. The radiation P of a (for example in the near infrared = NIR working) pump laser diode 1 is via a (here consisting of two biconvex lenses 2 a, 2 b) collimation optics 2 , which like the laser diode 1 beyond the rear resonator mirror 3.1 of a solid-state laser is arranged, through which it is coupled into a solid-state laser crystal (amplification or laser medium) 4 which absorbs in the emission region of the laser diode 1 . In most of the practically used DPSS arrangements, this consists of rare earth-doped YAG (yttrium aluminum garnet). The NIR pump radiation generates a solid-state laser radiation L which is repeatedly reflected between the rear resonator mirror 3 and a front, partially transparent resonator mirror 3.2 and is finally coupled out by the latter.
Derartige longitudinal gepumpte DPSS-Laser sind beispiels weise - in verschiedenen Modifikationen des oben beschrie benen Prinzips, speziell hinsichtlich der Einkopplung der Pumpstrahlung - aus EP 0 358 410 A2, DE 41 01 403 A1 oder US 5 022 043 bekannt. Es ist - etwa aus der erstgenannten Druckschrift - auch bekannt, aus der ebenfalls im nahen Infrarot liegenden Festkörperlaserstrahlung durch einen in trakavitär angeordneten Frequenzverdopplerkristall sicht bares Licht zu erzeugen.Such longitudinally pumped DPSS lasers are an example wise - in various modifications of the above principle, especially with regard to the coupling of the Pump radiation - from EP 0 358 410 A2, DE 41 01 403 A1 or US 5 022 043 known. It is - roughly from the former Publication - also known from the also in the near Infrared lying solid-state laser radiation by an in tracavitary arranged frequency doubler crystal view to produce clear light.
Die Transferoptik der Pumplichtquelle(n) ist so auszule gen, daß eine weitgehende Kongruenz zwischen der Pumpmode und der zwischen den Resonatorspiegeln schwingenden trans versalen Grundmode (TEM₀₀) des Festkörperlasers erreicht wird.The transfer optics of the pump light source (s) should be read out in this way that there is a large congruence between the pump mode and the trans vibrating between the resonator mirrors versals basic mode (TEM₀₀) of the solid-state laser reached becomes.
Mit solchen Anordnungen lassen sich mit geringem Aufwand und niedriger Pumpleistung hohe Pumpleistungsdichten im laseraktiven Material erzeugen, woraus sich eine niedrige Schwelleistung und ein hoher Gesamtwirkungsgrad ergeben.With such arrangements can be done with little effort and low pump power high pump power densities in the generate laser-active material, resulting in a low Threshold performance and a high overall efficiency result.
Bereits bei geringen Pumpleistungsdichten treten jedoch thermische Effekte auf, insbesondere das sogenannte "thermal lensing", die unkontrollierte Bildung von linsen artig wirkenden Brechzahlgradienten-Bereichen, und ggfs. auch die Ausbildung von doppelbrechenden Bereichen im La serkörper. Diese Effekte können zu einer starken Ver schlechterung der Strahlqualität (insbesondere der Geome trie des Strahlquerschnitts) führen und den Einsatzbereich einer vorgegebenen Resonatorgeometrie stark einschränken.However, even at low pump power densities thermal effects, especially the so-called "thermal lensing", the uncontrolled formation of lenses refractive index gradient areas, and if necessary. also the formation of birefringent areas in La body. These effects can lead to a strong ver deterioration of the beam quality (especially the geome of the beam cross section) and the area of application severely restrict a given resonator geometry.
Speziell bei der longitudinal gepumpten Konfiguration wirft auch die Geometrie des Laserdioden-Pumpstrahls, des sen Querschnitt eine Höhe um 1 µm und eine Breite im Be reich von 50 bis 500 µm hat, Probleme auf. Diese Strahlung läßt sich schlecht über größere Abstände in den Festkör perlaserkristall abbilden - was jedoch zur Erzielung einer geringen Pumpstrahldivergenz und damit eines hohen Wir kungsgrades des Pumplichtes und eines geringen Anteils hö herer Moden wünschenswert wäre.Especially with the longitudinally pumped configuration also throws the geometry of the laser diode pump beam, the cross-section a height of 1 µm and a width in the loading range from 50 to 500 µm has problems. This radiation can be difficult over large distances in the solid map perlaser crystal - but what to achieve low pump jet divergence and thus a high we efficiency of the pump light and a small portion of the height her fashions would be desirable.
In DE 41 01 403 wird vorgeschlagen, die Pump-Laserdiode sehr nahe am Festkörperlaserkristall anzuordnen, und diesem einen sehr geringen Querschnitt zu geben, so daß das Pumplicht (mindestens in Richtung einer Achse) zwischen den Begrenzungsflächen des Festkörperlasermediums mit ge ringer Strahldivergenz geführt wird. Hierdurch wird jedoch das nutzbare Volumen des aktiven Lasermediums zwangsläufig verkleinert, und die erzielbare Laserleistung ist begrenzt. Zudem zeigen sich im kleinen Wirkvolumen die oben erwähnten thermischen Effekte in aller Deutlichkeit.DE 41 01 403 proposes the pump laser diode very close to the solid-state laser crystal, and this to give a very small cross section, so that Pump light (at least in the direction of an axis) between the boundary surfaces of the solid-state laser medium with ge ring beam divergence is performed. This will, however the usable volume of the active laser medium inevitably reduced, and the achievable laser power is limited. In addition, the small effective volume shows thermal effects mentioned above in all clarity.
Bei US 5 022 043 wird die Pumpstrahlung über ein Licht leitfaserbündel eingekoppelt, bei dem sich verjüngende Fa sern mit an den Lichtaustrittsquerschnitt des Pumplasers angepaßtem Lichteintrittsquerschnitt eingesetzt werden.In US 5 022 043 the pump radiation is a light Coupled fiber bundle, at the tapering company with the light exit cross section of the pump laser adapted light inlet cross-section can be used.
Dies ist eine aufwendige und kostspielige Lösung, die für breite Anwendungen von DPSS-Lasern nicht in Frage kommt.This is an elaborate and costly solution for wide applications of DPSS lasers is out of the question.
Dasselbe gilt für langbrennweitige Kollimationsoptiken, die zudem die Realisierung miniaturisierter Anordnungen erheblich erschweren.The same applies to long-focal collimation optics, which also realizes miniaturized arrangements complicate considerably.
