DE3930328A1 - Temperatursteuerung eines flaechengepumpten festkoerperplattenlasers durch eine aktive seitenschiene - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Festkörperplattenlaser, die auch als seitenflächengepumpte Laser mit totaler innerer Reflexion oder, abgekürzt, als TIR-FPL (total internal reflection, face pumped lasers) bezeichnet werden, und betrifft insbesondere Laservorrichtungen, die eine bessere Ausgangsleistung haben und eine bessere Strahlqualität liefern.

Ein seitenflächengepumpter Laser mit totaler innerer Reflexion weist ein Festkörperlasermedium wie Neodymyttriumaluminiumgranat- oder Neodym-Glas in Form einer ebenen, insgesamt rechteckigen Platte auf. Die Platte wird durch Lampen oder andere Quellen optisch derart gepumpt, daß elektromagnetische Energie auf die großen ebenen Flächen des Lasermediums auftrifft, um die Atome in dem Medium in einen erhöhten metastabilen Energiezustand zu pumpen.

Während des Betriebes des Lasers wird in dem Lasermedium beträchtliche Wärme aufgrund des optischen Pumpens zum Erzeugen einer Populationsinversion von Atomen erzeugt. Im allgemeinen wird eine Oberflächenkühlung benutzt, beispielsweise durch Hinwegleiten eines Kühlfluids über die großen ebenen Seitenflächen der Platte, um die Wärme aus dem Lasermedium abzuleiten. Die meisten Festkörperlasermaterialien haben jedoch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, und die Oberflächenkühlung führt zu einem Wärmegradienten zwischen der gekühlten äußeren Oberfläche und dem relativ heißen Zentralgebiet der Laserplatte. Das erzeugt eine variable Wärmespannung in der Platte, die dadurch verursacht wird, daß das Zentrum der Platte auf Druck und die relativ kalte Oberfläche auf Zug beansprucht wird. Da der Brechungsindex des Lasermediums eine Funktion sowohl der Temperatur als auch der Spannung ist, leiden Festkörperlaser an durch Wärme verursachter Strahldefokussierung, Doppelbrechung und Depolarisation. Wegen der Wärmegradienten weisen Plattenlaser sowohl in Richtung der Breite als auch in Richtung der Dicke Wellen­ frontverzerrungen des Laserstrahls auf. Die Verzerrungen in Richtung der Dicke sind zulässig, solange sie in bezug auf die Längsachse symmetrisch sind. Die Verzerrungen in Richtung der Breite, die durch in Richtung der Breite oder quer auftretende Temperaturgradienten verursacht werden, sind nicht zulässig. Diese sind am ausgeprägtesten in der Nähe der seitlichen Oberflächen oder Seitenflächen der Platte, und die optische Verzerrung ist in diesen Bereichen am stärksten. Wenn die variable optische Verzerrung des Strahls groß genug ist, kann es unmöglich sein, sie mit einer einzelnen Linse zu kompensieren. In der Praxis führt das zu einer Verringerung der Leistungsabgabe des Lasers bei einer bestimmten Strahlqualität, wobei die Strahlqualität definiert ist als das Produkt aus dem Ausgangsstrahldurchmesser und dessen Winkeldivergenz. Bei üblichen Platten, die ein Schlankheitsverhältnis (Plattenbreite zu Plattendicke) in dem Bereich von 2 bis 2,5 haben, kann das Gebiet der gleichmäßigen optischen Verzerrung auf etwa nur das zentrale Drittel der Platte begrenzt werden. Es ist zwar zulässig, daß sich die Temperatur der Platte über der Plattendicke (der kleinen Abmessung) symmetrisch verändert, die Temperatur sollte jedoch über der ebenen Hauptfläche oder Hauptseitenfläche der Platte quer zu der Richtung der Plattendicke gleichmäßig sein und sich nicht verändern.

Versuche zum Reduzieren der Temperaturgradienten in Plattenlasern haben die Verwendung von Seitenschienen zum Steuern des Querflusses der Wärme durch die Nebenseitenflächen der Platte beinhaltet. Die Seitenschienen dienen als Wärmeisolatoren zum Verhindern des Querflusses der Wärme durch die Nebenseitenflächen und unterstützen das Erzielen einer gleichmäßigen Temperaturverzerrung über den Hauptseitenflächen der Platte. Seitenschienen haben sich jedoch als weniger als zufriedenstellend erwiesen.

