DE19631265A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Doppelbrechung bei Stablasern zwecks Verbesserung der Strahlqualität und Ausgangsleistung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Doppelbrechung bei Stablasern zwecks Verbesserung der Strahlqualität und Ausgangsleistung

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Description

Aufgabenstellung
Es ist bekannt, daß die spannungsinduzierte Doppelbrechung vieler Laserstäbe, beispielsweise von Nd:YAG-Stäben, eine Verschlechterung der Fokussierungseigenschaften des Laserstrahls bewirkt. Bei instabilen Resonatoren ist dafür die Ausbildung zweier Kugelwellen mit unterschiedlichen Krümmungsradien die Ursache [IEEE J. Quantum Electron. QE-29, 2497 (1993)]. Bei stabilen Resonatoren sind die Ränder des Stabilitätsbereiches, welche große Grundmode-Radien aufweisen, nicht für beide Polarisationsrichtungen bei derselben Eingangsleistung erreichbar, so daß hier drastische Leistungseinbußen auftreten [Optics & Laser Technology, Vol. 24, 67 (1992)]. Laser, welche einen resonatorinternen Polarisator zur Erzeugung linear polarisierter Strahlung besitzen, wird durch die Doppelbrechung der Resonatorverlust erhöht, was eine Reduktion der Laserausgangsleistung bewirkt [Opt. Quantum Electron. 25, 489 (1993)].
Bei instabilen und stabilen Resonatoren wird durch die dargestellten Effekte die Ausbildung gut fokussierbarer Laserstrahlen insbesondere höherer Leistung eingeschränkt, welche sowohl für die Direktanwendung in der Lasermaterialbearbeitung als auch für Frequenzumsetzungen notwendig sind.
Gleiches gilt für die resonatorexterne Verstärkung von Laserstrahlen durch Verstärkerstufen.
Stand der Technik
Diese Einschränkungen werden vermieden, indem die Polarisationsanteile geeignet gedreht werden, so daß nach mehreren Laserstab-Durchgängen eine gemittelte Brechkraft auf die Polarisationskomponenten wirkt. Bei Resonatoren mit zwei Laserköpfen kann zwischen die Laserköpfe ein 90°-Quarzrotator eingefügt werden [Appl. Phys. Lett. 18, 3(1971)]. Seiner Wirkungsweise liegt die optische Aktivität des Materials zugrunde: Sie dreht die Polarisation um einen der Materialdicke proportionalen Winkel. Die Drehrichtung hängt von der Ausbreitungsrichtung des Lichts ab. Die Kompensation ist jedoch nicht zufriedenstellend.
Um eine bessere Kompensation der Doppelbrechung zu erreichen, werden die dem Rotator zugewandten Hauptebenen der beiden Stäbe mittels einer 1 : 1-Abbildung mit einem Teleskop aufeinander abgebildet. Auch eine allgemeine Lösung für das abbildende System ist formuliert worden [Laseranordnung zur Kompensation der Doppelbrechung und der Bifokussierung in Lasermedien, Deutsche Patentanmeldung 1995, Lü, Q., Wittrock, U.].
Daher ist dieses Vorgehen bei Resonatoren mit einer ungeraden Anzahl von Laserstäben, insbesondere bei Einstab-Resonatoren, nicht möglich. Hier kann zum gleichen Zweck ein Faraday-Rotator verwendet werden. Die von ihm erzeugte Drehung der Polarisationsrichtung ist unabhängig von der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, so daß nach einer Reflexion an einem Resonatorspiegel bei erneutem Durchgang durch den Faraday-Rotator der Drehwinkel der Polarisationskomponente verdoppelt wird, beispielsweise von 45° auf 90°. Der Preis eines Faraday-Rotators übersteigt jedoch das Zehnfache des Preises eines Quarzrotators. Daher wird statt eines Einstab-Lasers meist ein Laser mit zwei kleineren Stäben und einem Quarzrotator aufgebaut. Nachteilig sind hierbei die höhere Anzahl von Einzelteilen mit Halterungen und Justiervorgängen. Für Laserhersteller ist damit eventuell der Aufbau einer zusätzlichen Baureihe verbunden.
