DE3745127C2 - Kompakt aufgebauter Laserkopf - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein Festkörperlaser wie Nd:YAG-Laser und
speziell kompakte Festkörperlaser.
In der älteren DE 36 14 401 A1 ist ein Festkörperlaser beschrieben, welcher
einen Laserstab aufweist, der endseitig durch eine Laserdiode gepumpt wird. Das
Pumpvolumen der Laserdiode ist an den Laserstab angepaßt, um den
Pumpwirkungsgrad zu optimieren. Der Laserresonator ist so ausgebildet, daß
innerhalb des Resonators eine Strahltaille bereitgestellt wird, an der ein
Frequenzverdopplerkristall angeordnet werden kann. Die Laserdiode ist in
derselben Anordnung eingebaut. Der Laser ist so ausgelegt, daß er eine
bestimmte Ausgangsfrequenz erzeugt, welche von dem Material des Laserstabs
und der Gegenwart oder der Abwesenheit des Verdopplerkristalls abhängt.
Für eine größtmögliche Anwendungsbreite und einfachsten Gebrauch ist es
erwünscht, einen Laser mit der höchstmöglichen Packungsdichte und mit
untereinander austauschbaren Komponenten zu erhalten, so daß mehrere
unterschiedliche Ausgangscharakteristiken von demselben Lasersystem erhalten
werden können.
Aus der US 4 387 279 und der US 4 409 470 sind Laserköpfe auf
der Grundlage eines typischerweise kanonenförmigen Laserrohrs bekannt. Der
Kopf kann ebenfalls stromlinienförmig oder kastenförmig sein. Der Kopf hat
typischerweise ein Volumen von 820 bis 639 cm3 (50 bis 100 cubic inches) und
wiegt 456 bis 912 g (1 bis 2 pounds). Die geringeren Werte der angegebenen
Bereiche lassen sich durch Verwendung einer Halbleiterdiode anstelle eines He-
Ne Laserrohrs erzielen. Spannungsversorgung, Scanmotoren und -Spiegel sowie
weitere Schaltkreiseinheiten sind sämtlich im Abtastkopf enthalten. Der Kopf ist
an andere Komponenten wie Computer und Datenspeicherschaltkreis über ein
elektrisches Kabel angekuppelt.
Aus der DE-AS 20 33 097 ist eine Halterung für einen justierbaren Spiegel
für einen Festkörperlaser bekannt, dessen Fassung für den Spiegel eine
Kugelzone bildet, die in einer Paßhalterung einer rohrförmigen Hülse zur
Justierung des Spiegels gleitend angeordnet ist, um ein Kippen der Halterung des
Spiegels zu ermöglichen. Ein Drehen der Halterung um das Kugelzentrum ist
hierbei praktisch nicht möglich, da die Halterung auf den Justierschrauben
aufliegt, die bei Verstellung auch ein axiales Verschieben des Spiegels bewirken.
Kugelhalterungen allgemeiner Art in optischen Geräten sind ferner aus der
DE-OS 14 72 190 bekannt, welche jedoch nicht für kompakt aufgebrachte
Laserköpfe verwendbar sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser mit
einem kompakt aufgebauten Laserkopf bereitzustellen, bei dem das Gehäuse
des Laserkopfs und die darin enthaltenen Komponenten so klein wie möglich ausgebildet
sind.
Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
Die Verwendung spezieller Montagevorrichtungen für die Komponenten,
insbesondere von Kugel- und Röhrenhalterungen, gestattet die Verwendung sehr
kleiner Komponenten und einen geringstmöglichen Raumaufwand. Die
Komponenten sind so angeordnet, daß sie an das Pumpvolumen der
Laserdiodenpumpquelle angepaßt sind, welches insbesondere über eine
Faseroptik an den Laserkopf übertragen und in den Laserstab ins Laservolumen
des Stabs abgebildet wird. Durch geeignete Lage und Geometrie der den
Laserresonator ausbildenden optischen Elemente kann ein gewünschtes
Strahlprofil in dem Resonator erzeugt werden, wodurch ein TEM00-
Ausgangssignal bereitgestellt werden kann. Ein Frequenzverdopplerkristall kann
ebenfalls in dem Laserkopf an einer Strahltaille in dem optischen Resonator
angeordnet werden, um ein frequenzverdoppeltes Ausgangssignal bereitzustellen.
