DE19749328B4 - Diodengepumpter Festkörperlaser mit austauschbarem Pumpmodul - Google Patents

Abstract

Transversal diodengepumpter Festkörperlaser (DFKL) mit einer, einen Diodenstapel (2) aufweisenden Pumplichtquelle (1), einem Laserstab (7) und einer Pumpkavität (8), wobei der Mittelpunkt der emittierenden Fläche (3) des Diodenstapels (2) eine definierte Raumlage zum Laserstab (7) bzw. zur Pumpkavität (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumplichtquelle (1), welche alternativ unterschiedliche Außenmaße aufweisen kann, in einem separaten Gehäuse untergebracht ist und so ein austauschbares Pumpmodul bildet,
daß im Gerätegehäuse (5) des DFKL eine Öffnung vorhanden ist, in welche das Pumpmodul eingeschoben werden kann und die mit Einschub des Pumpmoduls geschlossen wird,
daß im Gerätegehäuse (5) des DFKL und am Gehäuse des Pumpmoduls mechanische Mittel vorhanden sind, welche eine mechanische Schnittstelle für die Relativlage des Pumpmoduls zum Gerätegehäuse (5) des DFKL bilden,
daß der Laserstab. (7) bzw. die Pumpkavität (8) zu diesen im Gerätegehäuse (5) befindenden mechanischen Mitteln eine einmalig einjustierte Relativlage aufweisen und
daß der Mittelpunkt der...

