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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperlaservorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentansprüches
1 zum Erzeugen von Laserlicht durch optisches Pumpen eines Festkörpermediums.
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Im
allgemeinen weist eine Festkörperlaservorrichtung
einen Laserstab als ein Festkörperlasermedium
auf, wobei dieser Laserlicht durch optisches Pumpen des Laserstabes
zu erzeugen vermag. Falls der Laserstab innerhalb eines optischen
Resonators angeordnet ist, wird das vom Laserstab erzeugte Laserlicht
durch den optischen Resonator verstärkt, um eine Schwingungsausgabe
zu erzeugen.
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Zum
optischen Pumpen des Laserstabes sind eine Bogenlampe, eine Blitzlichtlampe,
ein Halbleiterlaser etc. als eine Pumplichtquelle bekannt, und neuerdings
kann ein Halbleiterlaser oft zum Ausgeben von Pumplicht einer vorgegebenen
Wellenlänge verwendet
werden, das in dem Laserstab absorbiert wird. Auf diese Weise ist
es möglich,
den Laserstab wirksam optisch zu pumpen.
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Bei
einem Halbleiterlaser mit hoher Ausgangsleistung, der auf dem Markt
erhältlich
ist, wird von einer gestapelten Einheit Gebrauch gemacht, die eine
Mehrzahl von Halbleiterlasern mit niedriger Ausgangsleistung aufweist,
die in einer Stapelanordnung angeordnet sind, wobei jeder derselben
einen kleinen lichtemittierenden Abschnitt aufweist. Da solche Halbleiterlaser
mit hoher Ausgangsleistung eine Mehrzahl von solchen lichtemittierenden
Abschnitten aufweisen, ergibt sich eine nachteilige Wirkung auf erhaltene
Ausgabestrahlen. Insbesondere um zu ermöglichen, daß Pumplicht mit einem größeren Divergenzwinkel
von dem Halbleiterlaser mit weniger Verlust auf den Laserstab einfällt, wird
eine Kollimationslinse nahe dem lichtemittierenden Abschnitt angeordnet,
wodurch der Divergenzwinkel des Pumpstrahls verringert wird, woraufhin
ein Muster (Lichtstrahl) des gepumpten Lichts, das nach dem Laserstab
hin auszurichten ist, in eine Mehrzahl von Strahlen aufgeteilt wird.
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Daher
kann der Laserstab nicht gleichförmig mit
der Strahlausgabe von Halbleiterlasern gepumpt werden, wodurch eine örtliche
Belastungskonzentration und Temperaturerhöhung erzeugt wird, und folglich
wird der Laserstab beschädigt.
Als Ergebnis weist das Laserlicht von dem Laserstab eine nicht gleichförmige Intensitätsverteilung
auf, die vom gepumpten Zustand abhängig ist. Ferner entsteht eine örtliche
Wärmelinsenwirkung,
was folglich zu einer Qualitätsminderung
des Strahls führt.
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Um
ein derartiges Problem zu vermeiden, weist gemäß 1 ein Rohr 2 einen aufgenommenen
Laserstab 1 und ein durch dieses fließende Kühlmedium auf, um den Laserstab 1 zu
kühlen,
sowie eine auf einer Außenumfangsoberfläche desselben gebildete
diffus streuende Oberfläche 3 auf.
Außerdem
ist das Rohr 2 in ein Einführungsloch 5 in einer Platte 4 eingeführt, und
vier sich verjüngende
Lichtleitdurchgänge 6 sind
in der Platte 4 in 90°-Intervallen um
den Umfang des Rohres 2 ausgebildet. Strahlen P, die von
einem entsprechenden Halbleiterlaser 7 gepumpt werden,
gehen durch den entsprechenden Lichtleitweg 6.
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Folglich
fallen die Strahlen P, die durch die Lichtleitdurchgänge 6 durchgehen,
während
sie auf der Innenoberfläche
des Lichleitdurchgangs 6 reflektiert werden, auf eine diffus
streuende Oberfläche
an dem Außenumfang
des Rohres 2. Die Strahlen, die an der diffus streuenden
Oberfläche 3 gestreut
werden, werden durch das Rohr 2 übertragen, um den Laserstab 1 optisch
zu pumpen.
