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Die Erfindung betrifft ein Lasersystem
mit einem laseraktiven Material, das sich über einer reflektierenden ebenen
Fläche
befindet, mindestens einem Pumplichtstrahl zum Pumpen des laseraktiven
Materials und einer Hohlspiegelanordung, die dafür eingerichtet ist, von der
ebenen Fläche
reflektiertes Pumplicht über
einen ebenen Spiegel wiederholt zurück auf das laseraktive Material
zu lenken.
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1 zeig
ein Lasersystem der oben genannten Art, wie es aus der
EP-0 632 551 A1 bekannt ist. Auf
einem Kühlkörper
2 ist
ein nicht dargestellter laseraktiver Festkörper angebracht, mit einer
reflektierenden Schicht zwischen dem laseraktiven Festkörper und
dem Kühlkörper
2.
Neben dem Kühlkörper
2 ist
ein ebener Spiegel
4 angeordnet, der im wesentlichen die
gleiche Wirkrichtung wie die reflektierende Schicht unter dem laseraktiven
Festkörper
hat. Nahe dem Kühlkörper
2 und
dem ebenen Spiegel
4 ist außerdem ein Ende eines Bündels Lichtleitfasern
6 angeordnet,
das mit einer nicht dargestellten Pumplichtquelle verbunden ist.
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Gegenüber und im Abstand von der
reflektierenden Schicht und dem laseraktiven Festkörper sind ein
vollreflektierender Resonatorspiegel 8 und ein teilreflektierender
Resonatorspiegel 10 angeordnet. Vom laseraktiven Festkörper aus
gesehen befinden sich die Resonatorspiegel 8 und 10 in
einander entgegengesetzten Winkelabständen von der Mittelsenkrechten
auf der reflektierenden Schicht auf dem Kühlkörper 2. Wenn der laseraktive
Festkörper
durch Pumplicht angeregt wird, bildet sich zwischen der reflektierenden
Schicht unter dem Festkörper
und den Resonatorspiegeln 8 und 10 ein Laserstrahlungsfeld 12 aus.
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In einem Bereich zwischen der Baugruppe, die
aus dem Ende des Bündels
Lichtleitfasern 6, dem ebenen Spiegel 4 und dem
Kühlkörper 2 besteht,
der den laseraktiven Festkörper
trägt,
und den beiden Resonatorspiegeln 8 und 10 sind
vier sphärische Pumplichtspiegel 14, 16, 18 und 20 angeordnet,
auf eine solche Weise, daß sie
das Laserstrahlungsfeld 12 nicht stören.
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Die Pumplichtspiegel 14, 16, 18 und 20 und das
Bündel
Lichtleitfasern 6 sind speziell so angeordnet, dass aus
dem Bündel
Lichtleitfasern 6 austretendes Pumplicht der Reihe nach
auf den ersten Pumplichtspiegel 14 auftrifft, vom ersten
Pumplichtspiegel 14 auf den laseraktiven Festkörper reflektiert wird,
den laseraktiven Festkörper
bis zu der reflektierenden Schicht durchdringt, von der reflektierenden Schicht
durch den laseraktiven Festkörper
hindurch auf den zweiten Pumplichtspiegel 16 reflektiert
wird, vom zweiten Pumplichtspiegel 16 auf den ebenen Spiegel 4 reflektiert
wird, vom ebenen Spiegel 4 auf den dritten Pumplichtspiegel 18 reflektiert
wird, vom dritten Pumplichtspiegel 18 auf den laseraktiven Festkörper reflektiert
wird, von der reflektierenden Schicht unter dem laseraktiven Festkörper auf
den vierten Pumplichtspiegel 20 reflektiert wird und vom vierten
Pumplichtspiegel 20 in sich zurückreflektiert wird, so dass
das Pumplicht den obigen Lichtweg ein weiteres Mal durchläuft, diesmal
in umgekehrter Reihenfolge.