Description

• Die Erfindung betrifft einen diodengepumpten Festkörperlaser (DFKL) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiger DFKL ist aus der Veröffentlichung „Compact 170W continuous-wave diode-pumped Nd:YAG rod laser with a cuspshaped reflector" von T. Brand (Optic Letters Vol. 20, S. 1776, 01.09.1995) bekannt.
• DFKL lösen aufgrund ihrer bedeutenden Vorteile auf vielen Anwendungsgebieten in zunehmendem Maße die lampengepumpten Laser ab. Durch die technologische Möglichkeit, eine Vielzahl von Laserdioden in einer Reihe (Diodenzeile) bzw. mehrere solcher Diodenzeilen übereinander als Stapel (Diodenstapel) anzuordnen, können Pumplichtquellen unterschiedlichster Pumpleistung gebildet werden.
• Darüber hinaus haben DFKL eine höhere elektrisch-optische Effektivität, eine längere Lebensdauer, eine bessere Strahlqualität aufgrund des geringeren Wärmeeintrags in das aktive Element, und derartige Systeme können aufgrund der geringen Wärmeabfuhr kompakter konstruiert werden.
• Demgegenüber stehen einige Nachteile.
• Der bedeutendste Nachteil ergibt sich aus der unterschiedlichen Divergenz der Diodenstrahlung in Richtung der schnellen Achse (senkrecht zum pn-Übergang) und in Richtung der langsamen Achse (parallel zum pn-Übergang) der Laserdioden.
• Die Strahlung der emittierende Fläche eines Diodenstapels mit einer Länge gleich der Diodenzeilenlänge und einer Breite gleich der Stapelhöhe, ist entsprechend eine gerichtete Strahlung mit einem Divergenzwinkel von ca. 15° über die Breite (langsame Achse) und ca.50° über die Länge (schnelle Achse) der emittierenden Fläche (Pumpstrahlung).
• Um einen hohen Einkoppelwirkungsgrad der Pumpstrahlung zu erreichen, muß diese in ihrer Richtung und Lage zu dem zu pumpenden aktiven Element, bzw. gegebenenfalls zu einer Einkoppeloptik, die auch eine Pumpkavität sein kann, justiert werden. D.h. praktisch, daß die Pumplichtquelle in einer bestimmten Relativlage zum aktiven Element bzw. zur Koppeloptik angeordnet werden muß. Dieses Erfordernis ist die Hauptursache dafür, daß die Pumplichtquelle bei einem DFKL nicht, wie es bei den lampengepumpten Festkörperlasern üblich ist und als besonderer Vorteil geschätzt wird, auf einfache Weise austauschbar ist.
• Nachteilig ist ebenfalls die elektrostatische Empfindlichkeit der Dioden, welche durch eine elektrostatische Entladung sofort irreparabel zerstört werden.
• Darüber hinaus bestehen hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Temperatur des Kühlwassers und die Sauberkeit der Umgebung. Eine Kondensation von Wasser an der Diode führt ebenso zu deren schnelleren Degradation.
• Die genannten grundsätzlichen Erfordernisse, insbesondere die Notwendigkeit der Einjustierung der definierten Relativlage, machen bei den meisten bekannten DFKL-Anordnungen ein einfaches Austauschen der Pumplichtquelle unmöglich.
• Ein transversales Pumpen des aktiven Elementes ohne Koppeloptik ist aufgrund der starken Divergenz der Pumpstrahlung in Richtung der schnellen Achse nur mit einzelnen Diodenzeilen möglich, die nah um das aktive Element radial verteilt angeordnet werden. Die Zahl der Diodenzeilen kann erhöht werden, wenn ihnen beispielsweise in Zeilenrichtung jeweils eine Zylinderlinse als Koppeloptik vorgeordnet wird.
• Die Pumplichtquelle ist entsprechend bei derartigen Lösungen eine Summe aus vielen separat angeordneten einzelnen Diodenzeilen, wobei jede Diodenzeile für sich zu ihrer Koppeloptik justiert werden muß. Konstruktive Lösungen, bei welchen der Nutzer selbst einen Austausch vornehmen kann, sind nicht möglich.
• Zum longitudinalen und transversalen Pumpen ist bekannt, die Strahlung einzelner oder auch mehrerer Diodenzeilen mittels z.T. recht komplizierter Koppeloptik so zusammenzuführen und zu formen, daß sie in eine Lichtleitfaser eingekoppelt werden kann.
• DFKL-Anordnungen mit fasergekoppelten Diodenzeilen sind z.B. aus US 5,127,068 , US 5,436,990 und US 5,446,749 bekannt. Diese Systeme sind geeignet, konstruktiv so gestaltet zu werden, daß die Diodenzeile mit der Koppeloptik und der Lichtleitfaser in einem kompakten Pumpmodul angeordnet wird, welches im Bedarfsfall komplett ausgetauscht werden kann. Da im wesentlichen nur die Einkopplung der Strahlung einzelner oder nur weniger Diodenzeilen in eine Lichtleitfaser möglich ist, ist die Möglichkeit einer Skalierung der Pumpleistung sehr begrenzt. Darüber hinaus werden derartige Pumpmodule, da sie die komplette Koppeloptik mit enthalten, recht teuer.
