DE19521943C2

DE19521943C2 - Solid state laser device

Info

Publication number: DE19521943C2
Application number: DE1995121943
Authority: DE
Inventors: Adam Dombi
Original assignee: LASER ANALYTICAL SYSTEMS LAS ENTWICKLUNG und VERTRIEB VON LASERTECHNOLOGIE GmbH; LASER ANALYTICAL SYSTEMS LAS E
Current assignee: Newport Spectra Physics GmbH
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2015-06-08
Also published as: DE19521943A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaservorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a solid-state laser device in the preamble of Claim 1 specified type.

Festkörperlaser, die als laseraktives Medium Kristalle oder Gläser enthalten, gehö ren wegen ihres relativ einfachen Aufbaus und der hohen erzielbaren Leistung zu den in der Praxis wichtigsten Lasertypen.Solid-state lasers, which contain crystals or glasses as a laser-active medium ren because of their relatively simple structure and the high achievable performance the most important laser types in practice.

Sie werden mit Lampen verschiedener Gasfüllung und Bauart, Leuchtdioden oder mit Lasern - etwa Halbleiterlasern - gepumpt, wobei die Pumplichtquelle so zu wählen ist, daß der Hauptanteil der emittierten Strahlung im Spektralbereich der Absorptionsbanden des Lasermediums liegt. Aus diesem Grund kann der Einsatz von im nahen Infrarot (NIR) emittierenden, durch entsprechende Dotierung exakt auf die Haupt-Absorptionsbanden abstimmbaren Halbleiterlasern zum Pumpen von YAG(Yttrium-Aluminium-Granat)-Festkörperlasern aus energetischer Sicht sehr effizient sein: Hiermit wird eine Pumplichtausnutzung (ausgedrückt durch die sogenannte "slope efficiency" - vgl. dazu die Ausführungen weiter unten) von 70 bis weit über 90% erreicht. Diese Pumplichtquellen finden daher in den sogenann ten DPSS(Diode Pumped Solid-State)-Laseranordnungen zunehmende Verbreitung.They come with lamps of different gas filling and design, light emitting diodes or pumped with lasers - such as semiconductor lasers, whereby the pump light source choose is that the majority of the emitted radiation in the spectral range of the Absorption bands of the laser medium. Because of this, the use of near infrared (NIR) emitting, by appropriate doping exactly semiconductor lasers tunable to the main absorption bands for pumping YAG (yttrium aluminum garnet) solid-state lasers are very energetic be efficient: This is a pump light utilization (expressed by the so-called "slope efficiency" - cf. see the explanations below) from 70 reached well over 90%. These pump light sources can therefore be found in the so-called DPSS (diode pumped solid-state) laser arrays are becoming increasingly common.

Der zunehmende Einsatz und die künftig zu erwartenden ausgezeichneten Markt chancen des miniaturisierten DPSS-YAG-Lasers resultieren auch aus der grundsätz lich bestehenden Möglichkeit, damit bei einfachem Aufbau hohe Leistungen im Impulsbetrieb bei hoher Folgefrequenz wie auch im kontinuierlichen Betrieb und ein nahezu ideales Gauß'sches Strahlprofil zu erreichen.The increasing use and the excellent market to be expected in the future chances of the miniaturized DPSS-YAG laser also result from the principle Lich existing possibility, so that high performance in simple construction Pulse operation at high repetition frequency as well as in continuous operation and one to achieve almost ideal Gaussian beam profile.

Bei longitudinal gepumpten DPSS-Lasern wird die Pumpstrahlung aus einem Lei stungs-Laserdiodenarray kollinear zur optischen Resonatorachse des Festkörperla sers durch den hinteren Resonatorspiegel in das aktive Verstärkungsmedium bzw. den Festkörperlaserkristall eingekoppelt.In the case of longitudinally pumped DPSS lasers, the pump radiation is obtained from a single Lei Stungs laser diode array collinear to the optical resonator axis of the solid state through the rear resonator mirror into the active gain medium or coupled the solid-state laser crystal.

Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze den Aufbau eines solchen longitudinal gepump ten DPSS-Lasers. Die Strahlung P einer (beispielsweise im nahen Infrarot = NIR arbeitenden) Pump-Laserdiode 1 wird über eine (hier aus zwei Bikonvexlinsen 2a, 2b bestehende) Kollimationsoptik 2, die ebenso wie die Laserdiode 1 jenseits des hinteren Resonatorspiegels 3.1 eines Festkörperlasers angeordnet ist, durch diesen hindurch in einen im Emissionsbereich der Laserdiode 1 absorbierenden Festkörper laserkristall (Verstärkungs- oder Lasermedium) 4 eingekoppelt. Dieser besteht bei den meisten praktisch eingesetzten DPSS-Anordnungen aus seltenerd-dotiertem YAG (Yttrium-Aluminium-Granat). Die NIR-Pumpstrahlung erzeugt dort eine Fest körperlaserstrahlung L, die zwischen dem hinteren Resonatorspiegel 3 und einem vorderen, teildurchlässigen Resonatorspiegel 3.2 mehrfach reflektiert und schließ lich durch den letzteren ausgekoppelt wird. Fig. 2 shows in a schematic diagram the structure of such a longitudinally pumped DPSS laser. The radiation P from a pump laser diode 1 (working, for example, in the near infrared = NIR) is transmitted via collimation optics 2 (here consisting of two biconvex lenses 2 a, 2 b), which, like the laser diode 1, is arranged beyond the rear resonator mirror 3.1 of a solid-state laser , coupled through this into a solid-state laser crystal (gain or laser medium) 4 absorbing in the emission region of the laser diode 1 . In most DPSS arrangements used in practice, this consists of rare earth-doped YAG (yttrium aluminum garnet). The NIR pump radiation there 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 beispielsweise - in verschiedenen Modifikationen des oben beschriebenen Prinzips, speziell hinsichtlich der Einkopp lung 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 intrakavitär angeordneten Frequenzverdopplerkristall sichtbares Licht zu erzeugen.Such longitudinally pumped DPSS lasers are - for example - in different Modifications to the principle described above, especially with regard to coupling treatment of the pump radiation - from EP 0 358 410 A2, DE 41 01 403 A1 or US 5 022 043 known. It is also known, for example from the first-mentioned publication the solid-state laser radiation also in the near infrared by a intracavitary frequency doubler crystal to generate visible light.