Eine sehr einfache Lösung zur Beeinflussung des Pump strahlquerschnitts stellen die herkömmlichen Modenblenden dar - bei ihrem Einsatz geht jedoch unvermeidlich ein An teil von 20-50% des Pumplichtes verloren, was natürlich den Gesamtwirkungsrad entsprechend verschlechtert bzw. - bei vorgegebener Ausgangsleistung - die Kosten für die Pumplichtquellen erhöht.A very simple solution for influencing the pump The conventional fashion diaphragms provide a beam cross-section dar - in their use, however, is inevitable Part of 20-50% of the pump light is lost, which is natural the overall efficiency deteriorates accordingly - given output power - the cost of Pump light sources increased.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper laservorrichtung der eingangs genannten Gattung anzugeben, die bei einfachem und kostengünstigem Aufbau eine gute Strahlqualität auch im Bereich hoher Leistungen liefert. The invention has for its object a solid specify laser device of the type mentioned at the beginning, which is good with simple and inexpensive construction Delivers beam quality even in the area of high performance.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma len des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by a device with the characteristics len of claim 1 solved.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, im Festkörperla serkristall eine intrinsische "Kollimationsoptik" (speziell eine konkave torische oder annähernde Zylinder linse) zu erzeugen, die den Pumpstrahlquerschnitt im la seraktiven Medium mit ähnlichem Effekt wie eine externe langbrennweitige Kollimationsoptik oder Modenblende beein flußt, ohne daß sie deren Nachteile hätte.The invention includes the idea in the solid state an intrinsic "collimation optics" (specifically a concave toric or approximate cylinder lens) to generate the pump beam cross section in la seractive medium with an effect similar to an external one long focal length collimation optics or mode aperture flows without having their disadvantages.
Dieser Effekt wird erfindungsgemäß durch gezielte lokale Steuerung der Wärmeableitung über den Umfang des Laserkri stalls über einen geeignet geformten und angebrachten Wär mediffusor und/oder lokale Kühlung und/oder Zusatzheizung erreicht, wodurch im Querschnitt des Laserkörpers, d. h. senkrecht zur Strahllaufrichtung, ein Brechzahlfeld in Ge stalt der gewünschten Optik, d. h. einer torischen bzw. Zy linderlinse mit negativer Brechkraft, aufgebaut wird.According to the invention, this effect is achieved by targeted local Control of heat dissipation over the scope of the laser crane stalls over a suitably shaped and attached heat mediffusor and / or local cooling and / or additional heating reached, whereby in the cross section of the laser body, d. H. perpendicular to the direction of the beam, a field of refractive index in Ge shape the desired optics, d. H. a toric or Zy linden lens with negative refractive power.
Infolge der Wirkung der genannten Temperatureinstellmit tel, durch die sich im Laserkörper im Betriebszustand ein linsenförmiges Brechzahlfeld mit vorbestimmter Geometrie ausbildet, wird eine im Laserkörper beim Pumpen mittels einer Lichtquelle mit langgestrecktem Strahlquerschnitt spontan und unkontrolliert auf thermischem Wege ausgebil dete konvexe torische oder Zylinderlinse derart kompen siert, daß sich resultierend ein im wesentlichen rota tionssymmetrisches Brechzahlfeld ausbildet. Dieses führt dann auch zu einem im wesentlichen rotationssymmetrischen und Gauß′schen Strahlprofil der im Festkörperlaserstab ge nerierten Laserstrahlung. Due to the effect of the temperature setting mentioned tel, through which in the laser body in the operating state lenticular refractive index field with predetermined geometry trained, is in the laser body when pumping by means of a light source with an elongated beam cross-section trained spontaneously and uncontrolled by thermal means dete convex toric or cylindrical lens siert that the result is an essentially rota forms symmetrical refractive index field. This leads then also to an essentially rotationally symmetrical and Gaussian beam profile of the ge in the solid-state laser rod generated laser radiation.
Der Wärmediffusor bzw. die Kühlung (und/oder die ggfs. vorgesehene Steuerheizung) sind in Anpassung an die übli cherweise als Pumplichtquellen eingesetzten Halbleiterla ser mit langgestreckter, annähernd rechteckförmiger Strahlaustrittsfläche bevorzugt wie folgt ausgebildet: In einer senkrecht zur Längsachse des Laserkristalls liegen den Ebene sind in Umfangsrichtung abwechselnd zwei Ab schnitte mit höherem und zwei Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bzw. mit höherer/niedrigerer Um fangstemperatur vorgesehen. Die Abschnitte mit höherem und diejenigen mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand (bzw. mit höherer/niedrigerer Umfangstemperatur) liegen einander jeweils gegenüber, wobei die Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bzw. niedrigerer Temperatur senk recht zur Richtung der längeren Erstreckung des Pumplicht querschnitts der Pumplichtquelle angeordnet sind.The heat diffuser or cooling (and / or if necessary. provided control heating) are in adaptation to the usual Semiconductor layer used as pump light sources with an elongated, almost rectangular shape Beam exit surface is preferably configured as follows: In one perpendicular to the longitudinal axis of the laser crystal the plane is alternately two from the circumferential direction cuts with higher and two sections with lower Heat transfer resistance or with higher / lower order catch temperature provided. The sections with higher and those with lower heat transfer resistance (or with higher / lower peripheral temperature) opposite each other, the sections with lower Lower heat transfer resistance or lower temperature right to the direction of the longer extension of the pump light cross section of the pump light source are arranged.
Bei den genannten Halbleiterlasern (oder anderen Pump lichtquellen mit nicht rotationssymmetrischem Strahlquer schnitt) bildet sich bei gleichmäßiger Wärmeabführung über die Umfangsfläche des Laserkristalls ein Isothermenfeld und in dessen Folge ein Brechzahlfeld heraus, das annä hernd die Gestalt einer bikonvexen torischen oder Zylin derlinse hat. Der o.g. Wärmediffusor (Kühlkörper) und/oder die aktive Kühlung/Steuerheizung führt nun zu einer in Um fangsrichtung ungleichmäßigen Wärmeabführung derart, daß eine gezielte Verformung des Isothermen- und damit Brech zahlfeldes erfolgt.With the mentioned semiconductor lasers (or other pump light sources with non-rotationally symmetrical beam cross cut) forms with even heat dissipation the peripheral surface of the laser crystal is an isothermal field and subsequently a field of refractive index that approx the shape of a biconvex toric or zylin derlinse has. The above Heat diffuser (heat sink) and / or the active cooling / control heating now leads to an in um direction of uneven heat dissipation such that a targeted deformation of the isothermal and thus crushing payment field.
Insbesondere kann damit einer intrinsischen bikonvexen Zy linderlinse eine - ebenfalls thermische - konkave Zylin derlinse mit gleicher Achsenrichtung oder (alternativ) ei ne weitere konvexe Zylinderlinse mit zur "primären" Linse senkrechter Achsenorientierung überlagert werden. Bei ide alisierter Betrachtung würde sich im ersteren Falle die Brechwirkung einer planparallelen Platte und im letzte ren Falle diejenige einer sphärischen Linse ergeben - in der Praxis wird sich in beiden Fällen annähernd die Wir kung einer sphärischen Linse einstellen.In particular, an intrinsic biconvex Zy Linden lens a - also thermal - concave cylinder derlinse with the same axis direction or (alternatively) egg ne further convex cylindrical lens with the "primary" lens vertical axis orientation are superimposed. At ide in the former case, the Breaking effect of a plane-parallel plate and in the last one in the case of a spherical lens - in In practice, the we will approximate in both cases setting a spherical lens.