• In dem Artikel „Compact 170W continuous-wave diode-pumped Nd:YAG rod laser with a cusp-shaped reflector" von T. Brand (Optic Letters Vol. 20, S. 1776, 01.09.1995) wird ein transversal gepumpter DFKL beschrieben, bei welchem die Pumpstrahlung im wesentlichen über eine Pumpkavität in einen Laserstab reflektiert wird. Mittels dieser Pumpkavität ist es möglich, wie in dem Artikel beispielhaft beschrieben, die Pumpstrahlung eines Diodenstapels mit einer Ausdehnung von 1 cm (Diodenzeilenlänge) × 4,5 cm (Stapelhöhe) in einen Laserstab von 4 mm Durchmesser einzukoppeln. Diese extreme Stapelhöhe erlaubt eine bisher nicht bekannte Skalierung der Pumpleistung durch eine einzige Pumplichtquelle. Um den Laserstab effektiv zu pumpen, sollte die Mitte der emittierenden Fläche des Diodenstapels der Mitte des Laserstabes gegenüber und in einer solchen Entfernung zur Pumpkavität angeordnet sein, daß diese maximal ausgeleuchtet wird, ohne für die Pumpstrahlung bündelbegrenzend zu wirken.
• Das optische Prinzip der Einkopplung der Pumplichtstrahlung über eine reflektierende Pumpkavität stellt an die Genauigkeit der Justierung der Pumplichtquelle nicht so extrem hohe Anforderungen, wie sie bei den bekannten Einkopplungen mittels transmittierenden Einkoppeloptiken gestellt werden. Darüber hinaus ist eine derartige Anordnung besonders deshalb vorteilhaft, weil an der konstruktiven Dimensionierung der Pumpkavität, die diffus oder spekular reflektierend und in unterschiedlichen Geometrien ausgeführt sein kann, grundsätzlich keine Veränderungen vorgenommen werden müssen in Abhängigkeit der gewünschten Pumpleistung, die über die Stapelhöhe variiert werden kann.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, für einen transversal gepumpten DFKL eine Anordnung zu finden, die es erlaubt, die Pumplichtquelle mit einfachen Handgriffen und vor elektrostatischer Entladung der Dioden, mechanischer Belastung und Verschmutzung geschützt auszutauschen. Dieser Austausch soll sowohl bei Verschleiß durch den Austausch mit einer gleichen Pumplichtquelle möglich sein, als auch bei Bedarf nach einer anderen Pumpleistung durch den Austausch mit einer anderen Pumplichtquelle.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für einen DFKL mit einer einen Diodenstapel aufweisenden Pumplichtquelle, einem Laserstab und einer Pumpkavität, wobei der Mittelpunkt der emittierenden Fläche des Diodenstapels eine definierte Raumlage zum Laserstab bzw. zur Pumpkavität aufweist dadurch gelöst, daß die Pumplichtquelle in einem separaten Gehäuse in definierter Lage untergebracht ist und so ein austauschbares Pumpmodul bildet, welches in das Gerätegehäuse des DFKL eingeschoben, den Mittelpunkt der emittierende Fläche des Diodenstapels in die genannte definierte Raumlage anordnet.
• Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen:
• 1: ein zur Ausführung gemäß 3 passendes Pumpmodul in einer dem Laserstab zugewandten Ansicht
• 2: das in 1 dargestellte Pumpmodul in einer dem Laserstab abgewandten Ansicht
• 3: eine Ausführung eines erfindungsgemäßen DFKL beschränkt auf die Darstellung der zur Beschreibung wesentlichen Mittel ohne Pumpmodul
• 4: die in 3 dargestellte Ausführung mit Pumpmodul
• Das Kernstück des in 1 dargestellten Pumpmoduls bildet eine Pumplichtquelle 1, bestehend aus einem Diodenstapel 2, mit einer emittierenden Fläche 3 und einem Kühlsystem 4.
• Die Pumplichtquelle 1 ist in dieser Form handelsüblich erhältlich. Je nach unterschiedlicher Pumpleistung unterscheiden sich einzelne Ausführungen dieser Pumplichtquelle 1 in der Höhe des Diodenstapels 2, welche durch die Anzahl der übereinander angeordneten Diodenzeilen bestimmt wird. In Abhängigkeit von der unterschiedlichen Diodenstapelhöhe weisen die in der Pumpleistung unterschiedlichen Pumpmodule eine unterschiedliche Länge I auf. Die Breite b der Pumplichtquelle 1 wird im wesentlichen durch die Diodenzeilenlänge bestimmt und unterscheidet sich für die Pumplichtquellen 1 eines Herstellers in der Regel nicht. Damit sich der Mittelpunkt der emittierenden Fläche 3 nach Einschub des Pumpmoduls