DE19643531C2

DE19643531C2 - Festkörperlaser

Info

Publication number: DE19643531C2
Application number: DE1996143531
Authority: DE
Inventors: Martin Edelmann; Robert Maag
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: DE19643531A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser mit einem gefaßten Kristall als aktives lasendes Medium und/oder mit einem gefaßten nichtlinearen Kristall, z. B. einem frequenzverdoppelnden Kristall.

Speziell bei Festkörperlasern ist für die einwandfreie Funktion wichtig, den Laserkristall stets spannungsfrei zu fassen und Effekten, wie Spannungsdoppelbrechung oder Kristallbrüchen, zuvor zu kommen. Auch müssen diese Kristallhalterungen gegenüber thermischen Ausdehnungen eine hohe Flexibilität und Stabilität besitzen. Dejustierungen des Laserkristalls sollen weitestgehend ausgeschlossen werden.

In der DE 35 22 443 A1 ist ein Festkörperlaser oder Festkörperlaserverstärker mit einem Slab als aktives Medium beschrieben und dargestellt, bei welchem der Slab in einem, eine gasdichte Kammer bildenden Halter mittels U-Profilen und elastischen Bändern spannungsfrei befestigt ist, so daß eine Gas- Flüssigkeitskühlung des Slab-Laserkopfes ermöglicht wird. Der Halter besteht aus einem Rahmen mit zwei Stegen, zwei Strahlröhren, zwei Eintrittsfenstern und zwei optischen Seitenfenstern. Die ganze Einrichtung ist relativ aufwendig im Aufbau, da viele Bauteile vorgesehen sind.

Aus der EP 0 587 092 A1 ist eine spannungsfreie Halterung für das lasende Medium eines Festkörperlasers bekannt, bei welcher, das Lasermedium umschließend, eine transparente, gut wärmeleitende Schicht aus einem Silicongel zwischen dem Lasermedium und einer transparenten Hülse vorgesehen ist, welche an ihrem Umfang an ein Kühlmittel grenzt.

In der DE 44 33 888 A1 ist ein Festkörperlaser und eine Laserbearbeitungsvorrichtung beschrieben, wobei das Lasermedium zur Kühlung von Kühlwasser umströmt wird. Die Halterung des Lasermediums erfolgt an seinen Enden durch eine Silicongummiplatte. Zur Aufnahme des Kühlmittels sind Ausnehmungen und Nuten vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine weitestgehend spannungsfreie, flexible und gleichzeitig stabile Fassung oder Halterung für einen Laserkristall und/oder für nichtlineare Kristalle für Festkörperlaser zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Festkörperlaser mit einem in einer Halterung gefaßten Laserkristall mit den im ersten Anspruch vorgesehenen Mitteln gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind weitere Ausführungen der Erfindung und/oder Einzelheiten dazu dargelegt.

So ist es vorteilhaft, wenn als Ausweichraum in der Wand des Hohlraums mindestens eine Nut oder Rille eingearbeitet ist, in welche der fließfähige Werkstoff im Bedarfsfalle hineinfließen kann. Anstelle von Rillen bzw. Nuten können auch Vertiefungen in der Wand des Hohlraumes vorgesehen sein. Der Hohlraum ist fertigungstechnisch mit geringem Aufwand herstellbar, wenn er als Bohrung ausgeführt ist. Gleiches trifft auch zu, wenn die Nuten oder Rillen nach Art eines ein- oder mehrgängigen Gewindes oder nach Art des Verlaufes der Züge in einem Gewehrlauf mit entsprechender Steigung verlaufen, wobei das Profil oder der Querschnitt dieser Rillen oder Nuten bogenförmig oder durch einen Polygonzug umgrenzt ist, wobei hier an drei-, vier- oder mehreckige oder kreisbogenförmige Querschnitte gedacht ist. Die Steigung dieser gewindeartig verlaufenden Rillen oder Nuten kann in weiten Grenzen zwischen 0° und 90° variiert werden. So können auch die Rillen oder Nuten wie Einstiche mit den genannten Profilen ausgeführt sein. Bei diesen Ausführungen beträgt dann die Steigung 0°.

Eine gleiche Wirkung in Bezug auf eine sichere Halterung eines stab- oder plattenförmigen Laser- oder nichtlinearen Kristalls wird errreicht, wenn mehrere parallele Nuten oder Rillen vorgesehen sind, die parallel zur Mittelachse der Bohrung verlaufen, wobei auch hier bogenförmig oder durch einen Polygonzug begrenzte Profile verwendet werden. Im übrigen können günstigerweise alle gängigen Gewindeprofile, die in der Technik vorkommen, als Querschnittsprofile für die Nuten oder Rillen verwendet werden. Desgleichen sind verschieden gestaltete Vertiefungen denkbar, so z. B. Kugelkalotten, Pyramidenstümpfe oder auch quaderförmige oder würfelförmige Eindrücke in der Wand der Bohrung.

