DE3546152A1 - Laser - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Laser.The invention relates to a laser.
Es sind Laser bekannt, z. B. Festkörperlaser, bei denen sich das aktive Medium zwischen, neben oder innerhalb des Anregungsmediums befindet.Lasers are known, e.g. B. solid-state lasers in which the active Medium is located between, next to or within the excitation medium.
Die Anregungsenergie wird elektrisch, thermisch oder optisch in das aktive Medium eingekoppelt.The excitation energy is electrical, thermal or optical in the active Medium coupled.
Bei einer optischen Einkopplung entstehen durch Abbildungsfehler, Abschattun gen, Reflexionsverluste und Wärmeverluste Anregungsenergieminderungen.With optical coupling, aberrations and shadowing result conditions, reflection losses and heat losses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser zu schaffen, bei dem diese Verluste fast völlig vermieden werden.The invention has for its object to provide a laser in which these losses are almost completely avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß das Anregungsmedium vom aktiven Medium umgeben wird.This object is achieved according to the invention in that the excitation medium is surrounded by the active medium.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daßThis measure ensures that
- - keine Selbstabschattung des Anregungsmediums erfolgt;- there is no self-shadowing of the excitation medium;
- - durch das fehlen des zylindrischen Spiegels keine Abbildungsfehler bei der Energieeinkopplung in das aktive Medium entstehen.- Due to the lack of the cylindrical mirror, no aberrations in the Energy coupling into the active medium.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in den extrem kleinen Abmessungen für den kompletten Laser und dem trotzdem guten Wir kungsgrad des Lasersystems.The advantages achieved with the invention are in particular the extreme small dimensions for the complete laser and still a good we efficiency of the laser system.
Dies ist besonders wichtig bei medizinischen Lasern, Lasern für die Entfernungsmessung und Zielmarkierung.This is particularly important with medical lasers, lasers for those Distance measurement and target marking.
Der Laser kann im gepulsten-, gütegeschalteten- oder Dauerstrichbetrieb verwendet werden.The laser can operate in pulsed, Q-switched or continuous wave mode be used.
Die Energieversorgung erfolgt durch Netz-, Batterie, oder Solarbetrieb.The energy is supplied by mains, battery or solar operation.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Figuren be schrieben. Advantageous embodiments of the invention are shown in the figures wrote.
Fig. 1 zeigt in zwei Ansichten ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen Lasers mit einer einfachen Halterungsmöglichkeit. Fig. 1 shows in two views an embodiment of a laser according to the invention with a simple mounting option.
Fig. 2 zeigt in zwei Ansichten ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Anregungsenergiezuführung für das Anregungsmedium an der Strahlungs auskoppelseite über den am aktiven Medium direkt aufgebrachten elektrisch leitenden Resonatorauskoppelspiegel erfolgt und der Laser mittels ringförmi gen passivem Güteschalter gepulst wird. Darüber hinaus ist eine einseitige Halterung des Laserkopfes mit Justagemöglichkeit für das Anregungsmedium be züglich der Lage zum aktiven Medium gezeigt. Fig. 2 shows two views of an embodiment of the invention, in which the excitation energy supply for the excitation medium on the radiation decoupling side takes place via the electrically conductive resonator decoupling mirror applied directly to the active medium and the laser is pulsed by means of a ring-shaped passive Q-switch. In addition, a one-sided mounting of the laser head with adjustment possibility for the excitation medium with respect to the position to the active medium is shown.