Seitenschienen können zwar gute Sperren gegen Wärmeleitung sein, sie können jedoch leicht optische und thermische Strahlung aus den optischen Pumpquellen übertragen, was zu einem hohen Grad an Plattenerwärmung an den Seitenschienen führt. Infolgedessen unterscheidet sich die optische Verzerrung in diesen Gebieten von der im Zentrum der Platte, und das hat eine Verringerung von Ausgangsleistung/ Strahlqualität zu Folge.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, sind bereits partielle Seitenschienen vorgeschlagen worden, das heißt Seitenschienen, die eine Höhe haben, welche kleiner als die Dicke der Platte ist. Das ermöglicht dem Kühlfluid, mit den freiliegenden Teilen der Seitenoberflächen der Platte in Kontakt zu kommen, um die lokale Erwärmung zu reduzieren. Diese partiellen Seitenschienen können zwar eine gewisse Gleichmäßigkeit in der Querwärmeverteilung und eine gewisse Reduzierung der optischen Verzerrung in der Platte erzeugen, es ist jedoch schwierig, die richtige Größe der Seitenschiene an den Laser anzupassen, und die Seitenschienenhöhe muß häufig durch Versuche ermittelt werden. Die Seitenschiene muß außerdem für jeden Laser maßgeschneidert werden. Darüber hinaus kann, da die Temperaturgradienten in der Laserplatte eine Funktion von vielen verschiedenen Variablen sind, eine bestimmte partielle Seitenschiene nur über einem begrenzten Bereich von optischer Eingangsleistung und Kühlmittelströmungsgeschwindigkeiten wirksam sein.

Es gibt einen Bedarf an einer besseren Möglichkeit des Steuerns der Quertemperaturgradienten in TIR-FPL- Plattenvorrichtungen, die eine Seitenvariation in den thermischen Umgebungen und Betriebsbedingungen aufweisen können und on-line eingestellt oder abgestimmt werden können, um sie einem besonderen Satz von Bedingungen anzupassen, damit die optimale Laserleistung erzielt wird. Auf diese Ziele ist die Erfindung gerichtet.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Reduzieren der Verzerrung in einem Festkörperlaser und einer Laservorrichtung, welches den vorgenannten Bedarf deckt und die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen vermeidet, indem es die On-line-Steuerung der Quertemperaturgradienten in einer Plattenlaservorrichtung ermöglicht. Erreicht wird das auf eine Weise, welche die On-line-Einstellung und -Steuerung des Wärmeenergieflusses über die seitlichen Oberflächen der Platte ermöglicht. Das ermöglicht die Steuerung der Plattentemperatur in Bereichen nahe den Seitenflächen, was wiederum die Kompensation von Variationen in der Querwärmeverteilung über der Breite der Platte gestattet, so daß die Wärmeverteilung gleichmäßig gehalten und die Platte auf eine optimale Laserleistung abgestimmt werden kann.

Die Erfindung schafft, allgemein ausgedrückt, ein Verfahren zum Reduzieren der Verzerrung in einem Festkörperplattenlaser des Typs, der eine Platte aus Lasermaterial aufweist, die zwei optische Hauptseitenflächen hat, welche parallel zu einander und zu einer Längsachse der Platte angeordnet sind, sowie eine erste und eine zweite Nebenseitenfläche, welche rechtwinkelig zu den optischen Hauptseitenflächen derselben angeordnet sind. Auf wenigstens eine der optischen Hauptseitenflächen trifft elektromagnetische Energie auf, um Atome in dem Lasermaterial in einen Zustand erhöhter Energie anzuregen, und auf jeder Nebenseitenfläche ist eine Seitenschiene angeordnet. Die Temperatur jeder Seitenschiene wird gesteuert, um den Wärmeenergiefluß über jede Nebenseitenfläche und die Plattentemperatur in der Nähe jeder Nebenseitenfläche zu steuern.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Laservorrichtung mit einer Platte aus Lasermaterial, die zwei zueinander entgegengesetzte optische Hauptseitenflächen hat, welche parallel zu einander zu einer Längsachse der Platte angeordnet sind, sowie eine erste und eine zweite, entgegengesetzte Nebenseitenfläche, welche rechtwinkelig zu den Hauptseitenflächen derselben angeordnet sind. Eine Einrichtung ist vorgesehen, die elektromagnetische Energie auf wenigstens eine der Hauptseitenflächen auftreffen läßt, um Atome in der Platte in einen Zustand erhöhter Energie anzuregen, und eine erste und eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung sind an der ersten bzw. zweiten Nebenseitenfläche angeordnet, um die Temperatur an jeder Nebenseitenfläche unabhängig zu steuern und eine gleichmäßige Temperaturverteilung über der Platte in einer Richtung quer zu der Längsachse zu erzeugen.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann eine Seitenschiene auf jeder Nebenseitenfläche der Platte angeordnet sein, und eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur jeder Seitenschiene kann vorgesehen sein, um den Wärmeenergiefluß über die zugeordnete Nebenseitenfläche und die Plattentemperatur in der Nähe dieser Nebenseitenfläche zu steuern.