Eine geeignete Anordnung zur Wärmeableitung umfaßt minde stens einen metallischen Wärmeleitkörper mit Vorsprüngen und Aussparungen, wobei die Vorsprünge dem Laserkristall zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, so daß sie die Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bilden, während die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper und somit die Ab schnitte mit höherem Wärmeübergangswiderstand bilden.A suitable arrangement for heat dissipation includes at least least a metallic heat-conducting body with protrusions and recesses, the projections of the laser crystal are facing and in good thermal contact with it Circumferential surface so that they have the sections form lower heat transfer resistance, while the Recesses each a distance area with bad thermal contact to the laser body and thus the ab make cuts with higher heat transfer resistance.
Hierzu weisen die Vorsprünge jeweils eine dem Laserkörper zugewandte Fläche auf, die zur Umfangsfläche des Laserkör pers korrespondierend geformt ist; speziell bei einem zylindrischen Laserstab haben die Vorsprünge jeweils eine der zylindrischen Gestalt des Laserkörpers angepaßte Zy linderabschnittsfläche.For this purpose, the projections each have a laser body facing surface on the peripheral surface of the laser body pers is shaped accordingly; especially with one the projections each have a cylindrical laser rod Zy adapted to the cylindrical shape of the laser body linder section surface.
Alternativ oder zusätzlich zum Wärmeleitkörper kann eine aktive, insbesondere elektrisch betriebene, Kühlvorrich tung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers in Abständen angeordneten Kühlelementen oder -bereichen vorgesehen sein, oder es kann - in quasi umgekehrter Positions- Zuordnung zum Laserkristall - eine elektrisch betriebene Steuerheizung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (1) in Abständen angeordneten Heizelementen oder -bereichen vorgesehen sein.As an alternative or in addition to the heat-conducting body, an active, in particular electrically operated, cooling device with cooling elements or regions arranged at intervals in the circumferential direction of the laser body can be provided, or an electrically operated control heater with in the circumferential direction can be provided, in quasi-reverse position assignment to the laser crystal of the laser body ( 1 ) at intervals arranged heating elements or areas.
Falls (ungeachtet des höheren Aufwandes) eine aktive T- Steuerung vorgenommen werden soll, bietet sich als eine besonders zweckmäßige und leicht steuerbare Anordnung eine elektrisch betriebene, nach dem Peltier-Effekt arbei tende Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des La serkörpers abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizberei chen an.If (despite the higher effort) an active T- Control should be carried out as one particularly practical and easily controllable arrangement an electrically operated one, working according to the Peltier effect Ending heating / cooling device with in the circumferential direction of the La alternately arranged cooling and heating area on.
In diesem Fall ist eine Verarbeitungseinrichtung vorgese hen, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der akti ven Steuerheiz- und/oder Kühlvorrichtung verbunden ist und über die ein vorbestimmtes Temperaturprofil senkrecht zur Richtung der Längsachse des Laserkristalls eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.In this case, a processing device is provided hen, the output side with a control input of the acti ven control heating and / or cooling device is connected and over which a predetermined temperature profile perpendicular to Direction of the longitudinal axis of the laser crystal set or is maintained.
Zur selbsttätigen Optimierung der Laserstrahlprofils kann eine mit einem Eingang der Verarbeitungseinrichtung ver bundene Lichtaufnehmereinheit zur Erfassung des Strahlpro fils des erzeugten Laserstrahls als Steuergröße für das Temperaturprofil vorgesehen sein. Hier hat die Verarbei tungseinrichtung natürlich auch die Verarbeitung der Strahlprofildaten - konkret als Vergleich mit einem vorge gegeben Sollprofil - zu leisten.For automatic optimization of the laser beam profile one with an input of the processing device bound light sensor unit for recording the beam pro fils of the laser beam generated as a control variable for the Temperature profile can be provided. Here is the processing processing facility, of course, the processing of Beam profile data - specifically as a comparison with a pre- given target profile - to perform.
In einem kostengünstig realisierbaren Gesamtaufbau sind mindestens der Laserkristall mit dem Resonator und die Anordnung zur Wärmeableitung und/oder die aktive Kühlvor richtung bzw. Steuerheizung als zusammenhängende kompakte Baugruppe auf einem Trägerelement aufgebaut. Ein in Bezug auf die mechanische Langzeitstabilität und im Hinblick auf die thermischen Belastungen im Betrieb des Lasers vorteil hafter und aus kommerziell verfügbaren Bauteilen kosten günstig realisierbarer Aufbau zeichnet sich dadurch aus, daß der Laserkörper mit dem Resonator auf einer zweifach kaskadierten Peltierelementanordnung, speziell mit Al₂O₃-Grundplatte als Trägerelement, montiert ist. Die Montage kann - bei entsprechender konstruktiver Gestaltung des Laserkristalls und der optischen Bauteile - durch Auflöten oder wärmeleitfähiges Aufkleben erfolgen.Are in a cost-effective overall structure at least the laser crystal with the resonator and the Arrangement for heat dissipation and / or the active cooling direction or control heating as a coherent compact Assembly built on a support element. One in relation on the mechanical long-term stability and with regard to the thermal loads during operation of the laser are advantageous more expensive and from commercially available components The low-cost construction is characterized by that the laser body with the resonator on a double cascaded Peltier element arrangement, especially with Al₂O₃ base plate is mounted as a carrier element. The Assembly can - with appropriate constructive design of the laser crystal and the optical components - through Solder or heat-conductive gluing.