Die Transferoptik der Pumplichtquelle(n) ist so auszulegen, daß eine weitgehende Kongruenz zwischen der Pumpmode und der zwischen den Resonatorspiegeln schwingenden transversalen Grundmode (TEM₀₀) des Festkörperlasers erreicht wird.The transfer optics of the pump light source (s) are to be designed in such a way that an extensive congruence between the pump mode and the transverse basic mode (TEM ₀₀ ) of the solid-state laser which oscillates between the resonator mirrors is achieved.

Mit solchen Anordnungen lassen sich mit geringem Aufwand und niedriger Pump leistung 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 generate high pumping power densities in the laser-active material, which results in result in low threshold power and high overall efficiency.

Bereits bei geringen Pumpleistungsdichten treten jedoch thermische Effekte auf, insbesondere das sogenannte "thermal lensing", die unkontrollierte Bildung von linsenartig wirkenden Brechzahlgradienten-Bereichen, und ggf. auch die Ausbildung von doppelbrechenden Bereichen im Laserkörper. Diese Effekte können zu einer starken Verschlechterung der Strahlqualität (insbesondere der Geometrie des Strahlquerschnitts) führen und den Einsatzbereich einer vorgegebenen Resonator geometrie stark einschränken.However, thermal effects occur even at low pump power densities, in particular the so-called "thermal lensing", the uncontrolled formation of lens-like refractive index gradient areas, and possibly also the training of birefringent areas in the laser body. These effects can lead to a severe deterioration of the beam quality (especially the geometry of the Beam cross section) and the area of application of a given resonator severely restrict geometry.

Speziell bei der longitudinal gepumpten Konfiguration wirft auch die Geometrie des Laserdioden-Pumpstrahls, dessen Querschnitt eine Höhe um 1 µm und eine Breite im Bereich von 50 bis 500 µm hat, Probleme auf. Diese Strahlung läßt sich schlecht über größere Abstände in den Festkörperlaserkristall abbilden - was jedoch zur Erzielung einer geringen Pumpstrahldivergenz und damit eines hohen Wirkungs grades des Pumplichtes und eines geringen Anteils höherer Moden wünschenswert wäre.Especially with the longitudinally pumped configuration, the geometry of the Laser diode pump beam, the cross section of which is around 1 µm high and wide has problems in the range from 50 to 500 μm. This radiation can be poorly image over larger distances in the solid-state laser crystal - but what to achieve a low pump jet divergence and thus a high effect Degree of pump light and a small proportion of higher modes is desirable would.

In DE 41 01 403 wird vorgeschlagen, die Pump-Laserdiode sehr nahe am Festkör perlaserkristall anzuordnen und diesem einen sehr geringen Querschnitt zu geben, so daß das Pumplicht (mindestens in Richtung einer Achse) zwischen den Begren zungsflächen des Festkörperlasermediums mit geringer 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 that the pump laser diode be very close to the solid arrange the laser crystal and give it a very small cross-section, so that the pump light (at least in the direction of an axis) between the limbs tion surfaces of the solid-state laser medium with low beam divergence becomes. However, this makes the usable volume of the active laser medium inevitably reduced, and the achievable laser power is limited. In addition the thermal effects mentioned above are shown in the small effective volume in of all clarity.

Bei US 5 022 043 wird die Pumpstrahlung über ein Lichtleitfaserbündel eingekop pelt, bei dem sich verjüngende Fasern mit an den Lichtaustrittsquerschnitt des Pumplasers angepaßtem Lichteintrittsquerschnitt eingesetzt werden.In US 5,022,043 the pump radiation is injected via an optical fiber bundle pelt, in which tapered fibers join the light outlet cross section of the Pumplasers adapted light entry 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 that can be used for wide applications DPSS lasers are 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 are also the realization miniaturized arrangements significantly complicate.

Eine sehr einfache Lösung zur Beeinflussung des Pumpstrahlquerschnitts stellen die herkömmlichen Modenblenden dar - bei ihrem Einsatz geht jedoch unvermeidlich ein Anteil von 20-50% des Pumplichtes verloren, was natürlich den Gesamtwir kungsgrad entsprechend verschlechtert bzw. - bei vorgegebener Ausgangsleistung - die Kosten für die Pumplichtquellen erhöht.The provide a very simple solution for influencing the pump beam cross section conventional fashion diaphragms - but inevitable lost a share of 20-50% of the pump light, which of course the total we Degree of efficiency deteriorates accordingly or - at a given output power - The cost of the pump light sources increased.

Aus US 5 410 559 (vgl. Fig. 3) ist es bekannt, das "thermal lensing" und damit die Strahlqualität über eine jochartig geformte passive Kühlanordnung zu beein flussen.From US 5 410 559 (cf. FIG. 3) it is known to influence the "thermal lensing" and thus the beam quality via a yoke-like passive cooling arrangement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperlaservorrichtung der eingangs genannten Gattung anzugeben, die eine verbesserte Steuerung der thermischen Bedingungen erlaubt und eine gute Strahlqualität auch im Bereich hoher Leistungen liefert.The invention has for its object a solid-state laser device Specify the type mentioned that improved control of the thermal conditions allowed and good beam quality also in the area high performance.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device with the features of claim 1 solved.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, im Festkörperlaserkristall aktiv eine intrinsische "Kollimationsoptik" (speziell eine konkave torische oder annähernde Zylinderlinse) zu erzeugen, die den Pumpstrahlquerschnitt im laseraktiven Medium mit ähnlichem Effekt wie eine passive Kühlung beeinflußt, ohne daß sie deren Nachteile hätte.The invention includes the idea that one is active in the solid-state laser crystal intrinsic "collimation optics" (especially a concave toric or approximate Cylinder lens) to generate the pump beam cross-section in the laser-active medium with a similar effect as passive cooling without affecting them Would have disadvantages.

Dieser Effekt wird durch gezielte aktive lokale Steuerung der Wärmeableitung über den Umfang des Laserkristalls über aktive lokale Kühlung und/oder Zusatzheizung erreicht, wodurch im Querschnitt des Laserkörpers, d. h. senkrecht zur Strahl laufrichtung, ein Brechzahlfeld in Gestalt der gewünschten Optik, d. h. einer toni schen bzw. Zylinderlinse mit negativer Brechkraft, aufgebaut wird.This effect is achieved through targeted active local control of heat dissipation the scope of the laser crystal via active local cooling and / or additional heating reached, whereby in the cross section of the laser body, d. H. perpendicular to the beam running direction, a refractive index field in the form of the desired optics, d. H. a toni or cylindrical lens with negative refractive power.