Die geringen Abmessungen des Laserkopfes und die Möglichkeit, den
Laserkopf in einer Entfernung von der Energiequelle zu betreiben, sind äußerst
vorteilhaft für eine Vielzahl von Anwendungen. Darüber hinaus kann die
Laserdiode, wenn nötig, ausgetauscht werden, ohne daß eine Justierung oder
neue Anpassung der Komponenten des Laserkopfes erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines miniaturisierten Schnellanschluß-Laserkopfes
gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Kugel- und Röhrenhalterung, welche einen
Verdopplerkristall in dem Laserkopf hält.
In Fig. 1 ist ein kompakter Schnellanschluß-Laserkopf 10 gemäß der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Laserkopf 10 weist ein hohles Gehäuse 12
auf, welches vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch oder röhrenförmig
ausgebildet ist und typischerweise aus Edelstahl hergestellt ist. An einem Ende
des Gehäuses 12 befindet sich eine Endkappe 14, typischerweise aus Plastik,
beispielsweise aus tefflongetränktem Delrin, und die Kappe ist aufgeschraubt auf
das Gehäuse 12 oder sonstwie daran befestigt. Ein Spiegel 16 ist am Ende des
Gehäuses 12 innerhalb der Endkappe 14 angebracht. Der Spiegel 16 weist
vorzugsweise eine konkave innere Oberfläche und eine im wesentlichen ebene
äußere Oberfläche auf. Der Spiegel 16 bildet einen Teil des optischen
Laserresonators und ist das Ausgangskoppelglied für den Laserresonator. Der
Spiegel 16 ist in einer Kugelhalterung 18 gehaltert, welche drehbar in der
Endkappe 14 zwischen einer abgeschrägten Kante 20 des Gehäuses 12 und
einer abgeschrägten Kante 22 der Endkappe 14 angebracht ist. Die
Kugelhalterung 18 weist ein Hohlrohr 24 auf, welches sich von der
Kugelhalterung 18 ins Innere des Gehäuses 12 erstreckt. Justierschrauben 26
erstrecken sich durch das Gehäuse 12 und berühren das Rohr 24, so daß die
Winkellage der Kugelhalterung 18 eingestellt werden kann; typischerweise sind
drei oder vier Justierschrauben 26 beabstandet um den Außendurchmesser des
Gehäuses vorgesehen.
In der Nähe des gegenüberliegenden Endes des Gehäuses 12 ist ein
Festkörperlaserstab 28 angebracht, welcher in einem Träger oder einer
Halterung 30 gehalten wird, welche in das Gehäuse 12 eingepaßt ist; der Stab 28
kann in seiner Lage mittels einer Justierschraube (nicht dargestellt) gehalten
werden, welche eine mechanische Spannung auf den Stab ausübt, um das
Ausgangssignal zu polarisieren. Alternativ hierzu kann der Laserstab 28 in einer
Kugelhalterung aufgenommen sein, um eine Winkellage einzustellen. Die
Halterung 30 hält ebenfalls eine Kugellinse oder Fokussierkugel 32 im Abstand
zum Laserstab 28; die Linse 32 kann durch einen Kleber in ihrer Lage gehalten
werden. Die Kugellinse 32 ist gegen eine abgeschrägte Kante 34 im
Endabschnitt 36 der Halterung 30 gehaltert; der Endabschnitt 36 ist weiter als
der Abschnitt der Halterung 30, welcher den Laserstab 28 hält. Am Ende des
Gehäuses 12 ist eine Endkappe 38 angeordnet und enthält den Endabschnitt 36
der Halterung 30. Die Endkappe 38 ist typischerweise aus tefflonimprägniertem
Delrin hergestellt. Die Endkappe 38 weist ebenfalls eine Kupplungsvorrichtung 40
auf, welche eine Verbindung einer Faseroptik 42 zum Laserkopf 10 ermöglicht.