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Gemäß einer
derartigen Struktur werden die Strahlen P, die auf den Laserstab 1 gerichtet
sind, an dem Lichtleitdurchgang 6 und der Oberfläche 3 gestreut,
wodurch es möglich
ist, den Laserstab 1 durch die Strahlen P von dem Halbleiterlaser
optisch zu pumpen.
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Da
jedoch diejenigen Strahlen P, die über den Lichtleitdurchgang 6 zur
Oberfläche 3 am
Rohr 2 gelenkt werden, einer Reflexion auf der Oberfläche 3 ausgesetzt
sind, ergab sich ein größerer Verlust
aufgrund der Reflexion des Strahls P, und es kam gelegentlich zu
einer Verminderung der Pumpwirksamkeit. Manchmal traten Fälle auf,
bei denen die Platte 4 Wärme durch an der Oberfläche 3 reflektierte Strahlen
erzeugte und außerdem
kam es zu einer Wärmetransformation
auf der Platte 4. Um eine derartige Wärmetransformation zu verhindern,
war es manchmal notwendig, die Platte 4 zu kühlen.
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Es
wurde ferner in Erwägung
gezogen, als weiteres Mittel eine diffus streuende Oberfläche am Außenumfang
des Laserstabes zu bilden, wodurch Strahlen gestreut werden. Da
es in diesem Fall nicht möglich
ist, einen geeigneten Abstand der Strahlen auf der diffus streuenden
Oberfläche
zu schaffen, werden auf den Laserstab auffallende Strahlen mit geringerer
Wahrscheinlichkeit gestreut, wodurch es mißlingt, den Laserstab gleichförmig zu
pumpen.
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Aus
der
DE 19515635 A1 ist
eine Festkörperlaservorrichtung
bekannt, bei der Innenumfangsoberflächen des Rohrzylinders selektiv
verspiegelt sind, um die Reflexion des nicht-absorbierten Lichtstrahls
zu verbessern.
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Die
DE 4027559 A1 beschreibt
einen Festkörperlaser,
bei der eine Lichtquelle und ein laseraktives Material innerhalb
einer Kavität
angeordnet sind. Deshalb muß die
Innenumfangsoberfläche
der Kavität
zwangsläufig
verspiegelt sein, um das Licht der Lichtquelle zum laseraktiven
Material hin zu reflektieren.
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Schließlich offenbart
die
DE 3724022 A eine weitere
Festkörperlaservorrichtung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1. Bei dieser
Vorrichtung befindet sich ein laseraktives Medium in einem Rohr,
das sich über
die Länge
des laseraktiven Mediums erstreckt und zu der Laserachse im wesentlichen
koaxial ist. Das Rohr besteht aus einem Material, das für optische
Strahlungen durchlässig
ist, z.B. optisch klares Glas. Eine äußere Oberfläche des Rohrs ist, vorzugsweise
durch Aufrauen, in die Lage versetzt, Lichtstrahlung zu zerstreuen.
Zwei Füllkörper aus
optisch klarem Glas, jeweils mit halbkreisförmigem Querschnitt, sind an
der Innenoberfläche
des Rohrs befestigt, so dass ebene Glasoberflächen mit Abstand von den Arbeitsseitenflächen des laseraktiven
Mediums vorhanden sind. Dadurch entsteht ein Fluidkanal zwischen
der Füllkörperoberfläche mit
der Arbeitsseitenfläche
des laseraktiven Mediums. Rohrförmige
Lampen sind jeweils parallel zu den Arbeitsseitenflächen des
laseraktiven Mediums außerhalb
des Rohrs angeordnet und erzeugen die optische Strahlung um das
laseraktive Medium optisch zu pumpen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Festkörperlaservorrichtung
bereitzustellen, deren Wirksamkeit verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Festkörperlaservorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Schnittansicht, die eine herkömmliche
Festkörperlaservorrichtung
darstellt;
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2 eine
Schittansicht längs
einer Lichtachsenrichtung einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
vergrößerte Schnittansicht
in Achsenrichtung über
einen Laserstab einer Festkörperlaservorrichtung;
wird
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4 eine
perspektivische Ansicht, die in einem Stapel angeordnete Halbleiterlaser
in 2 darstellt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 2 bis 4 erläutert.