Infolge der Wirkung der genannten Temperatureinstellmittel, durch die sich im Laserkörper im Betriebszustand ein linsenförmiges Brechzahlfeld mit vorbestimmter Geometrie ausbildet, wird eine im Laserkörper beim Pumpen mittels einer Licht quelle mit langgestrecktem Strahlquerschnitt spontan und unkontrolliert auf thermi schem Wege ausgebildete konvexe torische oder Zylinderlinse derart kompensiert, daß sich resultierend ein im wesentlichen rotationssymmetrisches Brechzahlfeld ausbildet. Dieses führt dann auch zu einem im wesentlichen rotationssymmetri schen und Gauß'schen Strahlprofil der im Festkörperlaserstab generierten Laser strahlung.As a result of the effect of the temperature setting means mentioned, in which Laser body in the operating state a lenticular refractive index field with a predetermined Geometry forms one in the laser body when pumping by means of a light source with elongated beam cross section spontaneously and uncontrolled on thermi compensated convex toric or cylindrical lens in such a way that results in an essentially rotationally symmetrical refractive index field trains. This then also leads to an essentially rotationally symmetrical and Gaussian beam profile of the lasers generated in the solid-state laser rod radiation.

Ein Wärmediffusor bzw. die Kühlung (und/oder die ggf. vorgesehene Steuerhei zung) sind in Anpassung an die üblicherweise als Pumplichtquellen eingesetzten Halbleiterlaser mit langgestreckter, annähernd rechteckförmiger Strahlaustritts fläche bevorzugt wie folgt ausgebildet: In einer senkrecht zur Längsachse des Laserkristalls liegenden Ebene sind in Umfangsrichtung abwechselnd zwei Ab schnitte mit höherem und zwei Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswider stand bzw. mit höherer/niedrigerer Umfangstemperatur 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 Tem peratur senkrecht zur Richtung der längeren Erstreckung des Pumplichtquerschnitts der Pumplichtquelle angeordnet sind.A heat diffuser or the cooling (and / or the control unit, if applicable tongue) are in adaptation to those commonly used as pump light sources Semiconductor laser with an elongated, approximately rectangular beam exit Area preferably formed as follows: In a perpendicular to the longitudinal axis of the Laser crystal lying plane are alternately two ab in the circumferential direction cuts with higher and two sections with lower heat transfer resistance stood or provided with a higher / lower peripheral temperature. The sections with higher and those with lower heat transfer resistance (or with higher / lower peripheral temperature) are opposite each other, whereby the sections with lower heat transfer resistance or lower tem temperature perpendicular to the direction of the longer extension of the pump light cross section the pump light source are arranged.

Bei den genannten Halbleiterlasern (oder anderen Pumplichtquellen mit nicht rotationssymmetrischem Strahlquerschnitt) bildet sich bei gleichmäßiger Wärme abführung über die Umfangsfläche des Laserkristalls ein Isothermenfeld und in dessen Folge ein Brechzahlfeld heraus, das annähernd die Gestalt einer bikonvexen torischen oder Zylinderlinse hat. Die aktive Kühlung/Steuerheizung gegebenenfalls mit dem o. g. Wärmediffusor (Kühlkörper) führt nun zu einer in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Wärmeabführung derart, daß eine gezielte Verformung des Iso thermen- und damit Brechzahlfeldes erfolgt.With the mentioned semiconductor lasers (or other pump light sources with not rotationally symmetrical beam cross section) is formed with uniform heat dissipation over the peripheral surface of the laser crystal and an isothermal field which results in a refractive index field that is approximately the shape of a biconvex has toric or cylindrical lens. The active cooling / control heating if necessary with the above Heat diffuser (heat sink) now leads to one in the circumferential direction uneven heat dissipation such that a targeted deformation of the Iso thermal and thus refractive index field.

Insbesondere kann damit einer intrinsischen bikonvexen Zylinderlinse eine - eben falls thermische - konkave Zylinderlinse mit gleicher Achsenrichtung oder (alterna tiv) eine weitere konvexe Zylinderlinse mit zur "primären" Linse senkrechter Ach senorientierung überlagert werden. Bei idealisierter Betrachtung würde sich im ersteren Falle die Brechwirkung einer planparallelen Platte und im letzteren Falle diejenige einer sphärischen Linse ergeben - in der Praxis wird sich in beiden Fällen annähernd die Wirkung einer sphärischen Linse einstellen.In particular, an intrinsic biconvex cylindrical lens can be one if thermal - concave cylindrical lens with the same axis direction or (alterna tiv) another convex cylindrical lens with an axis perpendicular to the "primary" lens orientation are overlaid. With an idealized view, the the former case the breaking effect of a plane-parallel plate and in the latter case that result from a spherical lens - in practice, in both cases approximate the effect of a spherical lens.

Eine bevorzugte Anordnung zur Wärmeableitung umfaßt mindestens einen metalli schen 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 Wärmeüber gangswiderstand bilden, während die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper und somit die Abschnitte mit höherem Wärmeübergangswiderstand bilden.A preferred arrangement for heat dissipation comprises at least one metal thermal conductors with protrusions and recesses, the protrusions are facing the laser crystal and in good thermal contact with it Circumferential surface abut so that they transfer the sections with lower heat Form resistance, while the recesses each have a distance range with poor thermal contact to the laser body and thus the sections with form higher heat transfer resistance.

Hierzu weisen die Vorsprünge jeweils eine dem Laserkörper zugewandte Fläche auf, die zur Umfangsfläche des Laserkörpers korrespondierend geformt ist; speziell bei einem zylindrischen Laserstab haben die Vorsprünge jeweils eine der zylin drischen Gestalt des Laserkörpers angepaßte Zylinderabschnittsfläche.For this purpose, the projections each have a surface facing the laser body on, which is shaped corresponding to the peripheral surface of the laser body; specifically in the case of a cylindrical laser rod, the projections each have one of the cylinders cylindrical section surface adapted to the shape of the laser body.