Die Seitenschienen nach der Erfindung sind aktiv in dem Sinn, daß die Temperatur jeder Seitenschiene unabhängig von der anderen Seitenschiene aktiv gesteuert werden kann, so daß die Seitenschiene auf gesteuerte Weise erwärmt oder gekühlt werden kann, um dadurch die Temperatur der Platte an der Seitenschiene zu verändern. Da die Temperatur jeder Seitenschiene unabhängig gesteuert werden kann, können die Seitenschienen einen asymmetrischen Quertemperaturgradienten in der Platte leicht kompensieren. Vorzugsweise deckt jede aktive Seitenschiene die gesamte Nebenseitenfläche der Platte ab und besteht aus einem Material, das optisch undurchlässig oder hochreflektierend ist, so daß optische Energie aus den Pumplampen daran gehindert wird, auf die Nebenseitenflächen der Platte aufzutreffen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Festkörperplattenlasers des Typs, bei dem die Erfindung benutzt wird, wobei die Figur eine symmetrische Temperaturverteilung über der Dicke der Platte zeigt,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Platte nach Fig. 1 und eine gleichmäßige Quertemperaturverteilung über der Breite der Platte,

Fig. 3A-3C schematisch in Draufsicht, Seitenansicht bzw. Endansicht einen Plattenlaser mit ungleichmäßigen Quertemperaturverteilungen und Plattengebiete, welche durch Quertemperaturgradienten nachteilig beeinflußt werden,

Fig. 4 in perspektivischer und teilweise schematischer Darstellung eine Laservorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Laservorrichtung nach Fig. 4,

Fig. 6 eine vergrößerte Teilendansicht der Laservorrichtung nach Fig. 5, die eine erste Ausführungsform einer Seitenschiene zeigt, welche bei der Laservorrichtung benutzt werden kann,

Fig. 7 eine vergrößerte Teilendansicht ähnlich der in Fig. 6, welche eine weitere Ausführungsform einer Seitenschiene zeigt, und