Die Kupplungsvorrichtung 40 ist vorzugsweise ein standardisierter
Faseroptikverbinder, entweder vom Bajonett- oder SMA (aufschraubbar)-Typ,
beispielsweise Amphenol 905 und 906-Serienverbinder der Allied Corporation,
oder irgendeine andere Kupplungsvorrichtung, welche für eine Ausrichtung der
Faser und ein schnelles Anschließen und Trennen sorgt. Die
Kupplungsvorrichtung 40 hält die Faseroptik 42, so daß deren Ende 44 sich
nahe bei der Kugellinse 32 befindet. Der Laserstab 28, die Kugellinse 32 und
das Ende der Faseroptik 42 sind so angeordnet, daß das Ausgangssignal der
Faseroptik 42 auf den Laserstab 28 abgebildet wird, um ein wirksames
longitudinales endseitiges Pumpen des Laserstabs 28 zu bewerkstelligen. Die
Kupplungsvorrichtung 40 sorgt für eine richtie Justierung der Faser 42, die
jedesmal nach Verbindung der Faser mit dem Laserkopf verläßlich ist.
Ein Frequenzverdopplerkristall 46 kann ebenfalls in dem Gehäuse 12
angebracht sein, um ein frequenzverdoppeltes Ausgangssignal bereitzustellen.
Der Verdopplerkristall 46 ist in einer Kugelhalterung 48 montiert, welche sich
gegen eine abgeschrägte Kante 50 im Inneren des Gehäuses 12 durch einen
Kugelhaltering 52 abstützt, welcher mittels einer Feder 54 federbeaufschlagt ist,
die durch einen Federhalter 56 gehalten wird, der im Gehäuse 12 angebracht ist.
Die Kugelhalterung 48 ist mit einem sich hiervon in Längsrichtung des Gehäuses
12 erstreckenden hohlen Rohr 58 versehen. Justierschrauben 60 erstrecken sich
durch das Gehäuse 12 und berühren das Rohr 58, so daß die Winkellage der
Kugelhalterung 48 eingestellt werden kann; typischerweise werden drei oder vier
Justierschrauben 60 verwendet.
In Übereinstimmung mit den in der DE 36 14 401 A1 beschriebenen
Grundlagen und der erfindungsgemäßen kompakten Anordnung wird ein äußerst
kurzer optischer Resonator bereitgestellt. Der optische Resonator wird bestimmt
durch die Oberfläche 62 des Spiegels 16 und die Oberfläche 64 des Laserstabs
28. Die Oberfläche 64 läßt Pumpstrahlung durch, reflektiert jedoch das
Laserausgangssignal des Laserstabs 28 und die frequenzverdoppelte Strahlung
in solchen Fällen, in denen der Verdopplerkristall 46 verwendet wird. Durch
geeignete Auswahl der Krümmung der optischen Oberflächen und der
Entfernungen zwischen den optischen Oberflächen wird das Strahlprofil innerhalb
des Resonators eingestellt. Insbesondere wird innerhalb des Resonators eine
Strahltaille ausgebildet, welche die optimale Lage zur Anordnung des
Verdopplerkristalls 46 bereitstellt. Durch Modenanpassung des Strahlprofils an die
Resonatorabmessungen kann ein Betrieb in einer einzelnen transversalen Mode,
beispielsweise TEM00-Betrieb, erreicht werden.