Die kompakte Baugruppe umfaßt zweckmäßigerweise zugleich einen Temperaturfühler zur Erfassung ihrer jeweiligen Be triebstemperatur und ggfs. eine mit dessen Ausgang verbun dene Regeleinheit (die jedoch auch separat angeordnet sein kann), mit deren Ausgang die oben erwähnte oder auch eine einfach nur der Grund-Temperierung der Baugruppe dienen de Kühl- und ggfs. auch Steuerheizvorrichtung zur Steue rung des Temperaturprofils der Baugruppe verbunden ist.The compact assembly expediently includes at the same time a temperature sensor to record their respective loading operating temperature and possibly connected to its output control unit (which, however, can also be arranged separately may), with the output of which the above-mentioned or also a simply serve the basic temperature control of the assembly de Cooling and, if necessary, control heating device for tax purposes tion of the temperature profile of the module is connected.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Advantageous developments of the invention are in the Un claims marked or become below together with the description of the preferred embodiment of the Invention illustrated with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 eine Detailskizze zu einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Festkörperlaservorrichtung in perspekti vischer Darstellung, Fig. 1 shows a detailed sketch of one embodiment of the solid laser device according to the invention in Perspecti vischer representation,
Fig. 2 eine Prinzipskizze des Aufbaus eines longitudinal gepumpten DPSS-Lasers in Längsschnittdarstellung, Fig. 2 is a schematic diagram of the structure of a longitudinally-pumped DPSS laser in longitudinal sectional view,
Fig. 3a und 3b Skizzen des Pumpstrahlverlaufes in einem mit einer Laserdiode mit langgestreckter Lichtaustritts fläche longitudinal gepumpten DPSS-Laser im Längsschnitt in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen, 3a and 3b show sketches. Of the pump beam path in a standing area with a laser diode having an elongated light exit longitudinally pumped DPSS laser in a longitudinal section in two mutually perpendicular planes,
Fig. 4a und 4b Skizzen der Querschnittsgestalt des Isothermenfeldes (annähernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung) in einem herkömmlichen DPSS-Laser bzw. ei nem solchen mit einer Kühlanordnung nach Fig. 1, 4a and 4b are sketches of the cross-sectional shape of the Isothermenfeldes. (Approximately in the focal plane of the pump radiation), in a conventional DPSS laser or egg nem those with a cooling arrangement according to Fig. 1
Fig. 5a bis 5c schematische Darstellungen zu weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Festkörperlaser vorrichtung, FIGS. 5a to 5c are schematic representations device to further embodiments of the solid-state laser according to the invention,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Gesamtan sicht einer longitudinal gepumpten Festkörperlaservorrich tung nach einer Ausgestaltung der Erfindung, Fig. 6 is a perspective view of the overall view of a longitudinally pumped Festkörperlaservorrich processing according to an embodiment of the invention,
Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Meß- und Steuerschaltung für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung und Fig. 7 is a simplified block diagram of a measuring and control circuit for a solid-state laser apparatus according to a further embodiment of the invention, and
Fig. 8 eine (qualitative) grafische Darstellung der Lei stungsdynamik- und Strahldivergenzeigenschaften einer erfindungsgemäß aufgebauten gegenüber einer herkömmlichen DPSS-Laservorrichtung. Fig. 8 is a (qualitative) graphical representation of the performance dynamics and beam divergence properties of an inventive structure compared to a conventional DPSS laser device.
Fig. 1 ist eine Detailskizze des zylindrischen Nd:YAG- Laserstabes 4 einer DPSS-Laservorrichtung in Art der in Fig. 2 gezeigten und oben beschriebenen Grundanordnung mit einem metallischen Kühlkörper 5, der aus zwei den Laser stab umschließenden Teilen 5.1 und 5.2 besteht. Fig. 1 is a detailed sketch of the cylindrical Nd: YAG laser rod 4 of a DPSS laser device in the manner of the basic arrangement shown in Fig. 2 and described above with a metallic heat sink 5 , which consists of two parts 5.1 and 5.2 surrounding the laser rod.
Wie in der Figur gut zu erkennen ist, hat der untere Teil 5.1 des Kühlkörpers im Querschnitt annähernd die Gestalt eines auf dem Kopf stehenden "T" und eine konkav ausgear beitete nach oben weisende Fläche 5.1a, deren Krümmung derjenigen des Laserstabes 4 angepaßt ist. Auf dieser Flä che liegt der Laserstab in gutem thermischem Kontakt auf. Der obere Teil 5.2 des Kühlkörpers hat eine annähernd M- förmige Querschnittsgestalt und eine konkav ausgearbeitete nach unten weisende Fläche 5.2a, deren Krümmung ebenfalls derjenigen des Laserstabes angepaßt ist. Mit dieser Fläche liegt das Teil 5.2 in gutem thermischem Kontakt auf dem Laserstab 4 auf. Weiterhin liegt das Teil 5.2 mit den In nenseiten 5.2b und der Basis 5.2c der Schenkel des "M" auf dem Teil 5.1 auf und steht hier auch in gutem thermischem Kontakt mit diesem.As can be clearly seen in the figure, the lower part 5.1 of the heat sink has in cross section approximately the shape of an upside-down "T" and a concave machined upward-facing surface 5.1 a, the curvature of which is adapted to that of the laser rod 4 . The laser rod is in good thermal contact on this surface. The upper part 5.2 of the heat sink has an approximately M-shaped cross-sectional shape and a concave downward-facing surface 5.2 a, the curvature of which is also matched to that of the laser rod. With this surface, the part 5.2 is in good thermal contact on the laser rod 4 . Furthermore, the part 5.2 with the inner sides 5.2 b and the base 5.2 c of the leg of the "M" rests on the part 5.1 and is also in good thermal contact with it.
Fig. 3a und 3b zeigen skizzenartig den Pumpstrahlverlauf in einem mit einer Laserdiode 1 mit langgestreckter Licht austrittsfläche 1a longitudinal gepumpten DPSS-Laser mit Nd:YAG-Laserstab 4 im Längsschnitt in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen, und zwar Fig. 3a in der Ebene der größeren Längserstreckung der Lichtaustrittsfläche 1a (xy-Ebene) und Fig. 3b in der Ebene der kleineren Längs erstreckung (xz-Ebene). Zwei Plankonvexlinsen 2a′, 2b′ symbolisieren hier die optischen Elemente zur Fokussierung des Pumpstrahls. Die Längsachse bzw. optische Achse A der Anordnung (x-Achse) ist strichpunktiert gezeichnet, die - idealisierten - Strahlbegrenzungslinien sind als dünne Li nien gezeichnet. Es ist zu erkennen, daß die Lichtaus trittsfläche 1a der im objektseitigen Brennpunkt der Plan konvexlinse 2a angeordneten Pumpstrahlquelle 1 im bildsei tigen Brennpunkt der zweiten Plankonvexlinse 2b′ ein ent sprechend langgestrecktes Abbild I im Inneren des Laser stabes 4 hat. In praxi liegt die Strahltaille einige Mil limeter vor der hinteren Stirnfläche des Laserstabes und hat Abmessungen von beispielsweise 12×125 µm. FIGS. 3a and 3b show a sketch of the pump beam profile in a exit surface with a laser diode 1 with elongated light 1 a longitudinally pumped DPSS laser with Nd: YAG laser rod 4 in a longitudinal section in two mutually perpendicular planes, namely 3a in the plane. the larger longitudinal extent of the light exit surface 1 a (xy plane) and Fig. 3b in the plane of the smaller longitudinal extent (xz plane). Two plano-convex lenses 2 a ′, 2 b ′ here symbolize the optical elements for focusing the pump beam. The longitudinal axis or optical axis A of the arrangement (x-axis) is drawn in dash-dot lines, the - idealized - beam boundary lines are drawn as thin lines. It can be seen that the light exit surface 1 a in the object-side focus of the plan convex lens 2 a arranged pump beam source 1 in the focal point of the second plan-convex lens 2 b 'has a corresponding elongated image I inside the laser rod 4 . In practice, the beam waist is a few millimeters in front of the rear face of the laser rod and has dimensions of, for example, 12 × 125 µm.