Fig. 3 zeigt in zwei Ansichten ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Anregungsenergiezuführung für das Anregungsmedium an der Strahlungs auskoppelseite über eine Funkenstrecke erfolgt und einer an der Reflexions seite fluchtend an den Laserkopf angebrachten einseitigen Halterung. Fig. 3 shows in two views an embodiment of the invention, in which the excitation energy supply for the excitation medium on the radiation decoupling side takes place via a spark gap and a one-sided holder aligned on the reflection side attached to the laser head.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des aktiven Mediums der Erfindung, bei dem der Laser aufgrund der Endflächenform des aktiven Mediums im Grundmode schwingt. Fig. 4 shows an embodiment of the active medium of the invention in which the laser oscillates in the basic mode due to the end face shape of the active medium.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung weist einen Festkörper laser als aktives Medium (1) auf. Der Festkörper ist als Kreiszylinder mit einer axialen Bohrung ausgebildet. Innerhalb der axialen Bohrung ist das Anregungsmedium (2), hier eine Edelgas-Bogenlampe, angeordnet. Die Wandung der axialen Bohrung des aktiven Mediums (1) ist entspiegelt. Die gesamte Anregungsenergie, die das Anregungsmedium (2) verläßt, kann ohne Verluste an spiegelnden Flächen in das aktive Medium (1) eintreten. Die Außenwand (34) des aktiven Mediums (1) ist mit einer Verspiegelung (26) versehen, um die beim ersten Durchstrahlen des aktiven Mediums (1) nicht verwertete Anregungs energie nochmals durch Reflexion an der Verspiegelung (26) in das aktive Medium (1) zurück zu senden. Die Elektroden (23 und 27) des Anregungsmediums (2) sind über Steckkontakte (28) mit leitenden Verbindungen (29) versehen. Über diese leitenden Verbindungen (29) wird die Versorgungsenergie dem Anregungsmedium (2) zugeführt. Zwischen aktivem Medium (1) und dem Anregungs medium (2) befindet sich ein enger Spalt (30). Dieser Spalt (30) ist nötig, um einen einfachen Austausch des Anregungsmediums (2) in kaltem Laserkopfzu stand zu ermöglichen. Darüber hinaus ist dieser Spalt (30) nötig, um die Ausdehnung des Anregungsmediums (2) und die des aktiven Mediums (1) zu er möglichen. The embodiment of the invention shown in Fig. 1 has a solid-state laser as an active medium ( 1 ). The solid is designed as a circular cylinder with an axial bore. The excitation medium ( 2 ), here an inert gas arc lamp, is arranged within the axial bore. The wall of the axial bore of the active medium ( 1 ) is non-reflective. The total excitation energy, leaving the excitation medium (2), can occur without loss of reflective surfaces in the active medium (1). The outer wall ( 34 ) of the active medium ( 1 ) is provided with a mirror ( 26 ) in order to use the excitation energy that was not used when the active medium ( 1 ) was first irradiated by reflection on the mirror ( 26 ) into the active medium ( 1 ) to send back. The electrodes ( 23 and 27 ) of the excitation medium ( 2 ) are provided with conductive connections ( 29 ) via plug contacts ( 28 ). The supply energy is supplied to the excitation medium ( 2 ) via these conductive connections ( 29 ). There is a narrow gap ( 30 ) between the active medium ( 1 ) and the excitation medium ( 2 ). This gap ( 30 ) is necessary to enable a simple exchange of the excitation medium ( 2 ) in cold Laserkopfzu. In addition, this gap ( 30 ) is necessary to enable the expansion of the excitation medium ( 2 ) and that of the active medium ( 1 ).
Eine Halterung (31) ist an der Außenfläche (34) des aktiven Mediums (1) angebracht. Ein Gewinde (35) dient zur Befestigungsmöglichkeit an einer gewünschten Stelle. Das aktive Medium (1) ist an der Reflexionsseite (32) für die Laserwellenlänge optimal verspiegelt.A holder ( 31 ) is attached to the outer surface ( 34 ) of the active medium ( 1 ). A thread ( 35 ) is used for fastening at a desired location. The active medium ( 1 ) is optimally mirrored on the reflection side ( 32 ) for the laser wavelength.