Die optischen Elemente 16, 28 und 46 befinden sich im Gehäuse 12 in den
für eine bestimmte Resonatorauslegung erforderlichen Lagen. Die Elemente sind
entlang der Bohrung des Gehäuses 12 zentriert. Um eine Anfangsjustierung der
optischen Elemente 16 und 46 bereitzustellen, werden die Kugelhalterungen 18
bzw. 48 gedreht. Die Winkeleinstellung des Verdopplerkristalls 46 in der
Kugelhalterung 48 ist in Fig. 2 erläutert. Der Kristall 46 ist in einem Kanal durch
eine Kugelhalterung 48 gehalten. Die Kugelhalterung 48 ist typischerweise aus
tefflongeträktem Aluminium hergestellt und ist drehbar zwischen einer
abgeschrägten Kante 50 des Gehäuses 12 und einem Haltering 52 gehalten. Ein
Rohr 58 springt von der Kugelhalterung 48 in die Bohrung des Gehäuses 12 vor.
Mehrere Justierschrauben 60, typischerweise drei oder vier, erstrecken sich
durch das Gehäuse 12 und berühren das Rohr 58. Durch Justierung der
Justierschrauben 60 kann das Rohr 58 in unterschiedlichen Lagen ausgerichtet
werden, wie dargestellt, wodurch die befestigte Kugelhalterung 48 gedreht und
die Orientierung des Kristalls 46 geändert wird. Derartige Kugelhalterungen
bieten einen sehr kompakten Aufbau und einfache Justierung; eine
Kugelhalterung kann ebenfalls für den Laserstab verwendet werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird die über die Faseroptik 42 übertragene
Pumpstrahlung mittels der Kugellinse 32 auf die Endfläche 64 des Laserstabs 28
abgebildet. Die von der Faser abgebildete Größe wird an die Modengröße in dem
Laserstab angepaßt. Die Bildgröße von der Faser wird durch den
Faserdurchmesser und die Divergenz des Lichts von der Faser bestimmt. Die
Entfernungen von der Kugellinse zur Faser und zum Laserstab bestimmen das
Abbildungsverhältnis. Bevorzugt wird eine Kugellinse (Fokussierkugel) aufgrund
ihrer einfachen Zentrierbarkeit im Gehäuse 12 und der Abwesenheit von
Justierproblemen verwendet. Das Laservolumen in dem Stab ist durch die
Resonatoranordnung festgelegt, also die Länge des Resonators und die
Krümmung des Ausgangskoppelspiegels und der vorderen Oberfläche des
Laserstabs. Daher kann für jede gewünschte Resonatoranordnung die
Pumpstrahlung von der Faseroptik in das gewünschte Laservolumen des Stabs
zur Erzielung einer maximalen Wirksamkeit abgebildet werden. Die Verwendung
einer Faseroptikkupplung gestattet einen sehr kompakten Aufbau des
Laserkopfes, der nur die optischen Elemente enthält, während sämtliche
elektronischen und sonstigen Elemente, einschließlich der Pumpquelle, in einer
getrennten, stationären Energiequelle angeordnet werden können.
Als Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine
bevorzugte Anordnung eines Laserkopfes etwa 8,4 cm lang und weist einen
Durchmesser von etwa 1,0 cm auf. Der Laserstab ist ein Nd:YAG-Kristall mit
einer Länge von etwa 5 mm und einem Durchmesser von 3 mm. Der
Durchmesser der Kugellinse beträgt 5 mm; zwischen dem Ende der Faser und
der Kugellinse ist ein freier Raum von etwa 1,8 mm und zwischen der Linse und
dem Ende des Laserstabs ein freier Raum von etwa 3 mm. Der Verdopplerkristall
ist ein KTP-Kristall mit Maßen von etwa 5 mm × 3 mm × 3 mm; der
Verdopplerkristall ist 2,2 cm von dem Laserstab und 3,1 cm von dem
Ausgangskoppelspiegel entfernt. Zahlreiche unterschiedliche Faseroptiken
können verwendet werden; je kleiner die Faser ist, desto höher ist die
Lichtausbeute, jedoch steigt dann auch die Schwierigkeit bei der Justierung. Eine
Faser mit 200 µm Durchmesser, beispielsweise NRC FC-PC, eine Faser mit
125 µm Durchmesser, beispielsweise Corning 1504, und eine Faser mit 100 µm
Durchmesser, beispielsweise NRC FC-MLD, die sämtlich von der Newport
Research Corporation, Fountain Valley, California, USA, erhältlich sind, können
verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Faser mit
einem Durchmesser von 200 µm verwendet mit einer 1 : 1-Abbildung zur
Erzeugung eines Modenvolumens von 200 µm, und es wird reiner TEM00-Mode
erreicht. Die Merkmale der Erfindung können zur Ausbildung sogar noch
kleinerer Laserköpfe angewendet werden, bis herunter zu 4 cm Länge und
7 mm Durchmesser. Laserstäbe mit Längen von etwa 1 mm und
Verdopplerkristalle mit Längen von etwa 2 mm können verwendet werden.