Das einfallende und großenteils absorbierte Pumplicht be wirkt eine Erwärmung des Lasermediums, die im Bereich der größten Strahldichte - d. h. in dem dem Abbild I entspre chenden Bereich des Laserstabes - am stärksten ist.The incident and largely absorbed pump light be affects the heating of the laser medium in the area of greatest radiance - d. H. in which I correspond to the image area of the laser rod - is the strongest.
Fig. 4a und 4b sind Skizzen der Querschnittsgestalt des sich demgemäß ergebenden Isothermenfeldes ITa bzw. ITb (annähernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung, mithin der Ebene des Abbildes I) in einem herkömmlichen DPSS-Laser bzw. einem solchen mit einer Kühlanordnung nach Fig. 1. Im der waagerechten Mittenebene des Laserstabes 4 befindet sich jeweils das Abbild I des Lichtaustrittsquer schnitts der Pumpdiode bzw. des Pumplasers, und um dieses herum sind jeweils vier Isothermenlinien skizziert. FIGS. 4a and 4b are sketches of the cross-sectional shape of the located accordingly resulting Isothermenfeldes IT A and IT b (approximately in the focal plane of the pump radiation, and consequently the level of the image I) in a conventional DPSS laser and such a cooling arrangement of Figure . 1. In the horizontal center plane of the laser rod 4 is in each case the image I of the light exit cross section of the pump or the pump laser diode, and around it are each outlined four isothermal lines.
In Fig. 4a, d. h. in einem Laserstab ohne Kühlkörper (bzw. - was in der Figur nicht gezeigt ist - mit einem als rota tionssymmetrisch anzusehenden Kühlkörper), haben diese an nähernd die Gestalt relativ flacher Ellipsen. Das räumli che Isothermenfeld hat mithin langgestreckt ellipsoidale oder torusförmige Gestalt. Demgegenüber ist in Fig. 4b, d. h. bei Vorsehen eines Kühlkörpers 5 in Art des in Fig. 1 gezeigten, eine im Ergebnis der in vertikaler Richtung größeren Wärmeableitung als in horizontaler Richtung nahe zu kreisförmig verformte Gestalt der Isothermen zu erken nen. Das T-Feld im Laserstab ist mithin annäherend rota tionssymmetrisch zur Längsachse A.In Fig. 4a, that is, in a laser rod without a heat sink (or - which is not shown in the figure - with a heat sink to be regarded as rotationally symmetrical), these have approximately the shape of relatively flat ellipses. The spatial isothermal field therefore has an elongated ellipsoidal or toroidal shape. In contrast, in Fig. 4b, that is, when a heat sink 5 is provided in the manner shown in Fig. 1, a result of the greater heat dissipation in the vertical direction than in the horizontal direction is almost too circularly deformed shape of the isotherms. The T-field in the laser rod is therefore approximately rotationally symmetrical to the longitudinal axis A.
Da das T-Feld aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Bre chungsindex ein in etwa gestaltgleiches Brechzahlfeld er zeugt, liegt bei den Verhältnissen gemäß Fig. 4a im Laser stab 4 ein Brechzahlfeld vor, das auf einen in Richtung der Längsachse A verlaufenden Lichtstrahl wie eine torische Linse oder - in grober Näherung - wie eine Zylinderlinse wirkt, während das T-Feld gemäß Fig. 4b die optische Wir kung einer sphärischen Linse ausübt. Achsenversetzte Strah len erfahren daher im Falle der Fig. 4a eine weit größere und vor allem stärker positionsabhängige Ablenkung als un ter den thermischen Verhältnissen der Fig. 4b.Since the T-box, due to the temperature dependence of a refracting index a shape equal to about the refractive index field he witnesses, is in accordance with the conditions Fig. 4a in the laser rod 4, a refractive index field in front of which on a running in the direction of the longitudinal axis A light beam such as a toric lens or - In a rough approximation - how a cylindrical lens acts, while the T-field according to FIG. 4b exerts the optical effect of a spherical lens. Axially offset rays therefore experience in the case of FIG. 4a a much larger and, above all, more position-dependent deflection than under the thermal conditions of FIG. 4b.
Dies betrifft natürlich auch die im Lasermedium generier ten achsenversetzten Laserstrahlen, so daß bei der Anord nung nach Fig. 4b bzw. Fig. 1 eine wesentliche verringerte Strahldivergenz und verringerter Astigmatismus der erzeug ten Laserstrahlung auftritt und gleichzeitig ein effizien ter Laserbetrieb auch noch bei höheren Pumpleistungen mög lich ist.This of course also applies to the Generier in the laser medium th off-axis laser beams so that in the Anord voltage according to Fig. 4b and Fig. 1, a significant reduced beam divergence, and reduced astigmatism of the erzeug th laser radiation occurs at the same time a efficien ter laser operation even at higher pump powers is possible.
Dies ist in den Kurven der grafischen Darstellung der Fig. 8 qualitativ gezeigt: Die obere durchgezogene Linie ver deutlicht den Verlauf der Strahldivergenz bzw. des Astig matismus (DIV/AST) - in Abhängigkeit von der Pumpleistung - für eine Laservorrichtung ohne die erfindungsgemäßen Merkmale, die obere gestrichelte Linie den mit der Erfin dung erreichten Verlauf. Es ist zu erkennen, daß der Qua litätsgewinn gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung mit der Pumpleistung zunimmt; die meßbaren Divergenzen und re sultierenden streng gaußförmigen, kreisrunden Strahlpro file sind kaum von denen eines - DPSS-Lasern ansonsten deutlich überlegenen - HeNe-Lasers unterscheidbar.This is shown qualitatively in the curves of the graphic representation of FIG. 8: The upper solid line illustrates the course of the beam divergence or astigmatism (DIV / AST) - depending on the pump power - for a laser device without the features according to the invention, the upper dashed line the course achieved with the inven tion. It can be seen that the quality gain compared to the conventional device increases with the pump power; the measurable divergences and resulting strictly Gaussian, circular beam profiles are hardly distinguishable from those of a - otherwise clearly superior - HeNe laser.
Die unteren Kurven (POUT) der Fig. 8 zeigen qualitativ die erreichbare Ausgangsleistung im Vergleich der erfin dungsgemäßen (gestrichelte Linie) mit der herkömmlichen Anordnung (durchgezogene Linie). Im Ergebnis der Erfindung ist der Laser um bis zu 20 bis 50% höheren Werten der Pum pleistung effizient betreibbar und eine höhere Ausgangs leistung und in der Folge ein erheblicher Kostenvorteil realisierbar.The lower curves (POUT) of Fig. 8 qualitatively show the achievable output power in comparison of the inven tion (dashed line) with the conventional arrangement (solid line). As a result of the invention, the laser can be operated efficiently by up to 20 to 50% higher values of the pump power and a higher output power and consequently a considerable cost advantage can be realized.