An der Auskoppelseite (33) ist das aktive Medium (1) mit einer für die Laserwellenlänge teildurchlässigen Verspiegelung versehen. Es ist auch möglich, die eigentliche Reflexionsseite (32) mit einer teildurchlässigen Verspiegelung für die Laserwellenlänge zu versehen, um einen Laserkopf mit zwei entgegengesetzten Laserstrahlen zu erhalten. Der ausgesendete Laser strahl besitzt einen Ringmode bzw. beide ausgesendeten Laserstrahlen besitzen einen Ringmode. Um die Stabilität der Laserausgangsleistung zu erhöhen, ist das aktive Medium (1) an der Reflexionsseite (32) torusförmig mit einem Radius r für den Torus ausgebildet. Die Krümmungsmittelpunkte (45) des Torus befinden sich auf einem Kreis mit einen Durchmesser (46), der sich aus dem Durchmesser (47) des aktiven Mediums (1) abzüglich der Wandstärke (48) des aktiven Mediums (1) errechnet.On the decoupling side ( 33 ), the active medium ( 1 ) is provided with a mirror that is partially transparent to the laser wavelength. It is also possible to provide the actual reflection side ( 32 ) with a partially transparent mirroring for the laser wavelength in order to obtain a laser head with two opposite laser beams. The emitted laser beam has a ring mode or both emitted laser beams have a ring mode. In order to increase the stability of the laser output power, the active medium ( 1 ) is toroidal on the reflection side ( 32 ) with a radius r for the torus. The centers of curvature ( 45 ) of the torus are located on a circle with a diameter ( 46 ) which is calculated from the diameter ( 47 ) of the active medium ( 1 ) minus the wall thickness ( 48 ) of the active medium ( 1 ).
Fig. 2 zeigt ebenfalls einen erfindungsgemäßen Festkörperlaser, bei dem das Anregungsmedium (2) in einer Bohrung des aktiven Mediums (1) angeordnet ist. Die polierte Außenwand (3) des aktiven Mediums (1) ist mit einer selektiven dielektrischen Verspiegelung (7) für die Anregungswellenlängen des aktiven Mediums (1) versehen. Für die nicht von dem aktiven Medium (1) nutzbare Anre gungsenergie, welche aufgrund der Spektralverteilung des ausgesendeten Lich tes des Anregungsmediums (2) auftreten, ist die selektive dielektrische Ver spiegelung (7) außen auf dem aktiven Medium (1) transparent. Das Anregungsme dium (2) ist darüber hinaus selbst außen mit einer selektiven Verspiegelung (13) versehen, welche nur für die Anregungswellenlägen für das aktive Medium (1) transparent ist. Eine elektrisch leitende teildurchlässige Verspiegelung, z.B. aus Gold oder aus Chrom als Auskoppelspiegel (8) ist an der Auskoppel seite des Laserstrahls auf das aktive Medium (1) aufgebracht. Diese Art der Stromzuführung über den Auskoppelspiegel (8) hat gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung den Vorteil, daß der austretende Laserstrahl nicht gestört wird. An der Reflexionsseite des aktiven Mediums (1) ist ein passiver Güteschalter (36) und eine optimal reflektierende Verspiegelung als Refle xionsspiegel (37) aufgebracht. Die Elektrode (27) des Anregungsmediums (2) ist über eine elektrisch leitende Verbindung (4) mit dem ebenfalls elektrisch leitenden, direkt am aktiven Medium (1) aufgebrachten leitendem Auskoppel spiegel (8) verbunden. Die erste elektrisch leitende Verbindungsleitung (10) von der Auskoppelseite wird an der Außenseite (3) des am aktiven Medium (1) aufgebrachten elektrisch leitenden Rings (9) verbunden. Der zweite elektri sche Anschluß wird an der nach außen gerichteten Elektrode (23) des Anre gungsmediums (2) mittels Klemmverbindung (5) angebracht. Diese Klemmver bindung (5) besitzt eine Gewindebohrung (6), die zum Anschluß der Energiever sorgungsleitung dient. Diese Klemmverbindung (5) ist z. B. mit einer drei- Punkt-Justageeinheit (12) verbunden, welche mit ihren Justierschrauben (41) in die Bohrungen (42) in einen Halter (40) passen. Um elektrische Überschläge zu vermeiden, wird als Verbindungsglied zwischen der Klemmverbindung (5) und der Justageeinheit (12) eine