in die DFKL-Anordnung in der erforderlichen Relativlage zum Laserstab 7 bzw. der Pumpkavität 8 befindet, muß dieser innerhalb des Pumpmoduls in definierter Lage zu der Schnittstelle mit der DFKL-Anordnung, welche an späterer Stelle beschrieben wird, angeordnet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Länge der Pumplichtquellen 1, welche alternativ in das Pumpmodul eingefügt werden, bedarf es der Verschiebemöglichkeit in eine Raumrichtung, welche im konkreten Ausführungsbeispiel über die Justierschrauben 11 eingeräumt ist, während für die anderen Raumrichtungen Festanschläge vorhanden sind. Das Pumpmodul kann konstruktiv auch so ausgelegt werden, daß eine solche Verschiebemöglichkeit auch in zwei oder sogar drei Raumrichtungen möglich ist, falls alternativ auch Pumplichtquellen 1 anderer Hersteller mit anderen Außenmaßen verwendbar sein sollen.
• Das Gehäuse des Pumpmoduls erfüllt mehrere Funktionen.
• Es bietet allen im Inneren angeordneten Baugruppen, insbesondere der Pumplichtquelle 1 einen allseitigen mechanischen Schutz und schützt diese ebenfalls vor Verschmutzung und Feuchtigkeit. Im Bereich der eingefügten Pumplichtquelle 1 weist es in der Vorderwand 12.4 ein Fenster auf, welches mindestens so groß ist wie die emittierende Fläche 3 der leistungsstärksten einsetzbaren Pumplichtquelle 1. Des weiteren befindet sich in dem Deckel 12.2 dieses Gehäuses eine Öffnung, durch welche der Wasserzu- und der Wasserablaufstutzen ragen. Ebenfalls auf dem Deckel 12.2 ist ein Steckverbinder für den elektrischen Anschluß des Pumpmoduls vorhanden.
• Die äußere Form des Pumpmoduls und dessen Maße sind so gewählt, daß der Deckel 12.2 und die Rückwand 12.3 nach bestimmungsgemäßem Einschub in das Gerätegehäuse 5 des DFKL mit diesem ein einheitlich geschlossenes Gebilde darstellen (4). Mittels der beiden Schrauben 6 wird das Pumpmodul in dieser Lage fixiert. Der Steckverbinder sowie der Wasserzu- und der Wasserablauf sind bequem zugänglich.
• Innerhalb des Gehäuses ist vorteilhafterweise ein Relais 13 untergebracht, welches die Pumplichtquelle 1 außerhalb der Betriebszeit kurzschließt, um eine elektrostatische Entladung zu vermeiden.
• Mit dem Einschub des Pumpmoduls in das Gerätegehäuse 5 wird die emittierende Fläche 3 in die gewünschte Relativlage zum Laserstab 7 bzw. zur Pumpkavität 8 gebracht.
• Voraussetzung dafür ist, daß, wie bereits beschrieben, der Mittelpunkt der emittierenden Fläche 3 während der Montage des Pumpmoduls zu den die Schnittstelle zur DFKL-Anordnung bildenden Flächen justiert wird. Zur Erläuterung dieser Schnittstelle wurde ein kartesisches Koordinatensysten mit den Achsen x,y und z eingeführt (3). Der Koordinatenursprung ist in den Schwerpunkt des sich im Gerätegehäuse 5 des DFKL befindenden Laserstabes 7 gelegt, zu dem eine Pumpkavität 8 definiert angeordnet ist.
• Die Schnittstelle zwischen der DFKL-Anordnung und dem Pumpmodul ist über vorhandene mechanische Flächen in den drei Richtungen des Koordinatensystems definiert.
• Eine auf der Bodenfläche des Gerätegehäuses vorhandene Schlittenführung, bestehend aus zwei Führungsschienen 9, verkörpert die Schnittstelle seitens der DFKL-Anordnung in x- und y-Richtung, während die Kante dieser Bodenfläche im Bereich zwischen den Führungsschienen 9 als Anschlag dient und die Schnittstelle in z-Richtung verkörpert.
• Seitens des Pumpmoduls wird die Schnittstelle durch Gleitflächen an den sich gegenüberliegenden Seitenwänden 12.5 des Gehäuses, deren Abstand mit dem der Führungsschienen 9 übereinstimmt, und Gleitflächen an den angrenzenden Bereichen des Bodens 12.1 in x- und y-Richtung sowie einen Anschlag 10 an der Rückwand 12.3 in z-Richtung gebildet.
• Die Einfügung des Pumpmoduls über eine Schlittenführung bis zum Anschlag 10 ist eine besonders einfache konstruktive Lösung, um das Pumpmodul in definierter fester Raumlage im Gerätegehäuse 5 und damit zum Laserstab 7 bzw. der Pumpkavität 8 anzuordnen. Diese mechanische Schnittstelle ist mit fachmännischem Wissen auch anders gestaltbar. Das Pumpmodul kann z. B. auch ohne eine Führung in eine definierte Endlage geschoben werden, die durch drei entsprechend angeordnete Festanschläge definiert ist, oder das Pumpmodul rastet in der gewünschten Endlage in eine sogenannte „snap-in"-Verbindung ein.

