Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft einen optisch gepumpten
Festkörperlaser. Im einzelnen bezieht sie sich auf solch einen Laser,
der aus Komponenten aufgebaut ist, die durch eine
Trägerstruktur in gegenseitiger Zuordnung gehalten werden, wobei
die Trägerstruktur so ausgebildet ist, daß sie die
Komponenten aufnimmt und entlang eines optischen Wegs bei Einsetzen
in die Trägerstruktur gegeneinander ausrichtet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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In dem Zeitraum, seit dem der erste funktionierende Laser
1960 vorgeführt wurde, brachte die Laserentwicklungsarbeit
eine große Vielzahl von Lasern hinsichtlich Größe, Leistung,
Ausgangsfrequenz, aktivem Medium (laserkorrelierte Wellen
aussendendes Material) und Anregungsmethode. Größtenteils
können diese Vorrichtungen als Präzisionsinstrumente
klassifiziert werden und diese sind üblicherweise durch geschickte
Handwerker manuell hergestellt. Zu den Merkmalen, welche
solche Vorrichtungen gemeinsam haben, gehören ein Resonator,
eine Pumpquelle (eine Energiequelle, um entweder
laserkorrelierte Wellen aussendendes Material zu schaffen oder zu
aktivieren) sowie Mittel, um Wärme abzuführen. Neben Festkörper-
Halbleiterlaserdioden, wie sie auf Galliumarsenid und
Galliumaluminiumarsenid basieren, sind die meisten der gegenwärtig
verfügbaren Laser auf einer Gasentladungstechnologie
aufgebaut, und sie sind sowohl groß als auch ineffizient. Eine
solche Gasentladungstechnologie schließt entweder das direkte
Nutzen einer Gasentladung wie in einem Kohlendioxidlaser ein
oder die indirekte Nutzung einer Gasentladung wie in einer
Blitzlampe, die zum Anregen eines laserkorrelierte Wellen
aussendenden Materials benutzt wird.
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Wenn die optischen Komponenten eines Lasers verhältnismäßig
weit voneinander getrennt sind (ungefähr 15 bis 800 cm in
üblichen Lasern), so können kleine Winkel-Fehlausrichtungen
nennenswerte Verluste der Laserausgangsleistung zur Folge
haben. Demzufolge sind Laserresonaturen so entworfen, daß sie
die Aufrechterhaltung einer stabilen Orientierung dieser
optischen Komponenten gewährleisten. Dieses Erfordernis des
Aufbaus zwang zur Benutzung hochfester Materialien, so wie
Invar Glas, Granit, Stahl und verschiedene Keramiken zum
Resonatoraufbau.
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Wärme, die als unerwünschtes Nebenprodukt des Laserbetriebs
entwickelt wird, hat ebenfalls Zwänge auf den Aufbau von
Laserresonatoren ausgeübt. Temperaturänderungen, die durch
solche Wärme erzeugt werden, haben thermisch verursachte
Störungen des Resonators und damit verbunden Fehlabstimmung der
optischen Komponenten innerhalb des Resonators zur Folge.
Dementsprechend sind übliche Laserbauweisen dieses Problem
durch die Verwendung von Materialien angegangen, die einen
niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wie Invar,
Quarz und verschiedene Keramiken, und auch durch die
Verwendung äußerer Kühlmittel, um den Resonator zu stabilisieren.
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Die Verwendung von Blitzlampen, lichtaussendenden Dioden,
Laserdioden und Laserdiodenanordnungen um ein Festkörper-,
laserkorrelierte Wellen aussendendes Material optisch zu
pumpen oder anzuregen, ist bekannt. Laserkorrelierte Wellen
aussendende
Materialien, die üblicherweise in solchen
Festkörperlasern verwendet werden, umfassen kristalline oder
glasartige Trägermaterialien, in die ein aktives Material wie
dreiwertige Neodymionen eingeschlossen ist. Übliche
Trägermaterialien für Neodymdioden umfassen Glas und
Yttrium-Aluminiumgranat (abgekürzt YAG). Wenn beispielsweise
neodymdotiertes YAG als laserkorrelierte Wellen aussendendes Material in
einen optisch gepumpten Festkörperlaser verwendet wird, wird
dieser typisch durch Absorption von Licht gepumpt, welches
eine Wellenlänge von um 810 nm hat, und sendet Licht aus, das
eine Wellenlänge von 1064 nm aufweist.