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Auf diese Weise wird der laseraktive
Festkörper
theoretisch achtfach durchstrahlt, um das aus dem Bündel Lichtleitfasern 6 austretende
Pumplicht besser auszunutzen.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau
muß jeder
einzelne der vier Pumplichtspiegel 14, 16, 18 und 20 in
drei Raumrichtungen einstellbar sein. Daher benötigt man eine Vielzahl von
Halte- und Justierelementen, so dass der mechanische Aufbau aufwendig
ist. Außerdem
ist der Arbeitsaufwand für
die Justierung hoch.
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In der Fachveröffentlichung "A. Giesen et al.: Der
Scheibenlaser mit neuem Pumpdesign – Erste Ergebnisse, LaserOpto
31(1)/1999, S. 36-39" wird vorgeschlagen,
bei einem Lasersystem der genannten Art mehrere abbildende Pumpstrahlungsspiegel durch
einen einzigen Paraboloidspiegel zu ersetzen. Gegenüber dem äußeren Rand
des Paraboloidspiegels befinden sich N Umlenkeinheiten, auf die
die von einem Segment des Paraboloidspiegels reflektierte Strahlung
auf ein benachbartes Segment des Paraboloidspiegels zurückgeworfen
wird, das die Strahlung dann wiederum auf das laseraktive Material lenkt.
Auf diese Weise ergeben sich 2N Pumpstrahlungsdurchgänge durch
das laseraktive Material. Auch bei diesem Aufbau müssen der
Paraboloidspiegel und die N Umlenkeinheiten in drei Raumrichtungen
einstellbar sein, so dass der mechanische Aufwand ebenfalls groß ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das
beschriebene Lasersystem dahingehend zu verbessern, daß der mechanische
Aufbau vermindert wird und die Justierarbeit einfacher wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Lasersystem
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Hohlspiegelanordnung durch einen einzigen zusammenhängenden
Hohlspiegel gebildet wird, dessen reflektierende Innenfläche einen
Teil eines Rotationsellipsoides bildet und der mindestens eine Öffnung enthält, durch
die hindurch sich im Betrieb ein Laserstrahlungsfeld erstreckt,
wobei die reflektierende ebene Fläche und der ebene Spiegel jeweils
in der Nähe
eines Brennpunktes des Rotationsellipsoides angeordnet sind.
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Dadurch, daß ein einziger größerer Hohlspiegel
verwendet wird, der sich über
einen Großteil der
Hemisphäre über dem
laseraktiven Material und dem ebenen Spiegel erstreckt, werden die
Anzahl der mechanischen Teile und der Aufwand für die Justierung erheblich
reduziert. Der Hohlspiegel kann sich sogar über die gesamte Hemisphäre über dem laseraktiven
Material und sogar darüber
hinaus in die untere Hemisphäre
hinein erstrecken, um möglichst viel
von dem Pumplicht einzufangen und wieder zurück zu spiegeln, selbst solches,
welches das laseraktive Material bzw. den ebenen Spiegel verfehlt
hat. Auf diese Weise wird das Pumplicht sehr viel besser ausgenutzt
als im oben genannten Stand der Technik.
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Ein besonderer Vorteil des rotationselliptischen
Hohlspiegels ist außerdem,
daß beim
Hin- und Herspiegeln des Pumplichtes zwischen dem laseraktiven Material
und dem ebenen Spiegel eine Zentrierungswirkung auftritt. Das heißt, Pumplicht,
das am Anfang nicht genau auf den Brennpunkt fällt, an dem sich der ebene
Spiegel befindet, kommt den Brennpunkten, an denen sich das laseraktive
Material bzw. der ebenen Spiegel befinden, mit jeder Reflexion am Hohlspiegel
näher.
Somit wird die Pumplichtenergie auf einen Punkt im Zentrum des laseraktiven
Materials gebündelt,
was das Überschreiten
der Laserschwelle und das Einstellen von vorteilhaften Schwingungsmoden
erleichtert.