Isolierschicht (39) verwendet. Die drei-Punkt- Justageeinheit (12) besitzt darüber hinaus einen Permanentmagneten (38), der die Verbindung zwischen dem Halter (40) für das aktive Medium (1) und der Halterung (5, 6, 12, 38, 39, 41) für das Anregungsmedium (2) herstellt. Durch diese Verbindung kann das Anregungsmedium (2) zentrisch im aktiven Medium (1) justiert werden. Eine zentrische Justage ist außerdem nötig, um den Spalt (11) für den Kühlmitteltransport, z. B. Luft, zwischen Anregungsmedium (2) und aktiven Medium (1) frei zu halten. Eine Gewindebohrung (43) im Halter (40) dient zur Befestigung des Lasers am gewünschten Ort. Fig. 2 also shows a solid-state laser according to the invention, wherein said excitation medium (2) is arranged in a bore of the active medium (1). The polished outer wall ( 3 ) of the active medium ( 1 ) is provided with a selective dielectric mirror coating ( 7 ) for the excitation wavelengths of the active medium ( 1 ). For the excitation energy which cannot be used by the active medium ( 1 ) and which occur due to the spectral distribution of the emitted light of the excitation medium ( 2 ), the selective dielectric reflection ( 7 ) on the outside of the active medium ( 1 ) is transparent. The excitation medium ( 2 ) is also provided on the outside with a selective mirroring ( 13 ), which is only transparent for the excitation wavelengths for the active medium ( 1 ). An electrically conductive partially transparent mirroring, for example made of gold or chrome as a coupling-out mirror ( 8 ), is applied to the active medium ( 1 ) on the coupling-out side of the laser beam. This type of power supply via the coupling mirror ( 8 ) has the advantage over the arrangement shown in Fig. 1 that the emerging laser beam is not disturbed. On the reflection side of the active medium ( 1 ), a passive Q-switch ( 36 ) and an optimally reflective mirroring is applied as a reflection mirror ( 37 ). The electrode ( 27 ) of the excitation medium ( 2 ) is connected via an electrically conductive connection ( 4 ) to the likewise electrically conductive, direct coupling mirror ( 8 ) applied directly to the active medium ( 1 ). The first electrically conductive connecting line ( 10 ) from the decoupling side is connected to the outside ( 3 ) of the electrically conductive ring ( 9 ) attached to the active medium ( 1 ). The second electrical connection is attached to the outward electrode ( 23 ) of the excitation medium ( 2 ) by means of a clamp connection ( 5 ). This Klemmver connection ( 5 ) has a threaded bore ( 6 ) which is used to connect the power supply line. This clamp connection ( 5 ) is, for. B. with a three-point adjustment unit ( 12 ), which fit with their adjusting screws ( 41 ) into the holes ( 42 ) in a holder ( 40 ). In order to avoid electrical flashovers, an insulating layer ( 39 ) is used as the connecting element between the clamp connection ( 5 ) and the adjustment unit ( 12 ). The three-point adjustment unit ( 12 ) also has a permanent magnet ( 38 ) which connects the holder ( 40 ) for the active medium ( 1 ) and the holder ( 5 , 6 , 12 , 38 , 39 , 41 ) for the excitation medium ( 2 ). Through this connection, the excitation medium (2) can be adjusted centrally in the active medium (1). A central adjustment is also necessary to the gap ( 11 ) for the coolant transport, for. B. air between the excitation medium ( 2 ) and active medium ( 1 ) to keep free. A threaded hole ( 43 ) in the holder ( 40 ) is used to attach the laser at the desired location.