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Das US-Patent 3 624 545, erteilt an Ross am 30. November
1971, beschreibt einen optisch gepumpten Festkörperlaser, der
mit einem YAG-Stab aufgebaut ist, der durch wenigstens eine
Halbleiter-Laserdiode seitlich gepumpt ist. Ähnlich offenbart
US-Patent 3 753 145, erteilt an Chesler am 14. August 1973,
die Verwendung einer oder mehrerer lichtaussendender
Halbleiterdioden, um einen neodymdotierten YAG-Stab am Ende zu
pumpen. Die Verwendung einer Anordnung gepulster Laserdioden,
um ein festes, laserkorrelierte Wellen aussendendes Material,
wie neodymdotiertes YAG am Ende zu pumpen, ist in dem US-
Patent 3 982 201, herausgegeben an Rosenkrantz et al. am 21.
September 1976, offenbart. Schließlich hat D.L. Sipes, Appl.
Phys. Lett., Band 47, Nr. 2, 1985, Seiten 74 bis 75,
berichtet, daß die Verwendung einer eng fokussierten Halbleiter-
Laserdiodenanordnung zum Pumpen am Ende eines neodymdotierten
YAG einen hohen Umwandlungswirkungsgrad der Pumpstrahlung mit
einer Wellenlänge von 810 nm in eine Ausgangsstrahlung mit
einer Wellenlänge von 1064 nm zeigt.
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Materialien mit nicht linearen optischen Eigenschaften sind
bekannt; sie haben die Eigenschaft, als
Harmonischen-Generatoren zu wirken. Beispielsweise offenbart das U.S. Patent
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3,949,323, welches Bierlen et al. am 6.04.1976 erteilt wurde,
die Verwendung von Materialien als Zweiten
Harmonischen-Generatoren, welche die Formel MTiO(XO&sub4;) aufweisen, wobei M
wenigstens eines der K, Rb, Tl und NH&sub4; ist; X wenigstens eines von
P oder As ist, ausgenommen wenn NH&sub4; vorliegt, wobei dann X nur
P ist. Diese generische Formel umfaßt Kaliumtitanylphosphat
KTiOPO&sub4;, ein besonders zweckmäßiges nichtlineares Material.
Andere bekannte nichtlineare optische Materialien umfassen,
ohne hierauf beschränkt zu sein, KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, LiIO&sub3;,
HIO&sub3;, KB&sub5;O&sub8;·4H&sub2;O und Harnstoff. Eine Übersicht der nichtlinearen
optischen Eigenschaften einer Anzahl verschiedener einachsiger
Kristalle ist in Sov. J. Quantum Electron, Band 7, Nr. 1,
Januar 1977, Seiten 1-13, veröffentlicht worden.
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Nichtlineare optische Materialien können zum
Frequenzverdoppeln der Ausgangsstrahlung eines Festkörperlasers verwendet
werden. Beispielsweise ist durch R.F. Belt et al., Laser
Focus/Electro-Optics, Oktober 1985, Seiten 120-121, berichtet
worden, daß Kaliumtitanylphosphat verwendet werden kann, um
die 1.064 nm Ausgangsgröße eines Neodym-dotieren YAG Lasers zu
verdoppeln, um Licht zu bilden, welches eine Wellenlänge von
532 nm hat.
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Das U.S. Patent 4,276,520, erteilt an Rosenberg am 30. Juni
1981, ist auf einen tragbaren, optisch gepumpten Laser
gerichtet, der von einem kristallinen, laserkorrelierte Wellen
aussendenden Material Gebrauch macht. Jedoch verwendet dieser
Laser eine Blitzlichtröhre statt einer Festkörperanordnung als
optisches Pumpmittel, und das Patent offenbart nicht oder
schlägt nicht vor die Verwendung einer Trägerstruktur, die so
ausgebildet ist, daß die verschiedenen Laserkomponenten
aufgenommen und entlang eines optischen Weges bei Einsetzen in die
Trägerstruktur gegeneinander ausgerichtet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein
optisch gepumpter Festkörperlaser, der robust, leicht und
kompakt ist, durch die Verwendung einer Trägerstruktur
unkompliziert erstellt werden kann, die so ausgebildet ist, daß sie
verschiedene Laserkomponenten aufnimmt und gegeneinander
ausrichtet. Für den vorliegenden Fall bedeutet eine
"Laserkomponente" ein optisches Pumpmittel und Ausgangskoppler zusammen
mit jedweden dazwischen angeordneten aktiven oder passiven
optischen Elementen sowie jegliche zusätzliche Einfassung
dieser Elemente, wobei die Elemente ein Verstärkermedium und
jedwede fokussierenden und nichtlinearen Elemente einschließt,
jedoch keine Stromversorgung für die optischen Pumpmittel
umfaßt. Es wird natürlich verstanden werden, daß der
Ausgangskoppler den Spiegel umfaßt, welcher das Ende des
Laserresonators oder Hohlraums bestimmt.