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Unter bestimmten Voraussetzungen
kann der Hohlspiegel einfach ein sphärischer Spiegel sein, wie er
entsteht, wenn man alle drei Hauptachsen eines Rotationsellipsoides
gleich lang macht. Damit in so einem Fall eine ausreichende Anzahl
von wiederholten Reflexionen erzielt wird, müssen das laseraktive Material
und der ebene Spiegel nahe an dem einzigen Brennpunkt eines sphärischen
Spiegels angeordnet werden können,
d.h. sie müssen
dicht nebeneinander angeordnet werden können, und sie müssen relativ
klein sein. Außerdem
muß der
Pumplichtstrahl gut gebündelt
sein.
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Ein sphärischer Hohlspiegel ist zwar
einfacher herstellbar als ein echter ellipsoidförmiger Hohlspiegel, letzterer
bietet aber mehr Freiheit hinsichtlich der Wahl und Anordnung der übrigen Komponenten
des Lasersystems.
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Vorzugsweise liegen die reflektierende
ebene Fläche
und/oder der ebene Spiegel schräg
in bezug auf die lange Hauptachse des Rotationsellipsoides, wobei
die Schrägstellung
justierbar ist. In diesem Fall kann durch Verkippen der reflektierenden ebenen
Fläche
und/oder des ebenen Spiegels die Anzahl der Refexionen optimiert
werden.
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Eine Öffnung im Hohlspiegel für das Laserstrahlungsfeld
wird auf einer geraden Linie zwischen der reflektierenden ebenen
Fläche
unter den laseraktiven Material und einem auf der Rückseite
des Hohlspiegels angeordneten Resonatorspiegel gebildet. Falls mehrere
räumlich
getrennte Resonatorspiegel vorgesehen sind, beispielsweise ein vollreflektierender
Resonatorspiegel und ein teilreflektierender Resonatorspiegel wie
in der
EP- 0 632 551
A1 beschrieben, können
entsprechend viele Öffnungen
im Hohlspiegel vorgesehen werden.
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Das Pumplicht wird vorzugsweise zuerst
auf das laseraktive Material fallen gelassen. Zu diesem Zweck kann
eine zusätzliche Öffnung im
Hohlspiegel vorgesehen werden, durch die das Pumplicht von der Rückseite
des Hohlspiegels her eingestrahlt wird. Alternativ kann das Pumplicht
schräg
durch eine vorhandene Öffnung
für das
Laserstrahlungsfeld eintreten und zuerst auf den ebenen Spiegel
auftreffen.
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Die Erfindung eignet sich nicht nur
für die
sogenannten Scheibenlaser, bei denen das laseraktive Material ein
Festkörper
ist, der flächig
auf einer reflektierenden ebenen Fläche aufliegt, sondern auch für andere
Lasersysteme mit einer mehr oder weniger flachen Anordnung eines
laseraktiven Materials, dessen eine Hauptfläche nahe an einem Resonatorspiegel
angeordnet ist.
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Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Lasersystem mit einem Scheibenlaser und mehreren sphärischen
Pumplichtspiegeln,
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2 ein
Lasersystem mit einem Scheibenlaser und einem einzelnen ellipsoidförmigen Pumplichtspiegel,
und
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3 eine
Schnittansicht des Scheibenlasers.
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2 zeigt
schematisch ein Lasersystem mit einem Scheibenlaser 22,
der im Querschnitt in 3 gezeigt
ist. Der Scheibenlaser 22 enthält im wesentlichen ein scheibenförmiges laseraktives
Material, einen Laserkristall 24, der unter Zwischenlage einer
lichtreflektierenden Schicht 26 flächig auf einem Substrat 28 aufliegt,
das als Träger
und als Wärmesenke
für den
Laserkristall 24 dient.
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Wie in 2 gezeigt,
ist gegenüber
der Wirkseite des Scheibenlasers 22 ein Pumplichtspiegel 30 angeordnet,
der eine reflektierende Innenfläche
hat, die etwas weniger als ein halbes Rotationsellipsoid bildet.