Weiter ist bevorzugt eine insbesondere elektrisch betriebene Kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers in Abständen angeordneten Kühlelementen oder -bereichen vorgesehen oder es kann - in quasi umgekehrter Positionszuordnung zum Laserkristall - eine elektrisch betriebene Steuerheizung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (1) in Abständen angeordneten Heizelementen oder -bereichen vorgesehen sein.Furthermore, an especially electrically operated cooling device is preferably provided with cooling elements or regions arranged at intervals in the circumferential direction of the laser body, or an electrically operated control heater with heating elements arranged at intervals in the circumferential direction of the laser body ( 1 ) areas should be provided.

Als eine besonders zweckmäßige und leicht steuerbare Anordnung bietet sich eine elektrisch betriebene, nach dem Peltier-Effekt arbeitende Heiz-kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizbe reichen an.A particularly useful and easily controllable arrangement is one electrically operated heating / cooling device that works according to the Peltier effect alternately arranged cooling and heating in the circumferential direction of the laser body are sufficient.

Zur Steuerung ist eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der aktiven Steuerheiz- und/oder Kühlvorrichtung verbunden ist und über die ein vorbestimtes Temperaturprofil senkrecht zur Richtung der Längsachse des Laserkristalls eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.For control purposes, a processing device is provided which is connected on the output side connected to a control input of the active control heating and / or cooling device is and over which a predetermined temperature profile perpendicular to the direction of Longitudinal axis of the laser crystal is set or maintained.

Zur selbsttätigen Optimierung des Laserstrahlprofils kann eine mit einem Eingang der Verarbeitungseinrichtung verbundene Lichtaufnehmereinheit zur Erfassung des Strahlprofils des erzeugten Laserstrahls als Steuergröße für das Temperaturprofil vorgesehen sein. Hier hat die Verarbeitungseinrichtung natürlich auch die Verarbei tung der Strahlprofildaten - konkret als Vergleich mit einem vorgegegeben Sollprofil - zu leisten.For automatic optimization of the laser beam profile, one with an input the processing device connected to the light sensor unit for detecting the Beam profile of the laser beam generated as a control variable for the temperature profile be provided. Here, of course, the processing facility also has the processing the beam profile data - specifically as a comparison with a specified target profile - afford to.

In einem kostengünstig realisierbaren Gesamtaufbau sind mindestens der Laser kristall mit dem Resonator und die Anordnung zur Wärmeableitung und/oder die aktive Kühlvorrichtung 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 vorteilhafter und aus kommerziell verfügbaren Bauteilen kostengünstig 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 ent sprechender konstruktiver Gestaltung des Laserkristalls und der optischen Bauteile - durch Auflöten oder wärmeleitfähiges Aufkleben erfolgen.In an overall construction that can be implemented cost-effectively, at least the laser crystal with the resonator and the arrangement for heat dissipation and / or the active cooling device or control heating are constructed as a coherent, compact assembly on a carrier element. A structure that is advantageous with regard to the long-term mechanical stability and with regard to the thermal loads during operation of the laser and that can be implemented economically from commercially available components is characterized in that the laser body with the resonator is arranged on a double cascaded Peltier element arrangement, especially with Al ₂ O ₃ - Base plate as a support element, is mounted. The assembly can - with appropriate design of the laser crystal and the optical components - be carried out by soldering or heat-conductive gluing.

Die kompakte Baugruppe umfaßt zweckmäßigerweise zugleich einen Temperatur fühler zur Erfassung ihrer jeweiligen Betriebstemperatur und ggf. eine mit dessen Ausgang verbundene Regeleinheit (die jedoch auch separat angeordnet sein kann), mit deren Ausgang die oben erwähnte oder auch eine einfach nur der Grund- Temperierung der Baugruppe dienende Kühl- und ggf. auch Steuerheizvorrichtung zur Steuerung des Temperaturprofils der Baugruppe verbunden ist.The compact assembly expediently also includes a temperature sensor for recording their respective operating temperature and, if applicable, one with it Output connected control unit (which can also be arranged separately), with the output of which the above-mentioned or simply the basic Temperature control of the assembly cooling and possibly also control heating device is connected to control the temperature profile of the assembly.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzug ten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims Draws or are preferred below along with the description of the th embodiment of the invention with reference to the figures. Show it:

Fig. 1 eine Detailskizze zu einer Ausführungsform der erfindungs gemäßen Festkörperlaservorrichtung in perspektivischer Darstellung, Fig. 1 shows a detailed sketch of one embodiment of the solid laser device according to fiction, in perspective view,

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 Laser diode mit langgestreckter Lichtaustrittsfläche longitudinal gepumpten DPSS-Laser im Längsschnitt in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen, 3a and 3b are diagrams of the pump beam path., In a laser diode with a longitudinally-pumped elongate light exit surface DPSS laser in a longitudinal section in two mutually perpendicular planes

Fig. 4a und 4b Skizzen der Querschnittsgestalt des Isothermenfeldes (annä hernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung) in einem herkömmlichen DPSS-Laser bzw. einem solchen mit einer Kühlanordnung nach Fig. 1, 4a and 4b are sketches of the cross-sectional shape of the Isothermenfeldes. (Annae hernd in the focusing plane of the pump radiation) in a conventional DPSS laser and such a cooling arrangement according to Fig. 1,

Fig. 5a bis 5c schematische Darstellungen zu weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Festkörperlaservorrichtung, FIGS. 5a to 5c are schematic representations of further embodiments of the solid laser device according to the invention,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Gesamtansicht einer longitudinal gepumpten Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung, Fig. 6 is a perspective view of the overall view of a longitudinally pumped solid state laser apparatus according to an embodiment of the invention,

Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Meß- und Steuer schaltung 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 device according to a further embodiment of the invention and

Fig. 8 eine (qualitative) grafische Darstellung der Leistungsdyna mik- und Strahldivergenzeigenschaften einer erfindungs gemäß aufgebauten gegenüber einer herkömmlichen DPSS- Laservorrichtung. Fig. 8 is a (qualitative) graphical representation of the power dynamic and beam divergence properties of an invention constructed in accordance with 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 Grund anordnung mit einem metallischen Kühlkörper 5, der aus zwei den Laserstab umschließenden Teilen 5.1 und 5.2 besteht und mit einer (hier nicht gezeigten) aktiven Kühlung und/oder Heizung eingesetzt wird. 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 and with active cooling and / or heating (not shown here) is used.