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Entsprechend der Erfindung ist ein optisch gepumpter Laser
vorgesehen, der umfaßt:
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(a) Festkörperkomponenten zum Erzeugen von Laserlicht in
einem optischen Weg, der optische Festkörper-Pumpmittel
zum Erzeugen einer optischen Pumpstrahlung bei einer
vorgewählten Wellenlänge und ein laserkorrelierte Wellen
aussendendes Element umfaßt, welches ein festes
schwingendes Material zum Empfang der Strahlung von dem
optischen Pumpmittel und Aussenden von Laserlicht umfaßt;
sowie
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(b) einen Träger für die Festkörperkomponenten umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine einteilige oder
zweiteilige Bauweise aufweist, (9, 19 oder 27), aus
thermoplastischen oder duroplastischen Materialien besteht,
welche einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und
einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen, und mit
getrennten Vertiefungen zur Aufnahme der entsprechenden
Komponenten (3, 4, 6, 7 oder 20, 22, 23, 25) versehen
ist, daß die Formen und gegenseitigen Abstände der
Vertiefungen die entsprechenden Positionierungen der
Komponenten bei deren Einfügen in ihre entsprechenden
Vertiefungen sicherstellen, wodurch die Komponenten in einem
optischen Weg in betriebsmäßiger Zuordnung bei Einfügung
in ihre entsprechenden Vertiefungen ausgerichtet sind und
jede Vertiefung zur Aufnahme einer bestimmten Komponente
ausgebildet ist.
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Die Erfindung schafft einen verbesserten optisch gepumpten
Festkörperlaser, der leicht und kompakt sowie verhältnismäßig
stoßunempfindlich ist, der leicht herzustellen und einfach für
eine Massenproduktion anzupassen ist. Der Träger kann z. B.
durch Einsatz von Spritzgußtechniken hergestellt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 der Zeichnungen stellt eine auseinandergenommene
Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung dar.
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Fig. 2 der Zeichnungen ist ein Schnitt durch dieselbe
Ausführungsform der Erfindung wie in Fig. 1 gezeigt.
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Fig. 3 der Zeichnungen ist eine auseinandergenommene
Darstellung einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.
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Fig. 4 der Zeichnungen ist ein Schnitt durch dieselbe
Ausführungsform dieser Erfindung wie in Fig. 3 dargestellt.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Während diese Erfindung in vielen Formen verwirklicht werden
kann, sind in den Fig. 1 bis 4 zwei besondere
Ausführungsformen gezeigt, wobei mit der vorliegenden Offenbarung keine
Beschränkung der Erfindung auf die dargestellten
Ausführungsformen beabsichtigt ist.
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Fig. 1 und 2 der Zeichnungen stellen ein einziges
Ausführungsbeispiel des optisch gepumpten Lasers nach dieser
Erfindung
dar, der einen im wesentlichen zylindrischen Aufbau hat.
Fig. 1 ist eine auseinandergenommene Darstellung dieser
Ausführungsform, während Fig. 2 einen Schnitt darstellt.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird Licht von einem
optischen Pumpmittel, welches aus Elementen 1 und 2 besteht,
durch eine Linse 3 auflaserkorrelierte Wellen aussendendes
Material 4 fokussiert, welches eine geeignete reflektierende
Schicht auf einer Oberfläche 5 aufweist und welches durch das
Licht von dem Pumpmittel (1 und 2) gepumpt werden kann. Die
reflektierende Schicht auf der Oberfläche 5 ist
hochtransparent für Licht, welches durch das Pumpmittel (1 und 2) erzeugt
wird, ist aber hochreflektierend für Licht, welches durch das
Schwingen des laserkorrelierte Wellen aussendenden Materials 4
erzeugt ist. Das durch das Schwingen des laserkorrelierte
Wellen aussendenden Materials 4 emittierte Licht wird durch
nichtlineares optisches Material 6 zu einem Ausgangskoppler 7
geleitet, welcher eine geeignete reflektierende Schicht auf
einer Oberfläche 8 aufweist, die hochreflektierend für Licht
ist, welches durch laserkorrelierte Wellen aussendendes
Material 4 emittiert ist, aber im wesentlichen transparent für
frequenzverändertes Licht ist, welches durch nichtlineares
optisches Material 6 erzeugt wird. Der Ausgangskoppler 7 ist
so konfiguriert, daß er zum Kollimieren der Ausgangsstrahlung
von dem Laser dient, welche durch ihn hindurchtritt.
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Jede der Komponenten des Lasers, des optischen Pumpmittels (1
und 2), der Linse 3, des laserkorrelierte Wellen aussendenden
Materials 4, des nichtlinearen optischen Materials 6 und des
Ausgangskopplers 7 paßt in eine Trägerstruktur, die aus zwei
Teilen 9 und 10 besteht, welche zusammen passen und die
Komponenten in einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse
einschließen. Die Trägerstruktur (9 und 10) ist so aufgebaut, daß
sie die Komponenten aufnimmt und entlang eines optischen Wegs
bei Einsetzen in die Trägerstruktur gegeneinander ausrichtet.