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Eine
Festkörperlaservorrichtung
der Erfindung weist gemäß 2 ein
erstes Rohr 11, wie zum Beispiel ein Quarzrohr, auf. Das
erste Rohr 11 wird flüssigkeitsdicht
durch ein Paar von Blöcken 12 getragen,
wobei ein Ende des ersten Rohres in einer Haltenut 13 in
dem zugeordneten Block 12 und das andere Ende des ersten
Rohres in einer Haltenut 13 in dem zugeordneten Block 12 eingeführt ist.
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Ein
Laserstab 14 ist als ein Festkörperlasermedium in das erste
Rohr 11 eingeführt.
Von einem Paar von Halterungs-Rohrstutzen 15 wird
einer über das
eine Ende des ersten Rohres 11 und einer über das
andere Ende des ersten Rohres 11 flüssigkeitsdicht eingepaßt. Das
andere Ende der betreffenden Halterungs-Rohrstutzen 15 wird
flüssigkeitsdicht
in einem entsprechenden Durchgangsloch 16 in dem entsprechenden
Block 12 gehaltert, indem er in das entsprechende Durchgangsloch 16 im
Block 12 eingeführt
wird.
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Ein
hochreflektierender Spiegel 17 ist flüssigkeitsdicht an der einen
Endseite des Halterungs-Rohrstutzens 15 gehaltert, um einer
Endfläche des
Laserstabs 14 gegenüberzustehen.
Ein Ausgabespiegel 18 ist flüssigkeitsdicht in der anderen
Endseite des anderen Halterungs-Rohrstutzens 15 gehaltert,
um der anderen Endfläche
des Laserstabs 14 gegenüberzustehen.
Der hochreflektierende Spiegel 17 und der Ausgabespiegel 18 bilden
einen optischen Resonator, und das Laserlicht L erzeugt, wie oben
dargestellt, eine Schwingungsausgabe durch den Ausgabespiegel durch
optisches Pumpen des Laserstabes 14.
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In
einem der Blöcke 12 ist
auf einer Seite des ersten Rohres 11 ein Zuführkanal 19 ausgebildet,
um mit einem Inneren des Rohres 11 in Verbindung zu stehen,
während
in dem anderen Block ein Austragskanal 21 auf der anderen
Seite des Rohres 11 ausgebildet ist, um mit dem Inneren
des Rohres 11 in Verbindung zu stehen. Ein Kühlmedium
X, wie zum Beispiel reines Wasser, wird über den Zuführkanal 19 in das
Rohr 11 zugeführt,
um den Laserstab 14 zu kühlen. Das Kühlmedium X, das in das erste
Rohr 11 zugeführt
wird, kühlt
den Laserstab und wird vom Austragskanal 21 ausgetragen.
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Der
Austragskanal 21 ist mit einer kleineren Querschnittsfläche als
der Zuführkanal 19 gefertigt, so
daß ein
Durchflußkanalwiderstand
so eingestellt ist, daß er
größer als
der des Zuführkanals
ist.
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Daher
füllt das
Kühlmedium
X, das über
den Zuführkanal 19 dem
ersten Rohr 11 zugeführt
wird, das Rohr 11 und wird von dem Austragskanal 21 ausgetragen.
Das heißt,
das Kühlmedium
wird so durch das Rohr 11 geleitet, daß keine Luftschicht in dem Rohr 11 erzeugt
wird.