Claims (8)
1. Kompakt aufgebauter Laserkopf, mit einem hohlen Gehäuse (12), in dem
ein Laserstab (28), ein Auskoppelspiegel (16) und ein rückwärtiger Spiegel
befestigt sind, wobei der Laserstab (28), der rückwärtige Spiegel und der
Auskoppelspiegel (16) einen Laserresonator ausbilden, und mit einer in dem
Gehäuse (12) angebrachten Abbildungsvorrichtung (32) zum longitudinalen
endseitigen Pumpen des Laserstabs (28), durch die Abbildung des von
einer Laserdiode emittierten Pumplichts in den Laserstab (28), durch
gekennzeichnet, daß der Auskoppelspiegel (16) in einer Kugelhalterung (18)
gehalten ist, welche drehbar in dem Gehäuse (12) befestigt ist.
2. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kugelhalterung (18) ein vorspringendes Rohr (24) umfaßt, welches sich
längs in dem Gehäuse (12) erstreckt, und mit Justiervorrichtungen (26) zur
Lageeinstellung versehen ist, welche in dem Gehäuse (12) befestigt sind
und das vorspringende Rohr (24) zum Drehen der Kugelhalterung (18)
berühren.
3. Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (12) ein in
dem Laserresonator befestigter Frequenzverdopplerkristall (46) vorgesehen
ist, der in
einer Kugelhalterung (48) befestigt ist, welche drehbar in dem Gehäuse (12)
angeordnet ist.
4. Laserkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kugelhalterung (48) ein vorspringendes Rohr (58) umfaßt, welches sich
längs in dem Gehäuse (12) erstreckt, und weiterhin Justiervorrichtungen
(60) zur Lageeinstellung vorgesehen sind, welche in dem Gehäuse (12)
angeordnet sind und das vorspringende Rohr (58) zum Drehen der
Kugelhalterung (48) berühren.
5. Laserkopf nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine am Ende
des Gehäuses (12) befestigte Endkappe (14) zur Aufnahme der
Kugelhalterung (18), wobei die den Auskoppelspiegel aufnehmende
Kugelhalterung (18) drehbar zwischen einer abgeschrägten Kante des
Gehäuses und der Endkappe gehalten ist.
6. Laserkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen
Ende des Gehäuses eine zweite Endkappe vorgesehen ist, die eine
Haltevorrichtung für den Festkörper-Laserstab (28) umgibt, und daß in der
Haltervorrichtung axial im Abstand zum Laserstab eine
Abbildungsvorrichtung (32) angeordnet ist, die das Ausgangssignal einer
axial an die Endkappe angeschlossenen Faseroptik in den Laserstab (28)
abbildet.
7. Laserkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abbildungsvorrichtung eine Kugellinse ist.
8. Laserkopf nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine zweite
abgeschrägte Kante (50) an der Innenseite des Gehäuses (12), einen die
zweite Kugelhalterung (48) berührenden Haltering (52), eine den Haltering
(52) berührende Feder (54), und eine fest in dem Gehäuse (12)
angebrachte Federhaltevorrichtung (56) zum Zusammendrücken der Feder
(54) gegen den Haltering (52), um die zweite Kugelhalterung (48) gegen
die zweite abgeschrägte Kante (50) abzustützen.
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