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 ausgearbeitete, nach oben weisende Fläche 5.1a, deren Krümmung derjeni gen des Laserstabes 4 angepaßt ist. Auf dieser Fläche 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 weisen de 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 Innenseiten 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, upward-facing surface 5.1 a, the curvature of which is adapted to the conditions 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, downwardly facing surface 5.2 a, the curvature of which is also adapted 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 legs 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 Lichtaustrittsfläche 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 Längserstreckung (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 Linien gezeichnet. Es ist zu erkennen, daß die Lichtaustrittsfläche 1a der im objektseitigen Brennpunkt der Plankonvexlinse 2a angeordneten Pumpstrahlquelle 1 im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Plankonvexlinse 2b' ein entsprechend langgestrecktes Abbild I im Inneren des Laserstabes 4 hat. In praxi liegt die Strahltaille einige Millimeter 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 a laser diode 1 with elongate light exit surface 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 of the Larger longitudinal extension of the light exit surface 1 a (xy plane) and Fig. 3b in the plane of the smaller longitudinal extension (xz plane). Two plano-convex lenses 2 a ', 2 b' symbolize here 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 of the pump beam source 1 arranged in the object-side focal point of the plano-convex lens 2 a has a correspondingly elongated image I in the interior of the laser rod 4 in the image-side focal point of the second plano-convex lens 2 b '. 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 bewirkt eine Erwärmung des Lasermediums, die im Bereich der größten Strahldichte - d. h. in dem dem Abbild I entsprechenden Bereich des Laserstabes - am stärksten ist.The incident and largely absorbed pump light heats up the Laser medium in the area of the greatest radiance - d. H. in the the image I corresponding area of the laser rod - is strongest.

Fig. 4a und 4b sind Skizzen der Querschnittsgestalt des sich demgemäß ergeben den Isothermenfeldes IT_a bzw. IT_b (annähernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung, mithin der Ebene des Abbildes 1) in einem herkömmlichen DPSS- Laser bzw. einem solchen mit der vorgeschlagenen Kühlanordnung. In der waa gerechten Mittenebene des Laserstabes 4 befindet sich jeweils das Abbild I des Lichtaustrittsquerschnitts 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 give the Isothermenfeldes IT _A and IT _b (approximately in the focal plane of the pump radiation, and consequently the level of the image 1) in a conventional DPSS laser or such with the proposed cooling arrangement . In the horizontal center plane of the laser rod 4 is the image I of the light exit cross section of the pump diode or the pump laser, and four isothermal lines are sketched around it.

In Fig. 4a, d. h. in einem Laserstab ohne Kühlung (bzw. - was in der Figur nicht gezeigt ist - mit einer als rotationssymmetrisch anzusehenden Kühlung), haben diese annähernd die Gestalt relativ flacher Ellipsen. Das räumliche Isothermenfeld hat mithin langgestreckt ellipsoidale oder torusförmige Gestalt. Demgegenüber ist in Fig. 4b, d. h. bei Vorsehen einer Kühlungsanordnung der vorgeschlagenen Art, eine im Ergebnis der in vertikaler Richtung größeren Wärmeableitung als in horizon taler Richtung nahezu kreisförmig verformte Gestalt der Isothermen zu erkennen. Das T-Feld im Laserstab ist mithin annäherend rotationssymmetrisch zur Längs achse A.In Fig. 4a, ie in a laser rod without cooling (or - which is not shown in the figure - with a cooling 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, can be seen in Fig. 4b, ie when providing a cooling arrangement of the proposed type, a result of the larger heat dissipation in the vertical direction than in the horizontal direction almost 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 Brechungsindex ein in etwa gestaltgleiches Brechzahlfeld erzeugt, liegt bei den Verhältnissen gemäß Fig. 4a im Laserstab 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 Wirkung einer sphärischen Linse ausübt. Achsenversetzte Strahlen erfahren daher im Falle der Fig. 4a eine weit größere und vor allem stärker positionsabhängige Ablenkung als unter den thermischen Verhältnissen der Fig. 4b. Since the T-box generated due to the temperature dependence of the refractive index in an approximately form the same refractive index field, is at the ratios as shown in 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 -. Grossly Approximation - how a cylindrical lens works, while the T-field according to FIG. 4b exerts the optical effect of a spherical lens. In the case of FIG. 4a, off-axis rays therefore experience a far greater and, above all, more position-dependent deflection than under the thermal conditions of FIG. 4b.

Dies betrifft natürlich auch die im Lasermedium generierten achsenversetzten Laserstrahlen, so daß bei der Anordnung nach Fig. 4b bzw. der vorgeschlagenen Kühlanordnung eine wesentliche verringerte Strahldivergenz und verringerter Astigmatismus der erzeugten Laserstrahlung auftritt und gleichzeitig ein effizienter Laserbetrieb auch noch bei höheren Pumpleistungen möglich ist.Of course, this also applies to the off-axis laser beams generated in the laser medium, so that in the arrangement according to FIG. 4b or the proposed cooling arrangement, a significantly reduced beam divergence and reduced astigmatism of the laser radiation generated occurs, and at the same time efficient laser operation is still possible even at higher pump powers.