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Geeignete optische Pumpmittel umfassen, ohne hierauf
beschränkt zu sein, Laserdioden, lichtaussendende Dioden und
Laserdioden-Anordnungen zusammen mit jedweden zusätzlichen
Einfassungen oder Strukturen. In dem vorliegenden Fall umfaßt
der Ausdruck "optische Pumpmittel" jedwede Wärmeableitmittel
oder Einfassung, die den Laserdioden, lichtemittierenden
Dioden und Laserdioden-Anordnungen zugeordnet sind, schließt
jedoch jedwede zugeordnete Stromversorgung aus. Beispielsweise
sind solche Anordnungen gewöhnlich an wärmebeständige und
wärmeleitende Wärmeableitmittel angebracht und in einem
Metallgehäuse eingebettet. Eine sehr brauchbare optische
Pumpquelle besteht aus einer Gallium-Aluminium-Arsenid-Laserdiode
2, die Licht von einer Wellenlänge um 810 nm aussendet, welche
am Wärmeableitmittel 1 angebracht ist. Der Charakter des
Wärmeableitmittels 1 kann passiv sein. Jedoch kann das
Wärmeableitmittel 1 auch einen thermoelektrischen Kühler umfassen,
der dazu beiträgt, die Laserdiode 2 auf einer konstanten
Temperatur zu halten und dadurch die bestmögliche Betriebsweise
der Laserdiode 2 sicherzustellen. Es ist natürlich davon
auszugehen, daß während des Betriebs des optischen Pumpmittels
dieses an eine geeignete Stromversorgung angeschlossen ist.
Elektrische Zuleitungen von der Laserdiode 2, die zu einer
Stromversorgung führen, sind in den Fig. 1 und 2 nicht
dargestellt.
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Die Linse 3 dient zum Fokussieren des Lichts von der
Laserdiode 2 auf laserkorreliertes Licht abstrahlendes Material 4.
Dieses Fokussieren hat eine hohe Pumpintensität sowie einen
damit verbundenen hohen Wirkungsgrad der
Photonen/Photonenumwandlung in dem laserkorrelierte Wellen aussendenden
Material 4 zur Folge. Jedwedes übliche Mittel zum Fokussieren von
Licht kann anstelle der einfachen Linse 3 verwendet werden.
Beispielsweise können eine Linse mit ansteigendem
Brechungsindex (gradient Index lens), eine Kugellinse, eine asphärische
Linse oder eine Kombination von Linsen verwendet werden. Es
wird jedoch verstanden, daß die Linse 3 für den Laser dieser
Erfindung nicht wesentlich ist und daß die Verwendung solcher
Fokussiermittel lediglich eine bevorzugte Ausführungsform
darstellt.
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Jedwedes übliche laserkorreliertes Licht aussendende Material
4 kann verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß es durch
das ausgewählte optische Pumpmittel optisch gepumpt werden
kann. Geeignete laserkorreliertes Licht aussendende
Materialien umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Materialien,
die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus glasartigen und
kristallinen Massenmaterialien (host materials) bestehen,
welche mit einem aktiven Material dotiert sind. Sehr geeignete
aktive Materialien umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein,
Ionen von Chrom, Titan und den seltenen Erdmetallen. Als
spezielles Beispiel ist Neodym-dotiertes YAG ein sehr geeignetes
laserkorrelierte Wellen abstrahlendes Material 4 zur
Verwendung mit einem optischen Pumpmittel, welches Licht bei einer
Wellenlänge von 810 nm erzeugt. Das Neodym-dotierte YAG kann,
wenn es mit Licht dieser Wellenlänge gepumpt wird, Licht
emittieren, welches eine Wellenlänge von 1.064 nm aufweist.
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Laserkorrelierte Wellen aussendendes Material 4 ist als Stab
in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Jedoch kann die genaue
geometrische Form dieser Komponente in großem Umfang variieren.
Beispielsweise kann das laserkorrelierte Wellen aussendende
Material linsenförmige Oberflächen oder rhomboedrische Form
aufweisen, wenn dies gewünscht wird. Obwohl es nicht in den
Zeichnungen dargestellt ist, schließt eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung die Verwendung einer Faser von
laserkorrelierte Wellen aussendendem Material ein, welches durch
optische Pumpmittel am Ende gepumpt ist. Sehr geeignete Fasern
für diesen Zweck schließen, ohne hierauf beschränkt zu sein,
optische Glasfasern ein, die mit Ionen eines seltenen Erde-
Metalls, wie Neodym, dotiert sind. Die Länge einer solchen
Faser kann einfach eingestellt werden, um im wesentlichen das
gesamte Licht von den optischen Pumpmitteln zu absorbieren.