1

Pumplichtquelle

2

Diodenstapel

3

emittierende Fläche

4

Kühlsystem

5

Gerätegehäuse des DFKL

6

Schraube

7

Laserstab

8

Pumpkavität

9

Führungsschiene

10

Anschlag

11

Justierschraube

12.1

Boden

12.2

Deckel

12.3

Rückwand

12.4

Vorderwand

12.5

Seitenwand

13

Relais

Claims (4)

1. Transversal diodengepumpter Festkörperlaser (DFKL) mit einer, einen Diodenstapel (2) aufweisenden Pumplichtquelle (1), einem Laserstab (7) und einer Pumpkavität (8), wobei der Mittelpunkt der emittierenden Fläche (3) des Diodenstapels (2) eine definierte Raumlage zum Laserstab (7) bzw. zur Pumpkavität (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquelle (1), welche alternativ unterschiedliche Außenmaße aufweisen kann, in einem separaten Gehäuse untergebracht ist und so ein austauschbares Pumpmodul bildet, daß im Gerätegehäuse (5) des DFKL eine Öffnung vorhanden ist, in welche das Pumpmodul eingeschoben werden kann und die mit Einschub des Pumpmoduls geschlossen wird, daß im Gerätegehäuse (5) des DFKL und am Gehäuse des Pumpmoduls mechanische Mittel vorhanden sind, welche eine mechanische Schnittstelle für die Relativlage des Pumpmoduls zum Gerätegehäuse (5) des DFKL bilden, daß der Laserstab. (7) bzw. die Pumpkavität (8) zu diesen im Gerätegehäuse (5) befindenden mechanischen Mitteln eine einmalig einjustierte Relativlage aufweisen und daß der Mittelpunkt der emittierende Fläche (3) zu diesen am Gerätegehäuse (5) befindenden mechanischen Mitteln in eine definierte Relativlage justiert ist.
2. DFKL nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel im Gerätegehäuse (5) eine aus zwei Führungsschienen (9) bestehende Schlittenführung und eine dazu senkrecht verlaufende Gehäusekante sind und die mechanischen Mittel am Gehäuse des Pumpmoduls drei zueinander senkrecht verlaufende Flächen am Gehäuse selbst sind.
3. DFKL nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Seiten des Gehäuses des Pumpmoduls dem Gerätegehäuse (5) so angepaßt sind, daß sie nach Einschub des Pumpmoduls in das Gerätegehäuse (5) von außen frei zugänglich sind und daß das Pumpmodul an diesen freien Seiten alle für die Betreibung der Pumplichtquelle (1) erforderlichen Medienanschlüsse, wie Wasserzu- und ablauf und Stromanschluß aufweist.
4. DFKL nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse des Pumpmoduls ein Relais (13) vorhanden ist, über welches die Pumplichtquelle (1) außerhalb der Betriebszeit kurzgeschlossen werden kann, um eine elektrostatische Entladung zu verhindern.