Dies ist in den Kurven der grafischen Darstellung der Fig. 8 qualitativ gezeigt: Die obere durchgezogene Linie verdeutlicht den Verlauf der Strahldivergenz bzw. des Astigmatismus (DIV/AST) - in Abhängigkeit von der Pumpleistung - für eine Laser vorrichtung ohne die erfindungsgemäßen Merkmale, die obere gestrichelte Linie den mit der Erfindung erreichten Verlauf. Es ist zu erkennen, daß der Qualitätsgewinn gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung mit der Pumpleistung zunimmt; die meßbaren Divergenzen und resultierenden streng Gauß-förmigen, kreisrunden Strahlprofile sind kaum von denen eines - DPSS-Lasern ansonsten deutlich über legenen - 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 the astigmatism (DIV / AST) - depending on the pump power - for a laser device without the features according to the invention upper dashed line the course achieved with the invention. It can be seen that the quality gain compared to the conventional device increases with the pumping 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 (P_OUT) der Fig. 8 zeigen qualitativ die erreichbare Ausgangs leistung im Vergleich der erfindungsgemäßen (gestrichelte Linie) mit der herkömm lichen Anordnung (durchgezogene Linie). Im Ergebnis der Erfindung ist der Laser mit um bis zu 20 bis 50% höheren Werten der Pumpleistung effizient betreibbar und eine höhere Ausgangsleistung und in der Folge ein erheblicher Kostenvorteil realisierbar.The lower curves (P _OUT ) of Fig. 8 show qualitatively the achievable output in comparison of the inventive (dashed line) with the conventional arrangement (solid line). As a result of the invention, the laser can be operated efficiently with 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 Anordnung erreicht wird, kann man sich als denjenigen einer intrinsischen thermischen Zylinderlinse vor stellen, die bewußt dem stark asymmetrischen (ebenfalls als eine - ungewollte - Zylinderlinse wirkenden) Brechzahlfeld infolge des langgestreckten Pumpstrahlquer schnitts überlagert wird. Diese Zylinderlinsen haben in gewissem Umfang selbst regelnde Eigenschaften, da sich bei steigender eingetragener Leistung wegen der konstanten Wärmeleitfähigkeit des optischen Materials die Isothermen (und damit die Linien bzw. Flächen gleicher Brechzahl) verdichten und damit die Brennweite verringert wird.The optical effect that is achieved with the arrangement according to the invention can be thought of as an intrinsic thermal cylindrical lens places that are aware of the strongly asymmetrical (also as an - unwanted - Refractive index field due to the elongated pump beam cross cut is superimposed. To a certain extent, these cylindrical lenses have themselves regulating properties, because with increasing registered power because of the constant thermal conductivity of the optical material the isotherms (and thus the lines or areas of the same refractive index) and thus the focal length is reduced.

Infolge der in gewissem Maße selbstregelnden Eigenschaften der intrinsischen thermischen Zylinderlinsen können miniaturisierte DPSS-Laser, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, in einem weiten Dynamikbereich effizient und mit guter Strahlqualität betrieben werden.As a result of the somewhat self-regulating properties of the intrinsic Thermal cylindrical lenses can be miniaturized DPSS lasers according to the Invention are built in a wide dynamic range efficiently and with good Beam quality can be operated.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen in schematischen Darstellungen weitere Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Festkörperlaservorrichtung, bei denen aktive Kühl- bzw. Heizelemente eingesetzt werden. FIGS. 5a to 5c are schematic representations of another execution form of the solid state laser apparatus according to the invention, where active cooling or heating elements may be used.

Fig. 5a zeigt den zylindrischen Laserstab 4 in einen Kühlkörper 5' eingebettet, der der Einfachheit halber als Körper mit der äußeren Form eines quadratischen Prismas gezeigt ist, das eine hohlzylindrische Ausnehmung 5a' für den Laserstab aufweist. Im oberen und unteren Bereich der Ausnehmung ist jeweils ein flächiges Kühl element 5b' und 5c' in den Kühlkörper eingebettet, das in den entsprechenden Bereichen an der Umfangsfläche des eingelegten Laserstabes 4 anliegt und dort im Betrieb eine aktive Kühlwirkung ausübt, die der (passiven) Wärmeableitwirkung des Kühlkörpers überlagert ist. Fig. 5a shows the cylindrical laser rod 4 embedded in a heat sink 5 ', which is shown for simplicity 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 laser rod 4 and exerts an active cooling effect there during operation, which 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 zwischen Laserstab und Kühlkörper in räumlicher Hinsicht eine Anordnung gezeigt, bei der funktional gewissermaßen komplementär zu aktiven Kühlementen in vertikaler Anordnung aktive flächige Steuerheizelemente 5d' und 5e' in horizontaler Anordnung vorgesehen sind. Die übrigen Elemente entsprechen Fig. 5a und werden hier nicht nochmals genannt.In Fig. 5b, 5a alternative possibility of active control is as for the arrangement of FIG. Heat transfer between the laser rod and the heat sink in a spatial sense shown an arrangement, that in the functional certain extent complementary to the active Cool Menten active in a vertical arrangement scale control heating elements 5 '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 aktive Steuerheizung in der Horizontalen - mitein ander kombiniert, 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 ausbildenden T- und somit auch Brechzahlfeldes (der intrinsischen thermischen "Linse") noch differenzierter zu steuern. 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 of controlling the spatial distribution of the heat transfer from the laser rod and thus the shape of the T field and thus also the refractive index field (the intrinsic thermal "lens") that forms in its interior in an even more differentiated manner.

Der Kühlkörper 5' kann in der praktischen Realisierung eine andere Gestalt haben, insbesondere auch verrippt und/oder zur Befestigung auf einem Substrat speziell ausgebildet sein.The heat sink 5 'can have a different shape in practical implementation, in particular also ribbed and / or specially designed for attachment to a substrate.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer longitudinal gepumpten Festkör perlaservorrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung (die optischen Elemen te zur Pumpstrahlfokussierung sind in der Figur nicht gezeigt), die gemäß den Grundsätzen der Oberflächenmontagetechnologie (SMD) aufgebaut ist. Fig. 6 shows a perspective view of a longitudinally 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 in accordance with the principles of surface mounting technology (SMD).

Die Anordnung von Pumpdiode bzw. -laser 11, Resonatorspiegeln 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 numbers which have been changed compared to these figures are intended to be the special ones Express training elements for SMD technology.

So sind beide Resonatorspiegel 13.1, 13.2 über zweifach abgewinkelte, bei der Montage zur Justierung biegbare Anschlußflächen ("pads" oder "legs") , z. B. 13.2a, 13.2b mit der lokalen Metallisierung 10a eines Trägers 10 verlötet.So are both resonator mirrors 13.1 , 13.2 over twice angled, bendable during assembly for adjustment pads ("pads" or "legs"), z. B. 13.2a, 13.2b soldered to the local metallization 10 a of a carrier 10 .

Da bei longitudinalen Systemen durch die Kongruenz zwischen Pump- und Laser mode eine erzwungene Verstärkungsführung vorliegt, bedarf es bei diesem Laser typ grundsätzlich keiner weiteren verstärkungsführenden Elemente. Das Gaußprofil wird direkt gebildet.Because of the congruence between pump and laser in longitudinal systems If there is a forced gain control, this laser is required basically no other reinforcing elements. The Gaussian profile is formed directly.

