DE2751825A1

DE2751825A1 - Festkoerperlaseranordnung

Info

Publication number: DE2751825A1
Application number: DE19772751825
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr Stemme
Original assignee: STEMME REINER DR PHYS
Current assignee: STEMME REINER DR PHYS
Priority date: 1977-11-19
Filing date: 1977-11-19
Publication date: 1979-05-23

Description

Festkörperl aseranordnung Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaseranordnung für Anwendungen in der Materialbearbeitung,auch der Medizin oder der Meßtechnik.
Festkörperlaser sind im wesentlichen gekennzeichnet durch Modenstruktur (örtliche Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt), Divergenz und mittlere Leistung ihrer Strahlungsemission und die Kosten/Leistungseinheit.Bei den heute üblichen Anordnungen ist die Weiterentwicklung dieser Charakteristika auf weitgehend feste Grenzen gestoßen.
Dafür sind folgende Gründe maßgeblich: Als Modenstruktur ist im allgemeinen der sogenannte transversale elektromagnetische Mode der Ordnung OD (TEMOO-Mode) ideal, der sich durch eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung auszeichnet. Bei üblichen Resonatoren ist der Durchmesser dieses Mode im Bereich des stabförmigen Lasermaterials so gering, daß die im Laserstab gespeicherte Energie nur zu einem kleinen Teil ausgenutzt wrden kann Eine volle Ausnutzung über den gesamten Laserstab-Durchmesser ist nur mit sogenannten Multimode-Betrieb möglich,dessen Intensitätsprofil örtlich stark strukturiert ist, dabei zeitlich schwankt und eine hohe Divergenz aufweist. Dies istfür Anwendungen ungünstig, respektive vereitelt manche potentielle Anwendung ganz.
Spezial-Resonatoren, deren TEMoo - Durchmesser im Laserstab dessen Durchmesser erreicht, sind störanfällig, haben großes Bauvolumen und bewirken hohe Kosten/Leistungseinheit,ebenso wie andere Lösungen.
Alle bisherigen Konzepte sind weiterhin begrenzt und durch die Geschwindigkeit der Wärmeableitung, die mit zunehmenden Laserstab-Durchmesser schlechter wird. Bei Glas-Laserstäben ist dies am gravierendsten und verhindert die Nutzung der sonst in vielen Punkten bervorragenden Eigenschaften dieses Lasermaterials. Sie begrenzt beispielsweise die max.
Beschreibung zulässige mittlere Laserleistung eines Glas-Nd-Stabes 75 mm Länge x 5 mm Durchmesser auf ca. lo W (Pulsbetrieb). Erschwerend kommt hinzu, daß bereits vor der thermischen Zerstörung des Laserstabes durch die geringe Wärmeableitung ein schwer beeizlußbares Brechungsindexprofil aufgebaut wird, dessen optische Wirkung auf die durchtretende Strahlung zu steigenden Verlusten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in Verbindung die Verbesserung der wesentlichen Charakteristika von Festkörper-Lasern zu erreichen: - Reduktion der Moden-Ordnung resp. der Divergenz der Strahlung auf niedrige Werte, - Erzeugung einer Modenstruktur, die durch(fTngfrmige Intensitätsverteilung Vorteile in der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung erbringt.
- Höhere mittlere Leistung pro Volumeneinheit aktives Medium und alle5 verbunden mit - niedrigeren Kosten/Leistungseinheit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine neuartige Gestaltung der Geometrie des Laser-Mediums in Rohrform gelöst,anstelle der bisher verwendeten massiven Laserstäbe.
Damit wird im Bereich der Modenstruktur der Obergang von TEMmn -Moden zu näherungsweisen TEMe.Moden (1n einer Koordinate unendlich ausgedehnt) vollzogen, die kreisförmig geschlossen werden.
Die im Verhältnis zum entsprechenden konventionellen Laserstab-Durchmesser geringe Dicke des Ringquerschnittes erlaubt die volle Nutzung durch Moden niederer Ordnung bis hinab zum TEMo bei relativ einfachen und störune.pfindlichen Resonatorkonfigurationen.In bestimmten Fällen ist auch die Anregung von Ring-Moden vom Typ TEMmn möglich. In jedem Fall wird also durch die erfindungsgemäße Geometrie des Laserrediues 1. die Modenordnung reduziert, 2. damit zugleich die Divergenz verringert und 3. eine fUr die Materialbearbeitung günstige Intensitätsverteilung im Strahl erreicht.
Durch den erfindungsgemäßen ringförmigen Querschnitt wird die Kühl oberfläche gegenüber eine vollen Stab bei gleichem Quer- Beschreibung Querschnitt des aktiven Mediums und nur wenig vergrößertem Außendurchmesser bei den typischen Querschnitten etwa verdoppelt.
Entsprechend steigt die Wärmeabfuhr, so daß die zulässige mittlere optische Pumpleistung und damit die verfügbare Inversion größenordnungsmäßig ebenfalls verdop.-pelt werden können. Die Erfindung bewirkt somit bei etwa gleichem aktiven Laservolumen und verbleichbarer BaugröBe eine Verdopplung der mittleren Leistung.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, das Temperatur- resp.
Brechungs-Index-Profil im Ring durch Variation der Kühlmitteltemperaturen