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsmäßigen Fest körperlasers. Der Aufbau des anregenden und des aktiven Mediums entspricht demjenigen der Fig. 2. Eine teildurchlässige Verspiegelung als Auskoppelspie gel (16) ist an der Auskoppelseite des Laserstrahls auf das aktive Medium (1) aufgebracht. An der Reflexionsseite des aktiven Mediums (1) ist eine optimal reflektierende Verspiegelung als Reflexionsspiegel (17) aufgebracht. Die Anregungsenergiezufuhr an der Auskoppelseite erfolgt hierbei über eine Fun kenstrecke (15). Zwischen der Elektrode (18) des Anregungsmediums (2) an der Auskoppelseite und einer elektrisch leitenden Spitze (19), die mit einer lei tenden Verbindung (20) mit der Energieversorgung (nicht in Fig. 3 darge stellt) verbunden ist, wird eine Funkenstrecke (15) gebildet. Der Abstand der Funkenstrecke (15) ist etwas größer als die Zylinderwandstärke des aktiven Mediums (1). Dies ist erforderlich, damit der ausgesendete Laserstrahl nicht beeinflußt wird. Die leitende Verbindung (20), an der die Spitze (19) be festigt ist, wird entlang dem aktiven Medium (1) in Richtung Reflexionsspie gel (17) geführt. Die Halterung (21) für das aktive Medium (1) hat nur einen gering größeren Durchmesser als das aktive Medium (1) selbst. Die Halterung (21) ist in fluchtender Fortsetzung an der Reflexionsspiegelseite angebracht. Im Zentrum befindet sich eine Klemmvorrichtung (22) für die Elektrode (23) an der Reflexionsseite. Das Anregungsmedium (2) ist innerhalb der Klemmvor richtung (22) justierbar. In der Halterung (21) befinden sich Öffnungen (24), um ein Kühlmittel zwischen aktivem Medium (1) und dem Anregungsmedium (2) einbringen zu können. Im Zentrum der Halterung (21) auf der Reflexionsspiegel (17) abgewandten Seite ist ein Gewindestift (25) angebracht. Über diesen Gewindestift (25), der leitend mit der Elektrode (23) des Anregungsmediums (2) verbunden ist, wird die Energie der einen Elektrode (23) des Anregungsme diums (2) zugeführt. Auch ist dieser Gewindestift (25) geeignet, den Laser kopf an dem gewünschtem Platz zu befestigen, wobei das Gegengewinde leitend mit der Energieversorgung für das Anregungsmedium (2) verbunden ist. Fig. 3 shows another embodiment of a solid laser according to the invention. The structure of the exciting and the active medium corresponds to that of FIG. 2. A partially transparent mirroring as Auskoppelspie gel ( 16 ) is applied to the active medium ( 1 ) on the decoupling side of the laser beam. On the reflection side of the active medium ( 1 ), an optimally reflective mirroring is applied as a reflection mirror ( 17 ). The excitation energy supply on the decoupling side takes place via a spark gap ( 15 ). Between the electrode ( 18 ) of the excitation medium ( 2 ) on the decoupling side and an electrically conductive tip ( 19 ), which is connected to the power supply by means of a conductive connection ( 20 ) (not shown in FIG. 3), a spark gap is formed ( 15 ) formed. The distance between the spark gap ( 15 ) is slightly larger than the cylinder wall thickness of the active medium ( 1 ). This is necessary so that the emitted laser beam is not affected. The conductive connection ( 20 ), on which the tip ( 19 ) is fastened, is guided along the active medium ( 1 ) in the direction of reflection mirror ( 17 ). The holder ( 21 ) for the active medium ( 1 ) has only a slightly larger diameter than the active medium ( 1 ) itself. The holder ( 21 ) is attached in an aligned continuation on the reflection mirror side. In the center there is a clamping device ( 22 ) for the electrode ( 23 ) on the reflection side. The excitation medium ( 2 ) is adjustable within the Klemmvor direction ( 22 ). Openings ( 24 ) are located in the holder ( 21 ) in order to be able to introduce a coolant between the active medium ( 1 ) and the excitation medium ( 2 ). A set screw ( 25 ) is attached in the center of the holder ( 21 ) on the side facing away from the reflection mirror ( 17 ). On this threaded stud (25) which is conductively connected to the electrode (23) of the excitation medium (2), the energy of the one electrode (23) is supplied to the Anregungsme diums (2). This setscrew ( 25 ) is also suitable for attaching the laser head to the desired location, the counter thread being conductively connected to the energy supply for the excitation medium ( 2 ).