Wenn eine sehr lange Faser benötigt ist, kann sie
beispielsweise auf einer Spule gewickelt sein, um die Gesamtlänge des
Lasers nach dieser Erfindung zu minimieren.
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Das laserkorrelierte Wellen aussendende Material 4 hat eine
Reflexionsbeschichtung auf seiner Oberfläche 5. Diese
Beschichtung ist ihrer Art nach konventionell und so ausgewählt,
daß sie so viel wie möglich von der einfallenden Pumpstrahlung
von der Laserdiode 2 durchläßt, während sie hinsichtlich der
Strahlung, die durch Lasererregung des laserkorrelierte Wellen
aussenden Materials 4 erzeugt wird, hoch reflektierend ist. In
einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Beschichtung auch
hoch reflektierend für die zweite Harmonische der Strahlung,
die durch Lasererregung des laserkorrelierte Wellen aus
sendenden Materials 4 erzeugt wird. Die hohe Reflexion dieser
zweiten Harmonischen dient dazu, pumpseitigen Verlust jedweder in
ihrer Frequenz verdoppelten Strahlung zu verhindern, die durch
nicht lineares optisches Material 6 bei Reflexion von Licht,
dessen Frequenz nicht frequenzverdoppelt wird, zurück durch
das nichtlineare optische Material 6 durch die Beschichtung
auf der Oberfläche 8 erzeugt wird.
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Für einen Neodym-dotierten YAG Stab 4, der mit Licht einer
Wellenlänge von 810 nm gepumpt ist, sollte die Beschichtung
auf der Oberfläche 5 im wesentlichen transparent für dieses
Licht von 810 nm sein und stark reflektierend für Licht,
welches eine Wellenlänge von 1.064 nm hat. In einer stark
bevorzugten Ausführungsform ist diese Beschichtung auch hoch
reflektierend für Licht einer Wellenlänge von 532 nm, der
zweiten Harmonischen des voranstehend genannten Lichts von 1.064
nm. Es soll natürlich angenommen werden, daß der hinsichtlich
der Wellenlänge selektive Spiegel, der durch die Beschichtung
auf der Oberfläche 5 geschaffen ist, nicht auf dieser
Oberfläche angeordnet sein muß. Wenn gewünscht, kann dieser
Spiegel irgendwo zwischen dem optischen Pumpmittel und dem
laserkorrelierte Wellen aussendenden Material angeordnet sein und
kann aus einer Beschichtung bestehen, die auf irgendeinem
geeigneten Substrat aufgebracht ist. Außerdem kann der Spiegel
jedwede geeignete Form aufweisen.
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Das durch Lasererregung des laserkorrelierte Wellen aus
sendenden Materials 4 ausgesendete Licht wird durch das nicht
lineare optische Material 6 geleitet. Durch richtige Orientierung
der Kristallstruktur des nichtlinearen optischen Materials 6
hinsichtlich des einfallenden Lichts, welches durch das
laserkorrelierte Wellen aussendende Material 4 erzeugt wird, kann
die Frequenz des einfallenden Lichts modifiziert werden,
beispielsweise verdoppelt oder verdreifacht werden, indem es
durch das nichtlineare optische Material 6 hindurchtritt. Als
spezifisches Beispiel kann Licht einer Wellenlänge von 1.064
nm von einem Neodym-dotierten YAG laserkorrelierte Wellen
abstrahlenden Material 4 in Licht umgewandelt werden, das eine
Wellenlänge von 532 nm nach Durchgang durch nichtlineares
optisches Material 6 hat. Obwohl nichtlineares optisches
Material 6 als ein Stab in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, kann
davon ausgegangen werden, daß die geometrische Form dieser
Komponente in großem Umfange variieren kann. Beispielsweise
kann das nichtlineare optische Material linsenförmige
Oberflächen oder eine rhomboedrische Form haben, wenn dies
gewünscht wird. Es kann auch davon ausgegangen werden, daß
jedwede nichtlineare optische Komponente Heiz- oder Kühlmittel
umfassen kann, um die Temperatur des nichtlinearen optischen
Materials zu regeln und damit dessen Eignung als Harmonischen-
Erzeuger zu optimieren.
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Kaliumtitanoxylphosphat ist ein stark bevorzugtes
nichtlineares optisches Material. Jedoch kann davon ausgegangen werden,
daß jedwedes der vielen bekannten nichtlinearen optischen
Materialien bei der Durchführung dieser Erfindung verwendet
werden kann. Solche bekannten nichtlinearen optischen
Materialien umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, KH&sub2;PO&sub4;,
LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, LiIO&sub3;, HIO&sub3;, KB&sub5;O&sub8;·4H&sub2;O, Harnstoff und Verbindungen
der Formel MTiO(XO&sub4;), worin M aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus K, Rb und Tl besteht und X aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus P und As besteht. Es wird auch davon auszugehen
sein, daß nichtlineares optisches Material 6 keine wesentliche
Laserkomponente ist und daß dessen Benutzung lediglich eine
Ausführungsform dieser Erfindung darstellt.