Eine andere Möglichkeit, die gestellte Aufgabe zu lösen, ergibt sich, wenn die Schicht oder Folie, die den jeweils verwendeten Kristall umgibt, an der dem Kristall abgewandten Fläche mit einer Struktur versehen ist und mit dieser Fläche an der Wand der Bohrung anliegt. Vorteilhaft sind auch in dieser Schicht oder Folie an der der Bohrungswand benachbarten Fläche Rillen, Vertiefungen oder Erhebungen vorgesehen. Eine leichte Montage ergibt sich dadurch, daß die Halterung aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt ist und mit einem Hohlraum zur Aufnahme des Kristalls versehen ist.

Es ist vorteilhaft, wenn der Hohlraum einen dem Laserkristall angepaßten Querschnitt besitzt.

Die Fassung oder Halterung ist vorteilhaft anwendbar für lasende und nichtlineare Kristalle, die in Festkörperlasern Anwendung finden. Als lasende Kristalle sind unter anderem Nd:YAG-Kristalle und als nichtlineare Kristalle an sich bekannte KTP-Kristalle (Kaliumtitanylphosphat) vorgesehen.

Vorteilhaft ist ferner, wenn bei Verwendung eines gefaßten Kristalls mit in verschiedenen Richtungen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ausweichraum in diesen Richtungen unterschiedliche Formen und/oder Abmessungen besitzt.

Die gestellte Aufgabe kann auch, wenn auch mit einem zusätzlichen Element, bei einem Festkörperlaser mit mindestens einem gefaßten Kristall gelöst werden, in dem der Kristall in einer Halterung angeordnet ist, wobei dieser Kristall an seinem Umfang mit einer Schicht oder Folie aus fließfähigem Material belegt ist. Diese Halterung hat ebenfalls einen Hohlraum, wobei zum Ausgleich des durch thermische Ausdehnung und durch Fertigungstoleranzen bedingten, variablen Volumens des Kristalls zwischen der Innenwand des Hohlraums und der Außenfläche der Schicht eine gewindefederförmige oder netzartige Hülse angeordnet ist.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des gefaßten Laserkristalls,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Halterung für einen Kristall mit Kreisquerschnitt,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Halterung für einen Kristall mit Quadratquerschnitt,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Halterung mit gewindeähnlichen Rillen und Nuten,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Halterung mit verschiedenen Einstichen,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Halterung mit zur Mittelachse parallelen Nuten,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Halterung mit Vertiefungen und

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Halterung mit profilierter Schicht oder Folie und

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine Halterung mit Hülse.

In der perspektivischen Darstellung nach Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Halterung 1 mit einem darin befindlichen Hohlraum 2, der als Bohrung ausgeführt ist, gezeigt, wobei in der Wand des Hohlraums 2 Rillen 3 oder Nuten eingearbeitet sind. Von dem Hohlkörper 1 ist nur die eine Hälfte dargestellt, um die Lage eines darin angeordneten stabförmigen nichtlinearen Kristalls oder stabförmigen Laserkristalls mit auf seiner Oberfläche aufgebrachter Schicht 5 oder Folie aus fließfähigem Werkstoff zeigen zu können. Im folgenden Text wird der Einfachheit halber nur von einem Kristall 4 gesprochen. Es ist darunter jedoch auch ein nichtlinearer Kristall und/oder ein lasender Kristall zu verstehen, wie er u. a. zur Frequenzverdoppelung bei Festkörperlasern verwendet wird. Bei dieser Ausführung der Schicht 5, welche an der der Wand des Hohlraums 2 zugewandten Seite keine Struktur besitzt, liegt die Schicht 5 an den nach Innen in den Hohlraum hineinragenden Erhebungen der Rillen 3 an. So ist zum Ausgleich temperaturbedingter oder durch Fertigungstoleranzen bedingter Abweichungen des Durchmessers des Kristalls 4 durch die Rille 3 ein Ausweichraum geschaffen, in den der Werkstoff, aus dem die Schicht 5 besteht, abfließen und damit ausweichen kann. Diese Schicht 5 besteht aus Indium oder einem anderen weichen Werkstoff, der eine gewünschte Fließfähigkeit und vorteilhaft auch eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, wobei die Wärmeleitfähigkeit nicht unbedingte Notwendigkeit für die Lösung der gestellten Aufgabe ist.

In dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Festkörperlaser mit gefaßtem Kristall 4 ist eine aus zwei Teilen 1.1 und 1.2 zusammengesetzte Halterung 1 ersichtlich. Ein in der Halterung 1 gelagerter Kristall 4.1 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt und ist mit der Schicht 5 belegt. In der Innenfläche des Hohlraums der Halterung 1 sind Rillen 3 eingearbeitet, die ein unterschiedliches Querschnittsprofil besitzen. Der Einfachheit halber sind in dieser Fig. 2 drei- und viereckige Profile 6 und 7, trapezförmige, also durch Polygonzug begrenzte, sowie bogenförmige Profile 8 und 9 in unterschiedlichen Größen dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Halterung 1, in der ein, einen quadratischen Querschnitt besitzender Kristall 4.2 gelagert ist. In den Wänden der Teile 1.3 und 1.4 der Halterung 1 sind ebenfalls Rillen 3 oder Nuten unterschiedlichen Querschnitts und unterschiedlicher Größe eingearbeitet, die durch die Bezugszeichen 6; 7; 8; 9 gekennzeichnet sind. Zweckmäßig wird man in der Praxis jedoch bei einer Halterung gleichgeformte Rillen 3 verwenden.

Aus Fig. 4 ist der axiale Verlauf der Rillen 3 ersichtlich. Es sind bogenförmig begrenzte Rillen 3 in der Wand des als Bohrung ausgeführten Hohlraums 2 der Halterung 1 vorgesehen, die nach Art eines mehrgängigen Gewindes verlaufen. Bei entsprechender Steigung kann auch nur eine Rille 3 vorgesehen werden.

Fig. 5 zeigt eine Halterung 1, mit in der Wand des Hohlraums 2 umlaufend ohne Steigung eingearbeiteten Rillen 10 mit unterschiedlichem Profil. Zweckmäßigerweise wird man sich in der Praxis jedoch für ein einziges geeignetes Profil je Halterung entscheiden.

Bei der Halterung 1 nach Fig. 6 sind Rillen 11 oder entsprechende Nuten in der Wand des Hohlraums 2 vorgesehen, die parallel zur Mittelachse 12 des Hohlraums 2 verlaufen.

In der Wand der Halterung 1 nach Fig. 7 sind anstelle von Rillen verschieden gestaltete Vertiefungen 13 eingearbeitet, in welche der Werkstoff der den Laserkristall umgebenden Schicht abfließen kann.

In Fig. 8 ist in einem Querschnitt durch eine aus zwei Teilen 1.1 und 1.2 zusammengesetzte Halterung 1 mit einer in Inneren angeordneten glatten Bohrung 14 als Hohlraum dargestellt. Ein zylindrischer stabförmiger oder scheibenförmiger Laserkristall 4 ist zentral angeordnet. Er ist mit einer Schicht 15 umgeben, welche an der dem Laserkristall 1 abgewandten Fläche, die an der Wand der Bohrung 14 anliegt, mit einer Struktur 16 versehen ist. Diese strukturierte Schicht 15 besitzt vorteilhaft Rillen 17, Vertiefungen oder auch Erhebungen. Sind Erhebungen vorgesehen, so liegen diese an der Wand der Bohrung 14 an (nicht dargestellt). Diese Rillen 17 können analog zu den in der Wand des Hohlraums 2 eingearbeiteten Rillen 3 oder Nuten gemäß Fig. 3 bis 5 gestaltet sein. Sie können gewindeartig und auch ringförmig ausgestaltet sein. Auch kann das Querschnittsprofil der Rillen 17 und die Form der Vertiefungen oder Erhebungen der Schicht 15, die weiter oben im Zusammenhang mit der Beschreibung zu den Fig. 3 bis 5 dargelegte Gestalt besitzen. Diese Ausführungsform nach Fig. 8 hat z. B. den Vorteil, daß die Rillen 17, die Erhebungen oder auch die Vertiefungen auch mit spanlosen Bearbeitungsmethoden in die Schicht eingeprägt werden können. Natürlich ist auch eine spanende, oder chemische Erzeugung dieser Strukturen in der Schicht 17 denkbar.

In den Figuren sind zwar nur runde und quadratische stabförmige Laserkristalle dargestellt und im Text beschrieben. Natürlich sind auch andere Querschnitte des Laserstabes denkbar. So sind auch lasende Kristalle mit einem durch einen Polygonzug mit mehr als vier Seitenflächen begrenzten Querschnitt oder mit einem anderen als mit einem Kreisbogen begrenzten Querschnitt möglich. Der Querschnitt des Hohlraumes und der Bohrung ist zweckmäßig dem Querschnitt des Laserkristalls anzupassen.