innen und außen oder der Strömen 5 eschwindlgkelten

zu steuern, um die Resonatorverluste und die Modenselektion zu optimieren.
Zu den technischen Vorteilen der Erfindung kommt hinzu die Reduktion des Bauvolumens und der Kosten pro Lelstungseinhelt durch Einsparung sonst notwendiger zusätzlicher Laser-Köpfe (in Hintereinander- oder Parallel-Schaltung),die für die Erzeugung der gleichen Leistung notwendig wären und zudem zu höherer Störanfälligkeit führen.Es ist zu erwarten, daß die Erfindung eine Ausbreitung der Anwendung der Laserstrahlung bewirkt.
Der weiteren Ausgestaltung der Erfindung dienen die folgenden Maßnahmen: Die Kühlung des Innenraumes kann erfindungsgemäß durch konzentrische Röhren derart erfolgen, daß Zu- und Ablauf des Kühlmittels von der gleichen Seite erfolgen. So bleibt auf der ge Uberliegenden Seite der anschließende Raum völlig frei für die austretende Strahlung. Auf der Zu- und Ablaufseite kann vorteilhaft der Endsplegel des Laserresonators angebracht werden, und zwar entweder direkt auf das ringförmige Ende des Laserrohres aufgebracht oder extern mit einer zentrischen Durchbohrung.
Beschreibung Wenn die Zu- und Abfuhr des Kühimittels auf beide*Seiten verteilt wird, tritt mindestens an einer Seite das Problem auf, die Kühlmittelleitung quer durch den Strahl nach außen zu führen.
Erfindungsgemäß wird dies nach einer Aufweitung des Strahldurchmessers vorgenommen. so daß die Störung des Strahles relativ gering bleibt.
Eine besonders preisgünstige Laseranordnung ergibt sich erfindungsgemäß, wenn im Bereich niedriger mittlerer Ausgangsleistungen nur die Innenwand des rohrförmigen Lasermediums gekühlt wird und alle anderen Bauelemente des Laserkopfes nicht mit strömender Flüssigkeit gekühlt werden. Weitere Schritte sind die Wärmeabfuhr aus dem Rohrinneren nach dem Heat-Pipe-Prinzip mit örtlich konstanter Temperaturverteilung oder durch Wärmeleitung oder Konvektion über festcoder flüssige Materialien zu einem externen Wärmetauscher.
Eine wichtige Rolle für den Wirkungsgrad und zugleich für die Qualität der austretenden Strahlung spielt die Größe und die räumliche Verteilung der Absorption der Pumplichtstrahlung innerhalb des rohrförmigen Lasermediums.Erfindungsgemäß kann dies verbessert werden durch die Verspiegelung der Rohrinnenseite oder im Innenraum angeordneter Teile, wie beispielsweise des Innenrohres der konzentrischen Kühlung.
Durch eine rauhe Oberfläche der Verspiegelung können über die Streuung größere Absorptionslängen erreicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zeichnerisch in Figur 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Das rohrförmige Lasermedium (1) wird von außen mit der optischen Pumpstrahlung (2) beaufschlagt und durch ein über die Oberfläche strömendes Kühlmittel (3) gekühlt. Im Innenraum erfolgt die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels (4) konzentrisch. Links ist der extern angeordnete teiltransparente Auskoppelspiegel (5), rechts der hochreflektierende, ebenfalls extern angeordnete Endspiegel (6) , dargestellt.Die wahlweise Verspiegelung im Innenraum zeigt (11). In der unteren Schnitthälfte ist verein- Beschreibung -facht der optische Strahlgang für den Fall eines ringförmigen geschlossenen angenäherten Strahlungsmode TEM (lo) gezeigt.
(7) stellt den Schnitt durch das ringförmige Intensitätsprofil dar, (8) das Brechnungsindexprofll im Lasermedium, das die zeichnerisch in (9) vereinfacht angedeutete Wirkung einerkreisförmigen Zylinderlinse auf die Strahlung ausübt.
Die Position der beiden Resonatorspiegel und des Lasermediums sind so gewählt, daß in Radiusrichtung ein angenähert hemikonfokaler Resonator entsteht, der gegen kleine, unvermeidliche änderungen der Brennweite der "kreisförmigen Zylinderlinse" durch Pumplichtvariationen stabil ist. Dabei ist L#½. Brennweite der Linse und a« L.