Der Träger 10 ist durch eine zweifach kaskadierte Kühlanordnung aus drei Al₂O₃- Trägerplatten 10.1, 10.2 und 10.3 und jeweils ein dazwischenliegendes Array 10.4 bzw. 10.5 aus Peltierelementen gebildet. Eine solche Anordnung ist bei sich ändern den Umgebungstemperaturen bzw. veränderlichem 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 Temperaturfühler 16 angeordnet, über den die Tempera tur der Laservorrichtung abgefühlt und mit dessen Hilfe diese ggf. durch geeignete Ansteuerung der Peltierelemente zusätzlich geregelt werden kann.The carrier 10 is formed by a double-cascaded cooling arrangement from three Al ₂ O ₃ carrier plates 10.1 , 10.2 and 10.3 and in each case an array 10.4 or 10.5 in between of Peltier elements. Such an arrangement is geometrically highly stable with changing ambient temperatures or changing 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, by means of which the temperature of the laser device is sensed and with the aid of which this can be additionally regulated, if necessary, by suitable control of the Peltier elements.

Die Anordnung nach Fig. 6 kann in sehr ähnlichem Aufbau auch unter Einbezie hung eines Frequenzverdopplerkristalls ausgeführt sein, wobei dieser insbesondere auch mit dem vorderen Resonatorspiegel baulich integriert sein kann.The arrangement according to FIG. 6 can also be implemented in a very similar structure with the inclusion of a frequency doubler crystal, which in particular can also be structurally integrated with the front resonator mirror.

Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer elektrisch-thermischen Meß- und Steuerschaltung 100 zur Steuerung der Strahlparameter einer Festkörperlaservor richtung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Fig. 7 is a simplified block diagram of an electrical-thermal measuring and control circuit 100 for controlling the beam parameters of a solid-state laser device according to an advantageous embodiment of the invention.

Ausgegangen wird von einer Kühlanordnung für den Laserkristall gemäß Fig. 5c mit zwei einzeln ansteuerbaren Peltierelementen 5b' und 5c' oberhalb bzw. un terhalb des Laserkristalls 4 und zwei ebenfalls einzeln ansteuerbaren Heizelementen 5d' und 5e' zu beiden Seiten des Laserstabes.The starting point is a cooling arrangement for the laser crystal of FIG. Individually 5c with two controllable Peltier elements 5 b 'and 5 c' above terhalb or un of the laser crystal 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 optische Sensoranordnung in Gestalt einer CCD-Matrix 101, die gegenüber der vorderen lichtaustrittsfläche des Laserstabes 4 angeordnet ist, derart, daß auf ihr beim Betrieb des Lasers ein Bild des Laserstrahls erzeugt wird. Die Anzahl der Bildaufnahmelemente der Matrix wird entsprechend den Qualitätsanforderungen an den Laserstrahl gewählt.The measuring and control circuit 100 comprises a flat 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 , in such a way 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 Vorverarbeitungsein heit 102 zur Störbefreiung und Signalpegelanpassung verbunden. Deren Ausgang ist mit einem Eingang einer Vergleichereinheit 103 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Datenausgang eines Musterbildspeichers 104 verbunden ist, in dem mindestens ein vorgegebener Laserstrahlquerschnitt gespeichert ist, der bei der Steuerung bzw. Einstellung der Laservorrichtung zugrundegelegt werden soll. In der Vergleichereinheit 103 wird der reale, von der CCD-Matrix 101 aufgenom mene Strahlquerschnitt mit dem Muster-Strahlquerschnitt verglichen und am Ausgang eine das Vergleichsergebnis kennzeichende Signalfolge bereitgestellt. Verarbeitungsbreite und -geschwindigkeit der Einheiten 102 und 103 und die Speicherkapazität des Speichers 104 sind entsprechend der Anzahl der Bildauf nahmeelemente 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 is to be used as a 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 sample 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 Verarbeitungseinheit 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 furthermore in the usual way with a data memory (RAM) 106 and a program memory (for example an EPROM) 107 connected is.

Die Verarbeitungseinheit kann optional - was durch gestrichelte Linien dargestellt ist - auch mit dem Ausgang eines Temperaturfühlers 16 verbunden sein, so daß auch die Temperatur der 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 temperature of the laser arrangement is also 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 vor gespeicherten Daten zur Korrektur des T-Feldes im Laserkristall 1 durch Verände rung der Betriebsspannung der Kühlelemente 5b', 5c' und der Heizelemente 5d', 5e' ein Satz von Steuerdaten für die Spannungsversorgung der einzelnen Peltier elemente errechnet, der schließlich einer (mehrkanaligen) Spannungsversorgungs einheit 108 für die Kühl- und die Heizelemente zugeführt wird und eine entspre chende Einstellung der Betriebsspannungen und damit der Kühl- bzw. Heizleistun gen der Elemente bewirkt. Dies führt zu einer räumlich differenzierten Wärmeabfuhr über die Umfangsfläche des Laserstabes 4 und damit zu einer Einstellung der Gestalt des T-Feldes in diesem, mit der die gewünschten Laserstrahlparameter erzielt werden. Hierbei muß die Gestalt des T-Feldes (und damit des Brechzahlfel des) im Laserstab gar nicht erfaßt werden, da die Einstellung anhand der sich ergebenden Strahlform erfolgt. Die Einstellung der Spannungsversorgungseinheit kann nach Beendigung des Einstellvorganges verriegelt werden; eine Neueinstellung ist dann allenfalls erforderlich, wenn späterhin eine Verschlechterung der Strahlqua lität festgestellt werden sollte.In the processing unit 105 , a set of is called up by calling up a program and data previously stored to correct 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' Control data for the power supply of the individual Peltier elements is calculated, which is finally fed to a (multi-channel) power supply unit 108 for the cooling and heating elements and causes a corresponding setting of the operating voltages and thus the cooling or heating powers of the elements. 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 it, with which the desired laser beam parameters are achieved. The shape of the T-field (and thus the refractive index field of) in the laser rod need not be recorded at all, since the setting is made on the basis of the resulting beam shape. The setting of the voltage supply unit can be locked after completion of the setting process; A readjustment is only necessary if a deterioration in the beam quality should be determined later.