Erfindungsgemäße Lösung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, welche die Verwendung eines Quarzrotators erlaubt, ohne einen zweiten Laserkopf in das System einzubeziehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Doppelbrechung bei Stablasern zwecks Verbesserung der Strahlqualität und Ausgangsleistung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Überraschenderweise konnte festgestellt werden, daß im Gegensatz zu sämtlichen bekannten vorgeschlagenen oder realisierten Lösungen auch bei einem Einkavitätenlaser mit Quarzrotator eineweitgehende Kompensation der Doppelbrechung erreicht wird, wenn:
  • - ein 90°-Quarzrotator direkt zwischen zwei identische, gleich gepumpte Teil-Laserstäbe positioniert wird, und
  • - die Abstände zwischen ihnen nur unbedeutend von Null verschieden sind und
  • - diese drei Komponenten axial justiert sind.
Dazu wird anstelle des Laserstabes ein integrales Verbundlaserstabmedium in eine Kavität eingesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung benutzt hierfür zwei möglichst identische Laserstäbe und einen Quarzrotator in unmittelbarem Abstand, welche an die Stelle des üblicherweise im Laserkopf befindlichen Laserstabes treten. Die Summe der Längen der zwei Stäbe und des Rotators ist gleich der Länge des ursprünglich in der Kavität vorhandenen Stabes. Diese Komponenten (Laserstab/Rotator/Laserstab) bilden ein integrales Laserstabmedium und werden in den Laserkopf eingesetzt, ohne daß Änderungen am bestehenden System notwendig sind. Die Durchmesser der Laserstäbe und des Quarzrotators sollen gleich sein. Die notwendige axiale Ausrichtung der Stäbe und des Rotators zueinander geschieht durch eine geeignete Verbindung.
Der Umbau vorhandener Systeme wird der vorhandene Laserstab mittig getrennt und um die Dicke des Rotators reduziert. Die neu entstandenen Endflächen werden poliert und entspiegelt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Abb. 1 schematische Darstellung des Verbundlaserstabmediums (Laserstab/Quarzrotator/Laserstab) mit einer geeigneten Halterung in Gegen­ überstellung mit dem üblicherweise verwendeten Laserstab.
Abb. 2 Mögliche Ausführungsformen einer Halterung als hohlzylinderförmige Manschette.
Abb. 3 und 4 Mögliche Ausbildung der Halterungsstirnflächen zwecks Positionierung der Komponenten Laserstab/Quarzrotator/Laserstab zueinander und zur Stab-Flowtube.
Abb. 5 Mögliche Ausführung der Halterung als Krone.
Abb. 6 Mögliche Halterung mit eingeklebten Stäben und die Position des so gebildeten integralen Verbundlaserstabmediums in der Flowtube.
Abb. 1 zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel die Prinzipskizze des aus den Komponenten Laserstab (2)/Quarzrotator (3)/Laserstab (2) gebildete integrale Verbundlaserstabmedium. Die Komponenten werden von einer geeignet ausgebildeten Manschette (4) gehaltert. Die Endflächen (5) der beiden Laserstäbe sind ebenso wie die Endflächen (6) des Quarzrotators entspiegelt. Werden die Endflächen des Quarzrotators geeignet teilverspiegelt, wirkt es wie ein Etalon. Die Länge des integralen Verbundlaserstabmediums ist gleich der Länge des üblicherweise verwendeten Laserstabes (1). Sie kann ihn ohne weitere Umbauten am Laser ersetzen.