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In
dem Fall, bei dem die Festkörperlaservorrichtung
so anzuordnen ist, daß eine
Achse des Laserstabs 14 horizontal ist, kann der Austragskanal 21 im
wesentlichen auf dem gleichen Niveau wie eine innere Oberfläche des
ersten Rohres 11 angeordnet werden, und der Zuführkanal 19 kann
niedriger als der Austragskanal 21 angeordnet werden, und
folglich kann das Kühlmedium
durch das erste Rohr 11 hindurchfließen, ohne irgendeine Luftschicht
in dem ersten Rohr 11 zu erzeugen.
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In
einer Mehrzahl von Abstandspositionen einer axialen Richtung des
ersten Rohres 11, in dieser Ausführungsform sind dies zwei Abstandpositionen,
sind gemäß 3 drei
Halbleiterlaser 22 in 120°-Intervallen um einen Außenumfang
und außerhalb
einer Durchmesserrichtung des ersten Rohres 11 angeordnet.
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Die
Halbleiterlaser 22 weisen jeweils eine gestapelte Struktur
mit einer Zeilen/Spalten-Matrizenanordnung von lichtemittierenden
Elementen mit niedriger Leistung 22a auf, die gemäß 4 angeordnet
sind, wobei jeder Laserstrahlen aus seinen lichtemittierenden Elementen
erzeugt. Eine Mehrzahl von Strahlen P fallen an der Umfangswand
des ersten Rohres 11 vorbei auf eine Außenumfangsoberfläche des
Laserstabs 14 auf, das heißt, die acht Strahlen P pumpen
den Laserstab 14. Selbst wenn es nur einen Halbleiterlaser 22 gibt,
kann der Halbleiterlaser den Laserstab 14 pumpen.
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An
einer Innenoberfläche
des ersten Rohres 11 ist eine diffus streuende Oberfläche 23 als
ein Mittel zum vollständigen
Streuen der Strahlen P von den Halbleiterlasern 22 ausgebildet.
Die diffus streuende Oberfläche 23 wird
so ausgebildet, dass beispielsweise das erste Rohr 11 eine
unebene Oberfläche aufweist.
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Daher
werden die Strahlen P von den Halbleiterlasern 22 auf der
diffus streuenden Oberfläche 23 gestreut
und fallen auf die Außenumfangsoberfläche des
Laserstabs 14 ein, um den Laserstab 14 zu pumpen.
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Gemäß der derart
aufgebauten Festkörperlaservorrichtung
durchdringen die Strahlen P, die von der Halbleiterlaservorrichtung 22 abgegeben
werden, die Umfangswand des ersten Rohres 11 und werden
dabei an der diffus streuenden Oberfläche 23, das heißt, an der
Innenoberfläche,
des ersten Rohres gestreut und fallen auf die Außenumfangsoberfläche des
Laserstabes 14 ein. Das heißt, die Strahlen P, die an
der diffus streuenden Oberfläche 23 gestreut
werden, beleuchten den Laserstab 14, so daß sie die
Außenumfangsoberfläche des
Laserstabes 14 von der Innenoberflächenwand des ersten Rohres
herum gleichförmig
pumpen.
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Somit
wird das Laserlicht L, dessen Querschnitt eine gleichförmige Intensitätsverteilung
aufweist, von dem Laserstab 14 abgegeben, wobei es durch
das gleichförmige
Pumpen möglich
ist, jegliche örtliche
Belastungskonzentration und Temperaturverteilung in dem Querschnitt
des Laserstabes 14 und einen daraus resultierenden Schaden
an dem Laserstab 14 zu verhindern.
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Da
die diffus streuende Oberfläche 23 an
der Innenwandoberfläche
des ersten Rohres 11 gebildet ist, ist diese mit dem Kühlmedium
X, das durch das erste Rohr 11 fließt, in Kontakt, und die Strahlen
P von den Halbleiterlasern 22, die die Umfangswand des
ersten Rohres 11 durchdringen, werden auf der diffus streuenden
Oberfläche 23 gestreut
und pumpen den Laserstab 14 optisch.