Den optischen Effekt, der mit der erfindungsgemäßen Anord nung erreicht wird, kann man sich als denjenigen einer in trinsischen thermischen Zylinderlinse vorstellen, die be wußt dem stark asymmetrischen (ebenfalls als eine - unge wollte - Zylinderlinse wirkenden) Brechzahlfeld infolge des langgestreckten Pumpstrahlquerschnitts überlagert wird. Diese Zylinderlinsen haben in gewissem Umfang selbstregelnde Eigenschaften, da sich bei steigender ein getragener Leistung wegen der konstanten Wärmeleitfähig keit des optischen Materials die Isothermen (und damit die Linien bzw. Flächen gleicher Brechzahl) verdichten und da mit die Brennweite verringert wird. The optical effect with the arrangement according to the invention can be achieved as one in trinsic thermal cylindrical lens imagine the be knows the strongly asymmetrical (also as a - uneven wanted - refractive index field due to cylindrical lens) of the elongated cross section of the pump jet becomes. These cylindrical lenses have to some extent self-regulating properties, since increasing with a carried power because of the constant thermal conductivity of the optical material, the isotherms (and thus the Compress lines or areas with the same refractive index) and there with the focal length is reduced.
Infolge der in gewissem Maße selbstregelnden Eigenschaften der intrinsischen thermischen Zylinderlinsen können minia turisierte DPSS-Laser, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, in einem weiten Dynamikbereich effizient und mit gu ter Strahlqualität betrieben werden.As a result of the somewhat self-regulating properties of intrinsic thermal cylindrical lenses can minia turized DPSS laser built according to the invention are efficient in a wide dynamic range and with gu the beam quality can be operated.
Die Fig. 5a bis 5c zeigen in schematischen Darstellun gen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fest körperlaservorrichtung, bei denen anstelle des rein passiv wirkenden Kühlkörpers, wie er in der Anordnung nach Fig. 1 zum Einsatz kam, aktive Kühlelemente eingesetzt werden.-State laser apparatus, the Fig. 5a-5c are schematic Imaging Logo gen further embodiments of the solid according to the invention in which, instead of passively acting heat sink, as was used in the arrangement according to Fig. 1, active cooling elements are used.
Fig. 5a zeigt den zylindrischen Laserstab 4 in einen Kühl körper 5′ eingebettet, der der Einfachheit halber als Kör per mit der äußeren Form eines quadratischen Prismas ge zeigt ist, das eine hohlzylindrische Ausnehmung 5a′ für den Laserstab aufweist. Im oberen und unteren Bereich der Ausnehmung ist jeweils ein flächiges Kühlelement 5b′ und 5c′ in den Kühlkörper eingebettet, das in den entspre chenden Bereichen an der Umfangsfläche des eingelegten La serstabes 4 anliegt und dort im Betrieb eine aktive Kühl wirkung ausübt, die der (passiven) Wärmeableitwirkung des Kühlkörpers überlagert ist. Fig. 5a shows the cylindrical laser rod 4 in a cooling body 5 'embedded, which for the sake of simplicity is shown as a body with the outer shape of a square prism which has a hollow cylindrical recess 5 a' for the laser rod. In the upper and lower area of the recess, a flat cooling element 5 b 'and 5 c' is embedded in the heat sink, which rests in the corresponding areas on the peripheral surface of the inserted La serstabes 4 and there exerts an active cooling effect during operation, the the (passive) heat dissipation effect of the heat sink is superimposed.
In Fig. 5b ist als zur Anordnung nach Fig. 5a alternative Möglichkeit der aktiven Steuerung des Wärmeübergangs zwi schen Laserstab und Kühlkörper in räumlicher Hinsicht eine Anordnung gezeigt, bei der funktional gewissermaßen kom plementär zu aktiven Kühlelementen in vertikaler Anordnung ak tive flächige Steuerheizelemente 5d′ und 5e′ in horizonta ler Anordnung vorgesehen sind. Die übrigen Elemente ent sprechen Fig. 5a und werden hier nicht nochmals genannt. In Fig. 5b as an alternative to the arrangement according to Fig. 5a, the active control of the heat transfer between the laser rod and heat sink in spatial terms, an arrangement is shown in the functionally, so to speak, complementary to active cooling elements in a vertical arrangement, active flat control heating elements 5 d ' and 5 e 'are provided in a horizontal arrangement. The remaining elements correspond to FIG. 5a and are not mentioned again here.
Fig. 5c schließlich zeigt eine Anordnung, bei der beide Möglichkeiten - aktive Kühlung in der Vertikalen und akti ve Steuerheizung in der Horizontalen - miteinander kombi niert, d. h. Kühlelemente 5b′, 5c′ und Heizelemente 5d′ und 5e′ in in Umfangsrichtung des Laserstabes alternierender Folge vorgesehen sind. Dies bietet die Möglichkeit, die räumliche Verteilung des Wärmeübergangs aus dem Laserstab und damit die Gestalt des sich in seinem Inneren ausbil denden T- und somit auch Brechzahlfeldes (der intrinsi schen thermischen "Linse") noch differenzierter zu steu ern. Fig. 5c finally shows an arrangement in which both options - active cooling in the vertical and active control heating in the horizontal - combined with each other, ie cooling elements 5 b ', 5 c' and heating elements 5 d 'and 5 e' in The circumferential direction of the laser rod alternating sequence are provided. This offers the possibility to control the spatial distribution of the heat transfer from the laser rod and thus the shape of the T and thus also the refractive index field (the intrinsic thermal "lens") that develops in its interior.
Der Kühlkörper 5′ kann in der praktischen Realisierung ei ne andere Gestalt haben, insbesondere auch verrippt und/oder zur Befestigung auf einem Substrat speziell aus gebildet sein.The heat sink 5 'can in practical implementation have egg ne other shape, in particular also ribbed and / or specially formed for attachment to a substrate.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer lon gitudinal gepumpten Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung (die optischen Elemente zur Pumpstrahlfokussierung sind in der Figur nicht gezeigt), die gemäß den Grundsätzen der Oberflächenmontagetechnolo gie (SMD) aufgebaut ist. Fig. 6 shows a perspective view of a lon gitudinally pumped solid-state laser device according to an embodiment of the invention (the optical elements for pump beam focusing are not shown in the figure), which is constructed according to the principles of surface mounting technology (SMD).
Die Anordnung von Pumpdiode bzw. -laser 11, Resonatorspie geln 13.1 und 13.2 und Laserstab 4 entspricht der in Fig. 2 gezeigten und weiter oben beschriebenen longitudinalen Grundanordnung und der Aufbau des Kühlkörpers 15 Fig. 1 - die gegenüber diesen Figuren veränderten Bezugsziffern sollen die spezielle Ausbildung der Elemente für die SMD- Technologie zum Ausdruck bringen. The arrangement of the pump diode or laser 11 , resonator mirrors 13.1 and 13.2 and laser rod 4 corresponds to the longitudinal basic arrangement shown in FIG. 2 and described above and the structure of the heat sink 15 FIG. 1 - the reference numerals changed compared to these figures are intended to be the special one Express training of elements for SMD technology.