Abb. 2 zeigt ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel der Halterung (4). In ihren Hohlraum (8) nimmt sie den Quarzrotator sowie ein kurzes Stück der Laserstäbe auf. An ihrer Mantelfläche sind Abstandshalter (7) vorhanden, welche die Anordnung bezüglich der Stabflowtube positionieren. Die Stirnseite trägt eine Fase (12), welche die Einführung der Laserstäbe erleichtert und mit geeignetem Klebstoff, z. B. Silikonkleber, aufgefüllt wird, um Eindringen von Kühlwasser in die Spalte zwischen Laserstab und Rotator zu verhindern.
Abb. 3 und Abb. 4 zeigen zwei der vielen verschiedene Möglichkeiten, die Manschette geeignet in der Stabflowtube zu positionieren, ohne den Kühlwasserdurchfluß unnötig zu behindern. Dazu dienen in Abb. 3 die in den bis an den Innenrand der Flowtube sich erstreckenden Stirnflächen der Manschette befindlichen Durchgangsbohrungen (7). In Abb. 4 wird der Abstand durch die Streben eingehalten.
In Abb. 5 ist eine zweite mögliche Formgebung eines Verbindungsstücks zwischen Rotator und Laserstäben skizziert. Es ist ähnlich wie ein Krönchen ausgebildet, welche bei Fingerringen Edelsteine mit kreisförmiger Grundfläche bzw. kreisförmiger Projektion halten. Die Streben (10) werden dabei so geformt, daß sie den Laserstab halten. Wenn die Mantelfläche Öffnungen (11) aufweist, wird die Pumplichtcharakteristik weniger gestört.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens zeigt Abb. 6 in einem weiteren erfindungsgemäßem Ausführungsbeispiel eine Detailskizze des aus den Komponenten Laserstab (2)/Quarzrotator (3)/Laserstab (2) gebildete integrale Verbundlaserstabmedium im Bereich der Halterung (4). Die Endflächen (5) der beiden Laserstäbe sind ebenso wie die Endflächen (6) des Quarzrotators entspiegelt. Die Halterung ist als Hohlzylinder mit Beinchen (9) ausgebildet. Sie positionieren an dieser Stelle das Verbundlaserstabmedium gegenüber der Stabflowtube (13). Die Stäbe (2) sind in die zentrale Öffnung (8) der Halterung eingeführt. Die Mantelfläche der Stäbe ist vor dem Zusammenbau in den einzuführenden Bereichen mit Klebstoff (14) benetzt worden, welcher teilweise während des Einführens abgestreift und in der Fase gesammelt wird, wodurch sich dort ein zusätzlicher dichtender und stabilisierender Wulst bildet. Geeignete Halterungsmaterialien sind Edelstähle und Gold. Als Klebstoff ist Silikonkleber geeignet.

Claims (43)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Doppelbrechung für Laser und Laserverstärker mit mindestens zwei Laserstäben unter Verwendung eines Polarisationsrotators, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstäbe und der Polarisationsrotator in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, dergestalt daß sie ein integrales Laserstabmedium bilden, welches anstelle eines einzigen Laserstabes in Laserköpfe und Verstärkerköpfe eingesetzt werden kann.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stäbe gleichen Materials, gleicher Länge und gleichen Durchmessers mit einem zwischen ihnen befindlichen 90°-Quarz-Polarisationsrotator gleichen Durchinessers unter Sicherstellung der axialen Positionierung den ursprünglich in der Kavität vorhandenen Stab desselben Durchinessers ersetzen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Langen der zwei Stäbe und des Rotators gleich der Länge des ursprünglich in der Kavität vorhandenen Stabes ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stäbe und der Rotator durch geeignete Fixierung eine mechanische Einheit bilden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischen den Komponenten Stab-Rotator-Stab keine Spalte bestehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten Stab-Rotator-Stab durch Ansprengen miteinander verbunden werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten Stab-Rotator-Stab durch Verkleben der Stirnflächen miteinander verbunden werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Komponenten StabRotator-Stab Spalte bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Axialität der Komponenten durch Halterungen bewirkt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung die Form eines Hohlzylinders geringer Wandstärke besitzt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung durch geeignete Ausformung die Komponenten transversal zu der Flowtube positioniert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fixierung in Stabachsenrichtung durch zwischen Halterung und Stabmantelflächen eingebrachten Klebstoff erfolgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9-10, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Kavität befindliche Kühlwasser nicht in die zwischen den Komponenten bestehenden Spalte dringen kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9-13, dadurch gekennzeichnet, daß Klebstoff zwischen Halterung und Stabmantelflächen das Eindringen von Kühlwasser in die zwischen den Komponenten bestehenden Spalte verhindert.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung gefasten Endflächen besitzt, welche die Einführung und Montage der Komponenten erleichtert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9-15, dadurch gekennzeichnet, daß der beim Montieren verwendete Klebstoff auch die Fase ausfüllt, wodurch zusätzlicher Schutz gegen eindringendes Kühlwasser besteht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung als Krönchen ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung als Spiralfeder ausgebildet ist, welche die Stäbe und den Rotator aufnimmt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei lange dünne Streben die Stäbe und den Rotator symmetrisch in der Flowtube haltern.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Reflexion der Staboberflächen und des Rotators durch Aufbringen reflexmindernder Beschichtungen vermindert wird.