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In
diesem Fall wird eine Reflexionskomponente Ra des
Pumpstrahls P durch Ra =
{(n1 – n2)/(n1 + n2)}2
= {(1 – na)/(1 + na)}2 dargestellt.
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Das
heißt,
Ra wird zusätzlich zu der Oberflächenrauhigkeit
der diffus streuenden Oberfläche 23 durch na = (n2/n1)bestimmt, wobei
- n1:
- Brechungsindex (absoluter
Brechungsindex) des Quarz, aus dem das erste Rohr 11 gebildet
ist, und
- n2:
- Brechungsindex (absoluter
Brechungsindex) des Kühlmediums
X.
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Folglich
verringert sich die Reflexionskomponente und die Brechungskomponente
vergrößert sich,
wie sich das Verhältnis
na an Eins annähert.
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Falls
sich andererseits eine derartige diffus streuende Oberfläche 23 an
der Außenumfangsoberfläche des
ersten Rohres 11, wie in einem herkömmlichen Fall, bildet, wird
eine Reflexionskomponente Rb des Pumpstrahls
P durch Rb = {(n3 – n1)/(n3 + n1)}2
= {(1 – nb)/(1 + nb)}2 dargestellt. Das heißt, zusätzlich zu
der Oberflächenrauhigkeit
der diffus streuenden Oberfläche 23 wird Rb durch ein Verhältnis nb =( n1/n3)bestimmt, wobei
- n3:
- Brechungsindex (absoluter
Brechungsindex) der Atmosphäre,
die in Kontakt mit dem Außenumfang
eines ersten Rohres 11 ist, und
- n1:
- Brechungsindex (absoluter
Brechungsindex) eines Quarz, aus dem das erste Rohr gebildet ist.
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Unter
der Annahme, daß die
Oberflächenrauhigkeit
der diffus streuenden Oberfläche 23 gleichmäßig ist,
folgt, daß sich
im allgemeinen die Reflexionskomponente des Pumpstrahls P in dem Maße verringert,
in dem sich ein Brechungsindexverhältnis zweier sich gegenseitig
berührender
Oberflächen
Eins an nähert,
d.h., falls das Brechungsindexverhältnis dieser beiden Materialien
nahe Eins liegt, verringert sich die Reflexionskomponente an ihrer Kontaktoberfläche, und
der Brechungsindex erhöht sich.
Hier liegt das Verhältnis
na zwischen dem Brechungsindex n1 des Quarz und desjenigen des Kühlmediums
X näher
an Eins als das Verhältnis
nb zwischen dem Brechungsindex n3 der Atmosphäre und desjenigen des Quarz,
aus dem das erste Rohr 11 gebildet ist.
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Das
heißt,
falls das Kühlmedium
X reines Wasser ist, dann ist n1 = 1,4,
n2 = 1,3 und n3 =
1,0 und folglich na = (1,3/1,4) und nb = (1,4/1,0). Ferner betragen die Reflexionsgrade
Ra = 1,372 × 10–3 bzw.
Rb = 2,778 × 10–2.
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Aus
diesem Grund wird die diffus streuende Oberfläche 23 auf der Innenwandoberfläche des
ersten Rohres 11 gebildet, und das Kühlmedium X befindet sich in
Kontakt mit der diffus streuenden Oberfläche 23, so daß die Reflexionskomponente
des Pumpstrahls P im Vergleich mit einem herkömmlichen Fall verringert werden
kann. Auf diese Weise durchdringt der Pumpstrahl P wirksam das erste Rohr 11,
und die Lichtpumpwirksamkeit des Laserstabes 14 kann verbessert
werden. Ferner wird die Wirksamkeit, mit der der Pumpstrahl P das
erste Rohr 11 durchdringt, verbessert. Da deshalb das erste
Rohr 11 durch den Pumpstrahl P auf ein nicht mehr als notwendiges
Maß aufgewärmt wird,
wird verhindert, daß das
erste Rohr 11 durch die beteiligte Wärme beschädigt wird.