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Als Auswirkung der Tatsache, daß nichtlineares optisches
Material 6 nicht zu 100% als Erzeuger einer zweiten Harmonischen
wirksam ist, wird Licht, welches ausgehend von
laserkorrelierte Wellen aussendenden Material 4 durch diese Komponente
hindurchgetreten ist, gewöhnlich aus einem Gemisch
frequenzverdoppelten Lichts und unmodifizierten Lichts bestehen. In dem
Fall des Lichts, welches eine Wellenlänge von 1.064 nm von dem
Neodym-dotieren YAG als laserkorrelierte Wellen aussendenden
Material 4 hat, wird das Licht, das durch das nichtlineare
optische Material 6 hindurchgetreten ist, ein Gemisch von
1.064 nm und 532 nm Wellenlängen aufweisen. Dieses
Wellenlängengemisch wird zu dem Ausgangskoppler 7 geleitet, der eine
Wellenlängen-selektive reflektierende Beschichtung auf einer
Oberfläche 8 aufweist. Die Art dieser Beschichtung ist üblich
und in der Weise ausgewählt, daß sie im wesentlichen
transparent für Licht von 532 nm ist, aber hoch reflektierend für
Licht von 1.064 nm. Demgemäß wird im wesentlichen nur
frequenzverdoppeltes Licht einer Wellenlänge von 532 nm durch den
Ausgangskoppler emittiert.
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Der Wellenlängen-selektive Spiegel, der durch die Beschichtung
auf der Oberfläche 8 geschaffen ist, braucht nicht den genauen
Aufbau, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, aufzuweisen
und kann von jedweder üblichen Form sein. Beispielsweise kann
der Wellenlängen-selektive Spiegel durch eine Beschichtung auf
einer Oberfläche 11 des nichtlinearen optischen Materials 6
geschaffen sein. In diesem Fall sollte der Ausgangskoppler 7
entweder entfernt sein oder durch optische Mittel ersetzt
sein, deren einziger Zweck das Kollimieren oder anderweitige
Modifizieren der Ausgangsstrahlung von dem Laser ist. Jedoch
hat die konkave Form des Spiegels, der durch die Beschichtung
auf der Oberfläche 8 geschaffen ist, den Vorteil,
reflektiertes Licht, welches nicht frequenzverdoppelt worden ist, zurück
auf das nichtlineare optische Material 6 durch das
laserkorrelierte Wellen abstrahlende Material 4 und auf die
Beschichtung
auf der Oberfläche 5 zu fokussieren. Wie oben ausgeführt,
ist in einer bevorzugten Ausführungsform diese Beschichtung
hoch reflektierend sowohl für frequenzverdoppeltes als auch
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-unmodifiziertes Licht von der Lasererregung des
laserkorrelierte Wellen aussendenden Materials 4. Demgemäß wird
frequenzunmodifiziertes Licht, welches durch die Beschichtung auf der
Oberfläche 8 reflektiert ist, teilweise durch den Durchgang
durch das nichtlineare optische Material 6 frequenzverdoppelt,
wobei das entstehende Gemisch von Wellenlängen durch die
Beschichtung auf der Oberfläche 5 zurück durch das nichtlineare
optische Material 6 reflektiert wird, indem einiges des
restlichen frequenzunmodifizierten Lichts frequenzverdoppelt wird,
und das frequenzverdoppelte Licht wird durch den
Ausgangskoppler 7 abgegeben. Abgesehen von Verlusten, die infolge von
Vorgängen wie Streuung oder Absorption auftreten, wird durch
weitere Wiederholung dieser Abläufe von Vorgängen im Ergebnis
das gesamte durch Lasererregen des laserkorrelierte Wellen
aussendenden Materials 4 erzeugte Licht frequenzverdoppelt und
durch den Ausgangskoppler 7 emittiert.
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Eine Trägerstruktur (9 und 10) wird mit Ausnehmungen aus ihr
aufgebaut, welche die verschiedenen Laserkomponenten aufnehmen
und entlang eines optischen Wegs bei ihrem Einsetzen
ausrichten. Jede Ausnehmung ist so strukturiert, daß sie eine
spezifische Komponente aufnimmt, kann jedoch im übrigen von jeder
gewünschten geometrischen Form sein. Beispielsweise kann die
Ausnehmung eine V-förmige oder U-förmige Rille geeigneter
Länge sein. Die Trägerstruktur ist so ausgebildet, daß die
Laserkomponenten zueinander innerhalb der vorgegebenen
Toleranzen beim Einsetzen in die Trägerstruktur (9 und 10)
ausgerichtet werden. Die Trägerstruktur ist demgemäß so
ausgebildet, daß die Laserkomponenten in betriebsmäßiger Zuordnung
zueinander entlang einem optischen Weg beim Einsetzen in die
Trägerstruktur (9 und 10) ausgerichtet werden.
