DE3745127C2 - Kompakt aufgebauter Laserkopf - Google Patents

Kompakt aufgebauter Laserkopf

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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.
DE3745127A 1986-05-19 1987-05-09 Kompakt aufgebauter Laserkopf Expired - Fee Related DE3745127C2 (de)

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