Fig. 8 in Seitenansicht und teilweise schematisch noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung ist speziell für die Verwendung bei einem seitenflächengepumpten, mit totaler innerer Reflexion arbeitenden Laser (TIR-FPL) des in der US-PS 36 33 126 beschriebenen Typs gedacht, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird, und wird in diesem Zusammenhang beschrieben. Es ist jedoch klar, daß das nur ein zur Veranschaulichung dienendes Anwendungsbeispiel der Erfindung ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine fluidgekühlte TIR-FPL- Laservorrichtung 10 mit einer homogenen ebenen Platte 12 aus Festkörperlasermedium wie neodymdotiertem Yttriumaluminiumgranat (Nd: YAG), neodymdotiertem Phosphatsilikatglas usw. Die Platte 12 kann eine insgesamt rechteckige Konfiguration mit einer oberen und einer unteren Hauptseitenfläche 14 bzw. 16, Nebenseitenflächen 18 und Stirnflächen 20 und 22 haben. Die obere und die untere Hauptseitenfläche 14 und 16, welche der Breite der Platte entsprechen, sind ebene Flächen, welche bis zu einem hohen Grad an optischer Planheit poliert sind und sich parallel zu einander und zu einer Längsachse 24 der Platte erstrecken. Elektromagnetische Energie 26 in Form von optischer Energie, die von einer oder mehreren Pumplampen 28 und 30 emittiert wird, welche an den Hauptseitenfläche 14 bzw. 16 angeordnet sind, kann auf wenigstens eine der Hauptseitenflächen 14 und 16 auftreffen und trifft vorzugsweise auf beide auf. Auf bekannte Weise pumpt die optische Energie die Atome in der Platte aus Lasermaterial in einen erhöhten metastabilen Energiezustand und erzeugt eine Populationsinversion der Atome. Die Nebenseitenflächen 18, welche der Dicke der Platte entsprechen, können insgesamt rechtwinkelig zu den Hauptseitenflächen 14 und 16 und parallel zu der Achse 24 angeordnet sein. Die Stirnflächen 20 und 22 sind parallel zueinander angeordnet, unter einem vorbestimmten Winkel gegen die Achse 24 ausgerichtet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, und vorzugsweise bis zu einer optischen Planheit poliert. Ein totalreflektierender Spiegel 34 kann an der Stirnfläche 20 angeordnet und rechtwinkelig zu der Längsachse ausgerichtet sein, und ein teilreflektierender Spiegel 36 kann an der Stirnfläche 22 angeordnet und ebenfalls rechtwinkelig zu der Achse 24 ausgerichtet sein, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Im Betrieb können die Lampen 28 und 30 erregt werden, zum Beispiel impulsweise, um optische Strahlung über die Hauptseitenflächen 14 und 16 in die Lasermediumplatte zu pumpen und die Atome in einen erhöhten metastabilen Energiezustand anzuregen. Ein Strahl 40 von kohärenter Strahlung wird insgesamt in Längsrichtung durch mehrfache innere Reflexionen an den optischen Hauptseitenflächen 14 und 16 durch die Platte geleitet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Der kohärente Strahl kann durch Spiegel 34 und 36 reflektiert werden, so daß er die Länge der Platte mehrmals durchquert. Jedesmal dann, wenn der Strahl durch die Platte hindurchgeht, wird er verstärkt, und der Strahl kann an der Stirnfläche 22 über den teilreflektierenden Spiegel 36 entnommen werden. In der Praxis können die Lampen 28 und 30 von Reflektoren (nicht dargestellt) umgeben sein, welche die durch die Lampen emittierte optische Energie auf die Hauptseitenflächen 14 und 16 reflektieren,und die Platte kann durch eine Längsfluidströmung an den Hauptseitenflächen (ebenfalls nicht dargestellt) gekühlt werden, wie es beispielsweise in der oben erwähnten US-Patentschrift beschrieben ist.

Die elektromagnetische Energie, die auf die Hauptseitenflächen 14 und 16 der Platte auftrifft, bewirkt, daß die innere Temperatur in der Platte zunimmt. In der Praxis wird die Temperaturverteilung innerhalb der Platte ungleichmäßig sein. Das Material, welches das Lasermedium der Platte bildet, hat im allgemeinen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus kann optische Energie auf die Nebenseitenflächen 18 der Platte auftreffen, und die Energie, die auf die Hauptseitenflächen 14 und 16 auftrifft, kann aufgrund von Ungleichförmigkeiten in den Lampen oder in der Reflektorkonstruktion ungleichförmig sein. Das führt zu Temperaturgradienten in der Platte, welche eine variable Wärmespannung erzeugen und Variationen in den optischen Verzerrungsmustern verursachen. Obgleich es zulässig ist, daß sich die Temperaturverteilung innerhalb der Platte symmetrisch über die Dicke der Platte (parallel zu den Nebenseitenflächen 18) verändert, wie es bei 44 in Fig. 1 dargestellt ist, sollte die Quertemperaturverteilung über der Breite der Platte (parallel zu den optischen Hauptseitenflächen) gleichmäßig sein, wie es bei 46 in Fig. 2 gezeigt ist, so daß die Temperaturverteilung innerhalb der Platte eindimensional ist.