21. Vorrichtung nach Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnel-Reflexion der Stabobenflächen und des Rotators durch Aufbringen reflexmindernder diffraktiver Strukturen vermindert wird.
22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-21, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Oberflächen der Stäbe und des Rotators durch Aufbringen einer Beschichtung mit radial abhängigen Reflexionsgrad als Modenblende ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Stäbe und des Rotators als Brewster-Endflächen ausgebildet sind.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe gekrümmte Endflächen haben.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine nach außen weisende Endfläche der Stäbe mit einer dielektrischen Beschichtung versehen ist.
26. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-25, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach außen weisende Endfläche eines Stabes mit einer dielektrischen Beschichtung ortsabhängigen Reflexionsgrades versehen ist.
27. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-26, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach außen weisende Endfläche eines Stabes mit einer hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung versehen ist.
28. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-27, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktiven Strukturen auf den Stabendflächen abbildende Eigenschaften haben.
29. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-28, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Linse der Baugruppe Stab/Rotator/Stab hinzugefügt wird.
30. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-29, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotator durch Parallelität und Qualität der Oberflächen sowie Grad der Verspiegelung als Etalon zur Erhöhung der Kohärenzlänge ausgebildet ist.
31. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-30, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotator durch zwei oder mehrere Rotatoren mit geeigneter Gesamtdicke ersetzt wird.
32. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-31, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung einen stellenweise reduzierten Innenradius aufweist, welche somit als Modenblende dient.
33. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-32, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe eine andere als Zirkulargeometrie aufweisen.
34. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-33, dadurch gekennzeichnet, daß sie in resonatorinternen Laserköpfen verwendet wird.
35. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-34, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einem instabilen Resonator verwendet wird.
36. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-34, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einem stabilen Resonator verwendet wird.
37. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-34, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einem Resonator aus planen Spiegeln verwendet wird.
38. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-37, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einem Resonator mit Gradientenspiegel-Auskoppler verwendet wird.
39. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-38, dadurch gekennzeichnet, daß sie in resonatorexternen Laserköpfen verwendet wird.
40. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-39, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Endflächen der Baugruppe Laserstab/Rotator/Laserstab durch geeignete Gestaltung als Dünnschichtpolarisator ausgebildet wird.
41. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-40, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Lange dem Kehrwert einer kleinen natürlichen Zahl n multipliziert mit der Lange des üblicherweise verwendeten Laserstabes entspricht, und die Vorrichtung n-fach kaskadiert in den Laserkopf eingesetzt wird.
42. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-41, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung des Rotators und der Stäbe als Hohlzylinder ausgebildet ist, deren äußere Mantelfläche riefenförmige Vertiefungen aufweist, welche das Kühlwasser führen.
43. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-42, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polarisator im Resonator vorhanden ist, um linear polarisierte Laserstrahlung zu erzeugen.
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