Claims

Festkörperl aseranordnung Patentansprüche 1. Festkörperlaser-Anordnung, gekennzeichnet durch rohrförmige Gestaltung des aktiven Mediums (1), so daß in relativ kurzen.

einfachen optischen Resonatoren vorteilhaft ringförmige Strahlungsmoden (lo) niederer Ordnung und Divergenz erzeugt werden können, die für MaterialbearbeitungEmedizlnische Anwendungen und Meßtechnik besonders günstig sind, und zugleich die störende Pumpstrahlungswärme durch festes, flUssiges oder gasförmiges Kühlmittel außen (3) und innen (4) abgeführt werden kann, so daß die mittlere erreichbare Strahlungsleistung bei vergleichweise gleichen Volumen des aktiven Mediums wesentlich ansteigt und letztlich die Kosten pro Leistungseinheit vergleichsweise deutlich günstiger als bei bisherigen Lösungen sind.
2. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die KUhlung des Innenraumes Zu- und Ablauf des Kühlmlttels (4) von der gleichen Seite in konzentrischen Rohren erfolgen.
3. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Kühlung des Innenraumes Zu- und Ablauf des Kühlmittels auf den gegenüberliegenden Seiten erfolgen und die Führung des Kühlmittelrohres durch den Strahl in einem aufgeweiteten Strahlbereich erfolgt, um die Störung des Strahles gering zu halten.
4. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3 , gekennzeichnet dadurch, daß Erzeugung und Steuerung des für die gewünschte Modenzahl und -ordnung erforderlichen Brechzahlprofils im aktiven Medium durch Wahl des Verhältnisses der Märmeabfuhr von der äußeren und inneren Rohrwand über die Strömungsgeschwindigkeit und die Voriauftenperatur der Kühlmittel bewirkt wird.
Patentansprüche 5. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehren der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß beide oder ein Laserresonatorspiegel (5,6) direkt auf den ringförmigen Laserstabenden angebracht ist.
6. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, ekennzeichnet dadurch, daß beide oder ein Laserresonatorspiegel extern angebracht ist und für den Durchlaß der Kühimitteirohre oder der Wärmeableiter zentrisch durchbohrt ist.
7. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß eine Verspiegelung (11) auf der inneren Rohroberfläche oder im Innenraum angeordneter Teile vorgenommen wird, um eine bessere Ausnutzung der Pumpstrahlung und das für die gewünschte Brechzahl-und entsprechende Strahlungsprofil notwendige Absorptionsprofil zu erreichen.
8. Festkörperlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 und 5 bis 7 , gekennzeichenQt dadurch, daß die Wärmeableitung von der Rohrinnenwand ohne strömendes Kühlmittel sondern durch Wärmeleitung und/oder Konvektion bis zu einem externen Wärmetauscher erfolgt, indem ein Metall oder eine Metallegierung fest oder geschmolzen oder eine Flüssigkeit den Innenraum ausfüllen und durch einen stabförmigen oder flexiblen Wärmeleiter die Wärme aus dem Rohrinnenraum nach außen zum Wärmetauscher geführt wird.
9. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 5 bs 7 , gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmeabfuhr von der Rohrinnenwand bei örtlich weitgehend konstanter Temperatur nach dem Heat-Pipe-Prinzip erfolgt.
lo. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 5 - 9 , gekennzeichnet dadurch, daß nur das Laser-Medium an der Innenwand mit strömendem Kühlmittel oder nach einem der Ansprüche 8 und 9 zwangsgekühlt wird und die anderen Laserkopf-Bauteile nicht flüssigkeitsgekühlt sind, so daß die kostspieligen Maßnahmen zur Kühlflüssigkeitsführung, zur Spannungsisolation für den Pumplampenversorgungsstrom und der Pumplampenzündung und gegebenenfalls auch der externe Flüssigkeitswärmetauscher entfällt, aber die mittlere Leistung des Laserkopfes durch die Innenkühlung des aktiven Mediums deutlich über den preislich vergleichbarer Laserköpfe liegt.
11. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - lo , gekennzeichnet durch eine Resonatorkonfiguration derart, daß die Länge eines Planspiegel-ResonatorsXund der Abstand a des Lasermediums von einem Spiegel so gewählt wird, daß die ringförmige Zylinderlinse", als die das rohrförmige Lasermedium infolge der Temperaturgradienten angenähert betrachtet werden kann mit den Spiegeln in Radiusrichtung einen angenähert hemikonfokalen Resonator bildet, der gegen kleine Xnderungen der Brennweitejrder ZZylinderlinse" stabil ist und ein maximales Modenvolumen im aktivem Medium hat, wofür gilt L t 2.f und a Cr L.

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12. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche der verspiegelten Fläche (11) rauh gestaltet wird, um größere Absorptionslängen und damit besseren Wirkungsgrad infolge der Streuung zu bewirken.

Patentansprüche