Fig. 4 zeigt das aktive Medium (1) einer anderen Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Festkörperlasers. Der Aufbau des Anregungsmediums und der Ener giezuführung kann wie in Fig. 1 ausgeführt werden. Das aktive Medium (1) ist an der Reflexionsseite und Auskoppelseite mit gesonderten Endschliffen ver sehen. Die einzelnen Schliffflächen (51 und 53) sind auf beiden Seiten opti mal verspiegelt außer auf der Auskoppelfläche (52). Die einzelnen Schliff flächen (51) sind darüber hinaus so angewinkelt, daß der interne Laserstrahl mit einem Zick-Zack Weg innerhalb des aktiven Mediums (1) um die Zylinderachse herum geführt wird. Eine Schlifffläche, welche die Endfläche (53) auf der Reflexionsseite darstellt, ist so geschliffen, daß sie senkrecht zum optischen Strahlengang steht. Diese Endfläche (53) kann auch sphärisch geformt sein, um die Divergenz des ausgesendeten Laserstrahls zu beeinflus sen. Fig. 4 shows the active medium ( 1 ) of another embodiment of a solid-state laser according to the invention. The structure of the excitation medium and the energy supply can be carried out as in FIG. 1. The active medium ( 1 ) is seen on the reflection side and decoupling side with separate end cuts. The individual grinding surfaces ( 51 and 53 ) are optically mirrored on both sides except on the decoupling surface ( 52 ). The individual ground surfaces ( 51 ) are also angled so that the internal laser beam is guided with a zigzag path within the active medium ( 1 ) around the cylinder axis. A ground surface, which represents the end surface ( 53 ) on the reflection side, is ground so that it is perpendicular to the optical beam path. This end surface ( 53 ) can also be spherically shaped in order to influence the divergence of the emitted laser beam.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Resonatorlänge um ein Vielfaches gegenüber der Zylinderlänge des aktiven Mediums (1) vergrößert wird. Somit könnte man beispielsweise einen optischen Sender mit einem Strahldurchmesser von 1,5 mm und einem Außendurchmesser des aktiven Mediums (1) von 10 mm, einem Innendurchmesser des aktiven Mediums von 7 mm und einer geometrischen Länge des aktiven Mediums (1) von 15 mm herstellen, der eine effektive innere Resonatorlänge von 255 mm hat. Durch diese Maßnahme wird auch erreicht, daß eine einfache Energiezuführung an das Anregungsmedium (2) möglich ist, ohne den Laserstrahl zu beeinflussen. Der Laserstrahl tritt nicht parallel zur Zylinderachse des aktiven Mediums (1) aus.This measure ensures that the resonator length is increased many times over the cylinder length of the active medium ( 1 ). Thus, for example, an optical transmitter with a beam diameter of 1.5 mm and an outer diameter of the active medium ( 1 ) of 10 mm, an inner diameter of the active medium of 7 mm and a geometric length of the active medium ( 1 ) of 15 mm could be produced , which has an effective internal resonator length of 255 mm. This measure also ensures that a simple supply of energy to the excitation medium ( 2 ) is possible without influencing the laser beam. The laser beam does not emerge parallel to the cylinder axis of the active medium ( 1 ).
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