Das Verarbeitungsprogramm für die gemessenen Strahldaten kann bei der be schriebenen Anordnung ein iteratives Programm sein, wobei während der Ein stellung laufend die veränderten Strahlparamater erfaßt werden und einem näch sten Iterationsschritt zugrundegelegt werden können. Besonders vorteilhaft kann hier ein Fuzzy-Logic-Algorithmus angewendet werden.The processing program for the measured beam data can be at written arrangement be an iterative program, whereby during the one position the changed beam parameters are continuously recorded and a next most iteration step can be used as a basis. Can be particularly advantageous a fuzzy logic algorithm is used here.

Zur Darstellung der erfaßten Daten und Verarbeitungsergebnisse für einen Bediener und zur Beeinflussung des Verarbeitungsprozesses sind die genannten Komponen ten weiterhin jeweils mit einer Anzeige- und Eingabeeinheit 109 - etwa Bildschirm und Tastatur eines herkömmlichen PC - verbunden.To display the acquired data and processing results for an operator and to influence the processing process, the components mentioned are also 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 ange gebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The embodiment of the invention is not limited to the above given preferred embodiment. Rather, there are a number of variations conceivable which of the solution shown also fundamentally different make use of all types.

Claims

1. Solid-state laser device with an essentially rod- or plattenför shaped laser body ( 4 ) with a longitudinal axis (A) made of a laser-active medium, an axis parallel to the longitudinal axis arranged resonator ( 3.1 , 3.2 ; 13.1 , 13.2 ) and one essentially in the direction of the longitudinal axis radiating pump light source ( 1 ), which has an elongated beam exit surface, for excitation of the laser-active medium, temperature-setting means ( 5.1 , 5.2 ; 5 b ', 5 c', 5 d ', 5 e') on the peripheral surface of the laser body ( 4 ) for setting a predetermined temperature field (IT _b ) perpendicular to the direction of the longitudinal axis (A) in the operating state of the solid-state laser device such that the resulting refractive index field which forms in the pumped laser body ( 4 ) essentially has the shape of a spherical lens with a to the longitudinal axis ( A) has a parallel optical exit beam plane, characterized in that the temperature adjusting means an active heating and / or cooling device ( 5 b ', 5 c', 5 d ', 5 e'; 108 ) which, in a plane perpendicular to the longitudinal axis (A) of the laser body ( 4 ), in the circumferential direction in each case produces two alternating successive sections with a higher and with a lower peripheral temperature, the sections with a higher and those with a lower peripheral temperature being opposite each other and the sections with a lower peripheral temperature are arranged perpendicular to the direction of the longer extension of the light exit surface ( 1 a) of the pump light source ( 1 ).

2. Solid-state laser device according to claim 1, characterized in that the temperature setting means comprise an arrangement ( 5 ) for heat dissipation from the laser body to the environment, in a perpendicular to the longitudinal axis (A) of the laser body lying in the circumferential direction alternately alternating two sections with higher and has two sections ( 5.1 a, 5.2 a) with lower heat transfer resistance, the sections with higher and those with lower heat transfer resistance being opposite one another and the sections with lower heat transfer resistance perpendicular to the direction of the longer extension of the beam exit surface ( 1 a) of the pump light source ( 1 ) are arranged.

3. Solid-state laser device according to claim 2, characterized in that the arrangement for heat dissipation comprises at least one metallic heat-conducting body ( 5 ) with projections and recesses, the projections facing the laser body ( 4 ) and being in good thermal contact with its peripheral surface, so that they form the sections with lower heat transfer resistance, while the recesses each form a spacing area with poor thermal contact to the laser body ( 4 ) and thus form the sections with higher heat transfer resistance.

4. Solid-state laser device according to claim 3, characterized in that the projections each have a laser body ( 4 ) facing surface ( 5.1 a, 5.2 a) which is shaped corresponding to the peripheral surface of the laser body.

5. Solid-state laser device according to claim 4, characterized in that the laser body ( 4 ) is designed as a cylindrical rod and the projections have corresponding cylindrical section surfaces ( 5.1 a, 5.2 a).

6. Solid state laser device according to one of claims 1 to 5, characterized in that an active, in particular electrically operated, cooling device with in the circumferential direction of the laser body ( 4 ) at intervals arranged cooling elements or areas ( 5 b ', 5 c') is provided .

7. Solid-state laser device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a, in particular electrically operated, Heizvor direction with in the circumferential direction of the laser body ( 4 ) at intervals on ordered heating elements or areas ( 5 d ', 5 e') is provided .

8. Solid-state laser device according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that an electrically operated, especially after the Peltier effect working, heating / cooling device with in the circumferential direction of the Laser body alternately arranged cooling and heating areas vorese hen is.

9. Solid-state laser device according to one of the preceding claims, characterized in that the laser body ( 4 ) is a miniature laser crystal made of Nd- or Yb-doped YAG.

10. Solid-state laser device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one longitudinally irradiating to the laser body semiconductor laser ( 1 ) or a semiconductor diode is provided as a pump light source.

11. Solid-state laser device according to one of claims 2 to 10, characterized in that at least the laser body ( 4 ) with the resonator ( 13.1 , 13.2 ) and the arrangement for heat dissipation ( 15 ) and the active heating and / or cooling device as a coherent compact assembly pe is built on a carrier element ( 10 ).

12. Solid-state laser device according to claim 11, characterized in that the laser body ( 4 ) with the resonator ( 13.1 , 13.2 ) on a double cascaded Peltier element arrangement ( 10 ), in particular with Al ₂ O ₃ base plate ( 10.1 ), mounted as a carrier element, in particular soldered or glued on in a thermally conductive manner.

13. Solid-state laser device according to one of the preceding claims, characterized in that a processing device ( 105 ) is vorgese hen, the output side with a control input of the heating and / or cooling device ( 5 b ', 5 c', 5 d ', 5 e' ) is connected and via which a predetermined temperature profile perpendicular to the direction of the longitudinal axis (A) of the laser body ( 4 ) is set or maintained.

14. Solid-state laser device according to claim 13, characterized in that a with an input of the processing device ( 105 ) connected light sensor unit ( 101 ) for detecting the beam profile of the laser beam generated in the laser body by ( 4 ) is provided as a control variable for the temperature profile.

15. Solid state laser device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the compact assembly has a temperature sensor ( 16 ) for detecting the temperature, a control unit connected to its output ( 105 ) and a heating and / or cooling device connected to its output ( 5 b ', 5 c', 5 d ', 5 e') to maintain the temperature profile.