Das Rotationsellipsoid hat drei Hauptachsen: zwei gleich lange Hauptachsen
parallel zur x-Achse bzw. z-Achse des eingezeichneten kartesischen
Koordinatensystems und eine dritte Hauptachse parallel zur y-Achse,
die länger
als die beiden anderen Hauptachsen ist. Ein solches Rotationsellipsoid
hat zwei genau definierte Brennpunkte, die sich auf der längeren Hauptachse
befinden.
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An einem der Brennpunkte des Rotationsellipsoides
befindet sich der Scheibenlaser 22, und an dem anderen
Brennpunkt befindet sich ein ebener Hilfsspiegel 32. Die
Wirkseiten des Scheibenlasers 22 und des Hilfsspiegels 32 weisen
beide zum Pumplichtspiegel 30 hin, sind aber unter einem
Winkel zueinander geneigt. Die genauen Winkellagen des Scheibenlasers 22 und
des Hilfsspiegels 32 hängen
davon ab, an welcher Stelle das Pumplicht eingekoppelt wird bzw.
wo das vom Scheibenlaser 22 erzeugte Laserstrahlungsfeld
verlaufen soll.
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Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich
ein Laserstrahlungsfeld 34 parallel zur z-Achse zwischen dem
Scheibenlaser 22 und einem teilreflektierenden Reflektor spiegel 36,
der auf der Rückseite
des Pumplichtspiegels 30 angeordnet ist, und setzt sich hinter
dem teilreflektierenden Reflektorspiegel 36 mit verminderter
Intensität
als Laserstrahl fort. Der Pumplichtspiegel 30 enthält eine
entsprechende erste Öffnung 38,
durch die das Laserstrahlungsfeld 34 hindurchgeht.
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Der Pumplichtspiegel 30 enthält außerdem eine
zweite Öffnung 40,
durch die ein Pumplichtstrahl 42 von außen auf den Scheibenlaser 22 gerichtet wird.
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Wie mit gestrichelten Linien eingezeichnet, wird
der eingestrahlte Pumplichtstrahl 42 vom Scheibenlaser 22,
d.h. seiner lichtreflektierenden Schicht 26, reflektiert,
wobei er den Laserkristall 24 zweimal durchläuft. Der
reflektierte Strahl wird vom Pumplichtspiegel 30 auf den
zweiten Brennpunkt, d.h. auf den Hilfsspiegel 32, reflektiert
und von diesem wieder auf den Pumplichtspiegel 30 reflektiert,
von dem aus der Pumplichtstrahl 42 wieder auf den ersten
Brennpunkt, d.h. den Scheibenlaser 22, auftrifft.
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Dieser Vorgang setzt sich theoretisch
unendlich fort, wenn man die zwangsläufigen Verluste nicht berücksichtigt.
Außerdem
gibt es vorteilhafte Zentrierungserscheinungen, da Pumplicht, das
am Anfang nicht genau auf den ersten Brennpunkt am Scheibenlaser 22 auftrifft,
nach jeder Reflexion am Pumplichtspiegel 30 dem ersten
bzw. dem zweiten Brennpunkt näher
kommt, d.h. die Pumplichtenergie wird zentral auf den Scheibenlaser 22 gebündelt. Dadurch
wird das Pumplicht wesentlich besser ausgenutzt als bei vergleichbaren
Lasersystemen mit mehreren einzelnen sphärischen Pumplichtspiegeln,
bei denen der Laserkristall höchstens
doppelt so häufig
durchlaufen wird wie Pumplichtspiegel vorhanden sind und außerdem Lichtverluste
auftreten, z.B. durch Justierfehler oder Beugung an den Spiegelrändern.
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Der mechanische Aufbau und die Justierung des
beschriebenen Lasersystems sind relativ einfach, da es nur einen
einzigen Pumplichtspiegel 30 gibt, der in drei Raumrichtungen
beweglich ein muß. Alternativ
kann der Pumplichtspiegel 30 feststehend sein, während die übrigen Komponenten
des Lasersystems justiert werden.