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Die Trägerstruktur ist aus zwei Teilen 9 und 10
zusammengesetzt, die zusammen passen. Die beiden Teile können
miteinander
durch irgendeine übliche Technik oder Kombination von
Techniken verbunden werden. Beispielsweise können die Teile 9
und 10 zusammengeschweißt werden oder miteinander mit einem
oder mehreren Klebstoffen oder Bindemitteln verbunden werden.
Alternativ können die Teile 9 und 10 durch mechanische
Befestigungsmittel miteinander verbunden werden, wie
Befestigungsmittel des Einrasttyps, die in den Teilen selbst
eingeschlossen sind.
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Die Trägerstruktur (9 und 10), die in den Fig. 1 und 2
dargestellt ist, bildet eine im wesentlichen rohrförmige
Struktur um die verschieden Laserkomponenten. Es wird jedoch
davon auszugehen sein, daß dies nur eine Ausführungsform der
Erfindung ist und daß die Trägerstruktur gemäß dieser
Erfindung von jedweder geeigneten Form oder Konfiguration sein
kann. Beispielsweise braucht die Trägerstruktur die
Laserkomponenten nicht aufallen, sondern nur auf zwei Seiten zu
umgeben, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Wenn gewünscht,
kann die Trägerstruktur so ausgebildet sein, daß sie eine im
wesentlichen flache Plattform, eine Mulde oder eine Wanne
bildet. Es kann davon ausgegangen werden, daß die genaue Form
und Konfiguration der Trägerstruktur häufig durch Erwägungen
der beabsichtigten Verwendung des Lasers bestimmt wird.
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Die Trägerstruktur gemäß dieser Erfindung besteht aus
thermoplastischen Materialien und wärmehärtbaren Materialien.
Außerdem kann die Trägerstruktur durch jedwede übliche Technik
hergestellt werden. Eine stark bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung schließt die Verwendung einer Trägerstruktur ein,
die aus wenigstens einem thermoplastischen Material besteht.
Geeignete thermoplastische Materialien umfassen, ohne hierauf
beschränkt zu sein, Polyvinylchlorid, Nylon,
Fluorkohlenstoffe, lineare Polyethylene, Polyurethanprepolymer, Styropor
(Polystyrol), Polypropylen und Zelluloseharze sowie
Acrylharze. Wenn gewünscht, können Komposite solcher thermoplastischer
Materialien mit verschiedenen Fasern oder anderen
verstärkenden Bestandteilen ebenfalls benutzt werden. Thermoplastische
und Glasträger-Strukturen können günstig durch
Spritzgußtechniken hergestellt werden.
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Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, kann die Trägerstruktur
aus zwei oder mehr Segmenten hergestellt werden, die dann um
die Laserkomponenten zusammengesetzt werden.
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Der optisch gepumpte Festkörperlaser gemäß dieser Erfindung
kann im wesentlichen von jeder Größe sein, ist aber
vorzugsweise sehr klein. Beispielsweise ist es wünschenswert, daß die
Gesamtlänge der Trägerstruktur, welche die verschiedenen
Laserkomponenten enthält, weniger als 20 cm, vorzugsweise
weniger als 10 cm, und besonders bevorzugt weniger als 5 cm
beträgt. Infolge solcher verhältnismäßig geringer Größen werden
Kunststoffe in hohem Maße zur Verwendung beim Aufbau der
Trägerstruktur für die Laserkomponenten geeignet. Bei diesen
verhältnismäßig geringen Größen sind die verhältnismäßig
schlechten Festigkeits- und Wärmeausdehnungseigenschaften von
Kunststoffen im wesentlichen unerheblich.
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Die Fig. 3 und 4 stellen eine andere einfache
Ausführungsform der Erfindung dar. Fig. 3 ist eine auseinandergenommene
Ansicht dieser Ausführungsform, während Fig. 4 ein Schnitt
ist.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 ist Licht von einem
optischen Pumpmittel, welches aus Elementen 20 und 21 besteht,
durch eine Linse 22 auf laserkorrelierte Wellen aussendendes
Material 23 fokussiert, welches eine geeignete
Reflex-Beschichtung auf einer Oberfläche 24 aufweist und geeignet ist,
durch das Licht von den Pumpmitteln (20 und 21) gepumpt zu
werden. Die Reflex-Beschichtung auf einer Oberfläche 24 ist
bezüglich Licht von Pumpmitteln (20 und 21) hoch transparent,
aber ist stark reflektierend für Licht, welches durch die
Lasererregung des laserkorrelierte Wellen aussendenden
Materials 23 erzeugt wird. Licht, welches durch die Lasererregung
des laserkorrelierte Wellen aussendenden Materials 23
emittiert
wird, ist auf einen Ausgangskoppler 25 gerichtet, der
eine geeignete Reflex-Beschichtung auf einer Oberfläche 26
aufweist und so aufgebaut ist, daß er das durch ihn
hindurchtretende Licht kollimiert.