So sind beide Resonatorspiegel 13.1, 13.2 über zweifach abgewinkelte, bei der Montage zur Justierung biegbare An schlußflächen ("pads" oder "legs") 13.1a, 13.1b bzw. 13.2a, 13.2b mit der lokalen Metallisierung 10a eines Trä gers 10 verlötet. Da bei longitudinalen Systemen durch die Kongruenz zwischen Pump- und Lasermode eine erzwungene Verstärkungsführung vorliegt, bedarf es bei diesem Laser typ grundsätzlich keiner weiteren verstärkungsführenden Elemente. Das Gaußprofil wird direkt gebildet.So are both resonator mirrors 13.1 , 13.2 via double angled, bendable during assembly for adjustment to connection surfaces ("pads" or "legs") 13.1 a, 13.1 b or 13.2 a, 13.2 b with the local metallization 10 a of a carrier 10 soldered. Since the congruence between pump and laser modes means that there is a forced gain control in longitudinal systems, this laser type does not require any additional gain-guiding elements. The Gaussian profile is formed directly.
Der Träger 10 ist durch eine zweifach kaskadierte Kühlan ordnung aus drei Al₂O₃-Trägerplatten 10.1, 10.2 und 10.3 und jeweils ein dazwischenliegendes Array 10.4 bzw. 10,5′ aus Peltierelementen gebildet. Eine solche Anordnung ist bei sich ändernden Umgebungstemperaturen bzw. veränderli chem Energieeintrag geometrisch hochgradig stabil, da durch die Kaskadierung der Peltier-Anordnungen ein selbst tätiger Ausgleich von Temperaturgradienten erreicht wird. Auf der Oberfläche der oberen Platte 10.1′ ist ein Tempe raturfühler 16 angeordnet, über den die Temperatur der La servorrichtung abgefühlt und mit dessen Hilfe diese ggfs. durch geeignete Ansteuerung der Peltierelemente zusätzlich geregelt werden kann.The carrier 10 is formed by a double cascaded Kühlan arrangement from three Al₂O₃ carrier plates 10.1 , 10.2 and 10.3 and an intermediate array 10.4 and 10.5 'of Peltier elements. Such an arrangement is geometrically highly stable in the event of changing ambient temperatures or changeable energy input, since the cascading of the Peltier arrangements achieves an automatic compensation of temperature gradients. On the surface of the upper plate 10.1 ', a temperature sensor 16 is arranged, via which the temperature of the servo sensor is sensed and with the aid of which this can be additionally regulated by suitable control of the Peltier elements.
Die Anordnung nach Fig. 6 kann in sehr ähnlichem Aufbau auch unter Einbeziehung eines Frequenzverdopplerkristalls ausgeführt sein, wobei dieser insbesondere auch mit dem vorderen Resonatorspiegel baulich integriert sein kann.The arrangement according to FIG. 6 can be implemented in a very similar structure, including a frequency doubler crystal, which can also be structurally integrated with the front resonator mirror.
Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer elek trisch-thermischen Meß- und Steuerschaltung 100 zur Steue rung der Strahlparameter einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung., Fig. 7 is 100 to Steue the beam parameters tion of a solid laser device according to an advantageous embodiment of the invention, a simplified block diagram of an elec tric-thermal measurement and control circuit.,
Ausgegangen wird von einer Kühlanordnung für den Laserkri stall gemäß Fig. 5c mit zwei einzeln ansteuerbaren Pel tierelementen 5b′ und 5c′ oberhalb bzw. unterhalb des La serkristalls 4 und zwei ebenfalls einzeln ansteuerbaren Heizelementen 5d′ und 5e′ zu beiden Seiten des Laserstabes.The starting point is a cooling arrangement for the Laserkri stall according to Fig. Individually 5c with two controllable Pel animal elements 5 b 'and 5 c' above and below the La serkristalls 4 and two likewise individually controllable heating elements 5 d 'and 5 e' on both sides of the laser rod.
Die Meß- und Steuerschaltung 100 umfaßt eine flächige op tische Sensoranordnung in Gestalt einer CCD-Matrix 101, die gegenüber der vorderen Lichtaustrittsfläche des Laser stabes 4 angeordnet ist derart, daß auf ihr beim Betrieb des Lasers ein Bild des Laserstrahls erzeugt wird. Die An zahl der Bildaufnahmeelemente der Matrix wird entsprechend den Qualitätsanforderungen an den Laserstrahl gewählt.The measuring and control circuit 100 comprises a planar optical sensor arrangement in the form of a CCD matrix 101 , which is arranged opposite the front light exit surface of the laser rod 4 such that an image of the laser beam is generated on it during operation of the laser. The number of image recording elements in the matrix is selected in accordance with the quality requirements for the laser beam.
Der Ausgang der CCD-Matrix 101 ist mit dem Eingang einer Vorverarbeitungseinheit 102 zur Störbefreiung und Signal pegelanpassung verbunden. Deren Ausgang ist mit einem Ein gang einer Vergleichereinheit 103 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Datenausgang eines Musterbildspeichers 104 verbunden ist, in dem mindestens ein vorgegebener Laser strahlquerschnitt gespeichert ist, der bei der Steuerung bzw. Einstellung der Laservorrichtung zugrundegelegt wer den soll. In der Vergleichereinheit 103 wird der reale, von der CCD-Matrix 101 aufgenommene Strahlquerschnitt mit dem Muster-Strahlquerschnitt verglichen und am Ausgang eine das Vergleichsergebnis kennzeichnende Signalfolge be reitgestellt. Verarbeitungsbreite und -geschwindigkeit der Einheiten 102 und 103 und die Speicherkapazität des Speichers 104 sind entsprechend der Anzahl der Bildaufnah meelemente der CCD-Matrix 101 gewählt.The output of the CCD matrix 101 is connected to the input of a preprocessing unit 102 for interference suppression and signal level adjustment. Its output is connected to an input of a comparator unit 103 , the other input of which is connected to the data output of a sample image memory 104 , in which at least one predetermined laser beam cross section is stored, which should be used as the basis for the control or setting of the laser device. In the comparator unit 103 , the real beam cross section recorded by the CCD matrix 101 is compared with the pattern beam cross section and a signal sequence which characterizes the comparison result is provided at the output. Processing width and speed of the units 102 and 103 and the storage capacity of the memory 104 are selected in accordance with the number of image recording elements of the CCD matrix 101 .
Die das Ergebnis des Strahlvergleiches spezifizierenden Signale werden dem Dateneingang einer - beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildeten - mit dem Ausgang der Vergleichereinheit 103 verbundenen Verarbeitungsein heit 105 zugeführt, die weiterhin in üblicher Weise mit einem Datenspeicher (RAM) 106 und einem Programmspeicher (etwa einem EPROM) 107 verbunden ist.The signals specifying the result of the beam comparison are fed to the data input of a processing unit 105 , which is formed, for example, by a microprocessor and is connected to the output of the comparator unit 103 and which furthermore has a data memory (RAM) 106 and a program memory (for example an EPROM) in the usual manner. 107 is connected.