In Fig. 9 ist eine Halterung 1 dargestellt, bei welcher zwischen der Innenwand 20 des Hohlraums 2 und der den Kristall 4 umgebenden Schicht 5 oder Folie eine Ausweichraum 19 schaffende Hülse 18 vorgesehen ist. Diese Hülse 18 kann aus gewindeartig aus einem Draht hergestellt sein. Auch kann die Hülse 18 zylinderartig geformt sein und in ihrer Wand Ausweichraum schaffende Durchbrüche besitzen (nicht dargestellt). Die Abmessungen dieser Hülsen 18 richten sich nach den Abmessungen des Hohlraums 2 und der Kristalls 4. Das Querschnittsprofil des Drahtes kann kreisförmig sein oder auch durch einen geschlossenen Linienzug umgrenzt sein. Desgleichen können die Durchbrüche in der Hülse die verschiedensten geeigneten Formen annehmen.

Claims

1. Festkörperlaser mit mindestens einem an seinem Umfang gefaßten Kristall,
mit einer Halterung (1), in der der Kristall (4) angeordnet ist, wobei dieser an seinem Umfang mit einer Schicht (5; 15) oder Folie aus Indium oder einem anderen weichen Werkstoff belegt ist,
und mit einem Hohlraum (2) in der Halterung (1), wobei zum Ausgleich des durch thermische Ausdehnung und durch Fertigungstoleranzen bedingten, variablen Volumens des Laserkristalls (4) in der Wand des Hohlraums (2) oder in der Schicht (15) Ausweichraum für die Schicht oder Folie vorgesehen ist.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausweichraum in der Wand des Hohlraums (2) mindestens eine Nut oder Rille (3; 10; 11) und/oder Vertiefung (13) vorgesehen ist.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (2) als Bohrung (14) ausgeführt ist.

4. Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Nut oder Rille (3) nach Art eines ein- oder mehrgängigen Innengewindes ausgebildet ist und ein bogenförmig oder durch einen Polygonzug begrenztes Profil besitzt.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 2 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Rille (10) oder Nut umlaufend ohne Steigung in die Wand der Bohrung eingearbeitet ist und ein bogenförmig oder durch einen Polygonzug begrenztes Profil besitzt.

6. Festkörperlaser nach Anspruch 2 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Rille (11) oder Nut, parallel zur Mittelachse (12) der Bohrung verlaufend, in deren Wand eingearbeitet ist und ein bogenförmig oder durch einen Polygonzug begrenztes Profil besitzt.

7. Festkörperlaser nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil der mindestens einen Rille (3; 10; 11) oder Nut drei-, vier- oder mehreckig oder kreisbogenförmig ist.

8. Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Vertiefung (13) in der Wand des Hohlraums (2) die Gestalt einer Kalotte, eines Pyramidenstumpfes, eines Quaders oder Würfels oder eines anderen pyramidenartigen Körpers besitzt.

9. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die den Kristall (4) umgebende Schicht (15) oder Folie an der dem Kristall (4) abgewandten Fläche mit einer Struktur (16) versehen ist und mit dieser Fläche an der Wand des Hohlraums anliegt.

10. Festkörperlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kristall (4) umgebende Schicht (15) oder Folie an der dem Kristall (4) abgewandten Fläche Rillen (17), Vertiefungen oder Erhebungen besitzt.

11. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (1) aus mindestens zwei Teilen (1.1; 1.2 bzw. 1.3; 1.4) zusammengesetzt und mit einem Hohlraum (2) zur Aufnahme des Kristalls (4; 4.1; 4.2) versehen ist.

12. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Indium oder der andere weiche Werkstoff der Schicht (5; 15) oder Folie eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.

13. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (2) und die Bohrung (14) ein dem Querschnitt des Kristalls (4; 4.1; 4.2) angepaßten Querschnitt besitzen.

14. Festkörperlaser nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (4; 4.1; 4.2) ein aktiver lasender Kristall oder ein nichtlinearer Kristall ist.

15. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (4; 4.1; 4.2) in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzt und der Ausweichraum in diesen Richtungen unterschiedliche Abmessungen und/oder Formen besitzt.

16. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung von Ausweichraum (19) für das durch thermische Ausdehnung und durch Fertigungstoleranzen bedingte, variable Volumens des Kristalls (4) zwischen der Schicht (5) oder Folie und der Innenwand (20) des Hohlraums (2) eine gewindefederartige oder netzartige Hülse (18) angeordnet ist.