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Die Reflex-Beschichtung auf der Oberfläche 26 wird so
ausgewählt, daß sie einiges, aber nicht das gesamte Licht
durchläßt, welches durch die Lasererregung des laserkorrelierte
Wellen aussendenden Materials 23 emittiert wird.
Beispielsweise kann die Beschichtung auf der Oberfläche 26 einen
Reflexionsfaktor von ungefähr 95% des Lichts aufweisen, welches von
dem laserkorrelierte Wellen aussendenden Material 23 emittiert
wird. Geeignete Reflex-Beschichtungen zur Verwendung auf den
Oberflächen 24 und 26 gehören zum Stand der Technik.
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Jede der Laserkomponenten, die optischen Pumpmittel (20 und
21), die Linse 22, das laserkorrelierte Wellen aussendende
Material 23 und der Ausgangskoppler 25 passen in die
Trägerstruktur 27. Die Trägerstruktur 27 wird mit einer speziellen
Ausnehmung für jede Laserkomponente aufgebaut, wobei die
Ausnehmungen geeignete Abstände zueinander aufweisen. Beim
Einsetzen in diese Ausnehmungen sind die verschiedenen
Komponenten von selbst zueinander entlang einem optischen Weg
angeordnet. Wenn gewünscht, können die verschiedenen Laserkomponenten
dauernd an ihrer Stelle fixiert sein, nachdem sie in die
Trägerstruktur eingesetzt sind, indem übliche mechanische Mittel
oder übliche Klebstoffe oder Binder gebraucht werden.
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Ein im wesentlichen rohrförmiges Gehäuse 28 paßt um die
Trägerstruktur 27 und Laserkomponenten (20 und 21), 22, 23 und
25. Das Gehäuse ist mit einem Flansch 29 an einem Ende
ausgestattet und dazu eingerichtet, den Endstöpsel 30 an dem
anderen Ende aufzunehmen. Der Endstöpsel 30 kann an das Gehäuse 28
durch Schweißen oder durch die Verwendung eines oder mehrerer
Klebstoffe oder Binderstoffe angebracht werden. Alternativ
dazu kann der Endstöpsel an das Gehäuse mit mechanischen
Mitteln angebracht sein. Beispielsweise können der Stöpsel 30 und
das Gehäuse 28 mit Schraubgewinden versehen sein, so daß sie
zusammengeschraubt werden können und durch die Schraubgewinde
zusammengehalten werden.
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Das Gehäuse 28 und der Endstöpsel 30 können aus jedwedem
geeigneten Material hergestellt sein. Solche Materialien
umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Metalle, Keramiken,
thermoplastische Materialien und wärmehärtbare Materialien.
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Zum Zweck der besonderen Veranschaulichung besteht das
optische Pumpmittel aus einem Wärmeableiter 20 und einem Gallium-
Aluminium-Arsenid-Dioden-Laser 21, der Licht mit einer
Wellenlänge von 810 nm emittiert. Elektrische Leitungen von der
Laserdiode 21, die zu einer Stromversorgung führen, sind in
den Fig. 3 und 4 nicht dargestellt. Licht von der
Laserdiode 21 ist durch eine Linse 22 auf einen Stab von
Neodym-dotiertem YAG 23 fokussiert, welches Licht aussendet, das eine
Wellenlänge von 1.064 nm hat, und Licht dieser Wellenlänge
wird von dem Laser durch den Ausgangskoppler 25 in einem
kollimierten oder sonst geeignet divergierenden Strahlenbündel
abgegeben.
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Im Vergleich mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2
unterscheidet sich die Ausführungsform nach den Fig. 3 und
4 in folgendem: (a) sie verwendet kein nichtlineares optisches
Material (6 in Fig. 1 und 2); (b) die Trägerstruktur in den
Fig. 1 und 2 besteht aus zwei Segmenten 9 und 10, während
die Trägerstruktur 27 in den Fig. 3 und 4 aus einem
einzigen Segment besteht; und (c) ein Gehäuse 28 ist um die
Trägerstruktur und Laserkomponenten in den Fig. 3 und 4
angepaßt, aber nicht in den Fig. 1 und 2.