Die Verarbeitungseinheit kann optional - was durch gestri chelte Linien dargestellt ist - auch mit dem Ausgang eines Temperaturfühlers 16 verbunden sein, so daß auch die Tem peratur des Laseranordnung in die Steuerung der Anordnung zur gezielten Wärmeabführung aus dem Laserstab eingeht.The processing unit can optionally - which is shown by dashed lines - also be connected to the output of a temperature sensor 16 , so that the tem perature of the laser arrangement is included in the control of the arrangement for targeted heat dissipation from the laser rod.
In der Verarbeitungseinheit 105 wird unter Abruf eines Programms und von vorgespeicherten Daten zur Korrektur des T-Feldes im Laserkristall 1 durch Veränderung der Be triebsspannung der Kühlelemente 5b′, 5c′ und der Heizele mente 5d′, 5e′ ein Satz von Steuerdaten für die Spannungs versorgung der einzelnen Peltierelemente errechnet, der schließlich einer (mehrkanaligen) Spannungsversorgungsein heit 108 für die Kühl- und die Heizelemente zugeführt wird und eine entsprechende Einstellung der Betriebsspannungen und damit der Kühl- bzw. Heizleistungen der Elemente be wirkt. Dies führt zu einer räumlich differenzierten Wärme abfuhr über die Umfangsfläche des Laserstabes 4 und damit zu einer Einstellung der Gestalt des T-Feldes in diesem, mit der die gewünschten Laserstrahlparameter erzielt wer den. Hierbei muß die Gestalt des T-Feldes (und damit des Brechzahlfeldes) im Laserstab gar nicht erfaßt werden, da die Einstellung anhand der sich ergebenden Strahlform er folgt. Die Einstellung der Spannungsversorgungseinheit kann nach Beendigung des Einstellvorganges verriegelt wer den; eine Neueinstellung ist dann allenfalls erforderlich, wenn späterhin eine Verschlechterung der Strahlqualität festgestellt werden sollte.In the processing unit 105 , a program and pre-stored data for correcting the T-field in the laser crystal 1 by changing the operating voltage of the cooling elements 5 b ', 5 c' and the heating elements 5 d ', 5 e' is a set of Control data for the voltage supply of the individual Peltier elements is calculated, which is finally fed to a (multichannel) voltage supply unit 108 for the cooling and heating elements and a corresponding setting of the operating voltages and thus the cooling or heating powers of the elements be. This leads to a spatially differentiated heat dissipation over the circumferential surface of the laser rod 4 and thus to an adjustment of the shape of the T field in this, with which the desired laser beam parameters are achieved. Here, the shape of the T-field (and thus the refractive index field) in the laser rod does not have to be recorded at all, since the setting is based on the resulting beam shape. The setting of the voltage supply unit can be locked after completing the setting process; readjustment is only necessary if a deterioration in the beam quality should be determined later.
Das Verarbeitungsprogramm für die gemessenen Strahldaten kann bei der beschriebenen Anordnung ein iteratives Pro gramm sein, wobei während der Einstellung laufend die ver änderten Strahlparamater erfaßt werden und einem nächsten Iterationsschritt zugrundegelegt werden können. Besonders vorteilhaft kann hier ein Fuzzy-Logic-Algorithmus angewen det werden.The processing program for the measured beam data can be an iterative pro in the arrangement described be grams, with the ver changed beam parameters can be detected and a next one Iteration step can be used as a basis. Especially A fuzzy logic algorithm can advantageously be used here be det.
Zur Darstellung der erfaßten Daten und Verarbeitungsergeb nisse für einen Bediener und zur Beeinflussung des Verar beitungsprozesses sind die genannten Komponenten weiter hin jeweils mit einer Anzeige- und Eingabeeinheit 109 - etwa Bildschirm und Tastatur eines herkömmlichen PC - ver bunden.To display the recorded data and processing results for an operator and to influence the processing process, the components mentioned are each connected to a display and input unit 109 , such as the screen and keyboard of a conventional PC.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The invention is not restricted in its implementation to the preferred embodiment given above game. Rather, a number of variants are conceivable which of the solution shown also in principle use different types of designs.
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|---|---|---|---|---|
| DE10154007A1 (en) * | 2001-10-26 | 2003-05-15 | Jenoptik Laser Optik Sys Gmbh | Arrangement for pumping an anisotropic laser crystal |
| US7349455B2 (en) | 2005-01-28 | 2008-03-25 | Lutz Langhans | Solid-state laser with compensation for thermooptical effects |
| US11881676B2 (en) * | 2019-01-31 | 2024-01-23 | L3Harris Technologies, Inc. | End-pumped Q-switched laser |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4132063A1 (en) * | 1991-09-26 | 1993-04-08 | Deutsche Aerospace | Micro crystal laser cooling appts. - uses sapphire or synthetic diamond plane ground as conductor of thermal energy and is in contact with micro crystal surface |
| US5410559A (en) * | 1994-02-04 | 1995-04-25 | Spectra-Physics Lasers, Inc. | Diode pumped laser with strong thermal lens crystal |
Family Cites Families (3)
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|---|---|---|---|---|
| US4884281A (en) * | 1988-09-09 | 1989-11-28 | Spectra-Physics, Inc. | Low cost/power visible light solid-state laser |
| US5022043A (en) * | 1989-12-20 | 1991-06-04 | Spectra-Physics | High power diode-pumped solid state laser with unstable resonator |
| US5159605A (en) * | 1990-01-19 | 1992-10-27 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor-laser-pumped, solid-state laser |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4132063A1 (en) * | 1991-09-26 | 1993-04-08 | Deutsche Aerospace | Micro crystal laser cooling appts. - uses sapphire or synthetic diamond plane ground as conductor of thermal energy and is in contact with micro crystal surface |
| US5410559A (en) * | 1994-02-04 | 1995-04-25 | Spectra-Physics Lasers, Inc. | Diode pumped laser with strong thermal lens crystal |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JP 3-3376 (A), engl. Abstract * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10154007A1 (en) * | 2001-10-26 | 2003-05-15 | Jenoptik Laser Optik Sys Gmbh | Arrangement for pumping an anisotropic laser crystal |
| US6973108B2 (en) | 2001-10-26 | 2005-12-06 | Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh | Arrangement for pumping an anisotropic laser crystal |
| DE10154007B4 (en) * | 2001-10-26 | 2006-06-14 | Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh | Arrangement for pumping an anisotropic laser crystal |
| US7349455B2 (en) | 2005-01-28 | 2008-03-25 | Lutz Langhans | Solid-state laser with compensation for thermooptical effects |
| US11881676B2 (en) * | 2019-01-31 | 2024-01-23 | L3Harris Technologies, Inc. | End-pumped Q-switched laser |
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