Die symmetrische Temperaturverteilung 44 und die gleichmäßige Temperaturverteilung 46, die in den Fig. 1 bzw. 2 gezeigt sind, repräsentieren ideale Temperaturverteilungen. Fig. 3A zeigt Beispiele von ungleichmäßigen Temperaturverteilungen 48 und 50, welche nachteilige Quertemperaturgradienten in der Platte erzeugen. Wie dargestellt tendieren die Auswirkungen dieser nachteiligen Temperaturgradienten dazu, nahe der Nebenseitenflächen 18 der Platte am ausgeprägtesten zu sein, und der Einfluß der thermischen Umgebung an den Nebenseitenflächen ist über Gebieten der Plattenbreite spürbar, die sich von den Nebenseitenflächen aus über eine Strecke nach innen erstrecken, welche so groß wie die Dicke der Platte sein kann. Bei üblichen Platten mit Schlankheitsverhältnissen (Breite zu Dicke) in dem Bereich von 2 bis 2,5 kann das Gebiet der gleichmäßigen optischen Verzerrung, welches einem Wärmegradienten von null entspricht, auf den zentralen Bereich 52 der Platte begrenzt werden, der nur ungefähr einem Drittel der Plattenbreite entspricht. Die übrigen Bereiche 54 auf den entgegengesetzten Seiten des zentralen Gebietes 52 und an den Nebenseitenflächen 18 sind diejenigen, welche die stärkste Auswirkung aufgrund der nachteiligen Temperaturgradienten erfahren und die größte optische Verzerrung ergeben. Wenn die optischen Verzerrungsprofile groß genug sind, kann es unmöglich sein, sie durch eine einzelne Linse zu kompensieren. Dadurch wird die Leistungsabgabe des Lasers bei einer bestimmten Strahlqualität (dem Produkt aus Ausgangsstrahldurchmesser und dessen Winkeldivergenz) effektiv begrenzt.

Die Erfindung kompensiert diese Quertemperaturgradienten und verbessert die Ausgangsleistung und die Strahlqualität der TIR-FPL-Laservorrichtung mit Hilfe eines anderen Typs von Seitenschiene. Es hat sich gezeigt, daß Seitenschienen, die aus einem undurchsichtigen Material, zum Beispiel einer Keramik gebildet sind, und Seitenschienen, die hochreflektierende Oberflächen, beispielsweise aus Silber, haben, einen reduzierten Transmissionsfluß von optischer und thermischer Energie in die Platte ergeben und zu reduzierter optischer Verzerrung und besserer Leistung führen. Die Leistung ist jedoch nicht optimal. Es ist sehr schwierig gewesen, eine Seitenschienenkonfiguration zu finden, die den zentralen Bereich 52 geringer Verzerrung der Platte über etwa die Hälfte bis zwei Drittel der Plattenbreite hinaus verbreitert. Außerdem ist festgestellt worden, daß das optische Verzerrungsprofil manchmal asymmetrisch, d.h. nahe bei den entgegengesetzten Nebenseitenflächen der Platte unterschiedlich sein kann. Diese Asymmetrie kann Veränderungen in der thermischen Umgebung auf den beiden Seiten zugeschrieben werden, möglicherweise wegen Asymmetrien in dem Energieaufprall von den Reflektoren her, aufgrund von Differenzen in der Kühlmittelströmung über die optischen Hauptseitenflächen der Platte oder, im Falle von dünnen Seitenschienen, die eine Kühlmittelströmung um ihre Außenseite ergeben, aufgrund von variablen Kühlmittelströmungsmengen. Da die Seitenschienen inert sind, ist die Effektivität dieser passiven Seitenschienen begrenzt und von ihrer Fähigkeit abhängig, Wärmeflüsse aus der und in die Umgebung der Platte auszugleichen. Außerdem können die Seitenschienen nicht on-line justiert werden, um äußere Variationen zu kompensieren. Die Erfindung vermeidet das durch Schaffung einer aktiven Seitenschienenkonfiguration, die nun beschrieben wird.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Plattenlasers nach Fig. 1 mit einem Paar aktiver Seitenschienen 60 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 5 und 6 zeigen eine der Seitenschienen 60 etwas ausführlicher. In den Fig. 4-6 tragen Elemente des Plattenlasers, welche Elementen entsprechen, die oben bereits dargestellt und beschrieben worden sind, gleiche Bezugszeichen. Gemäß der folgenden ausführlicheren Beschreibung sind bei den Seitenschienen nach der Erfindung Vorkehrungen getroffen, welche ermöglichen, der Seitenschiene Wärme zuzuführen oder aus der Seitenschiene Wärme abzuleiten, so daß ihre Temperatur und deshalb die Wärmeübertragung zwischen den Seitenschienen und der Platte gesteuert werden kann.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 4-6 kann jede Seitenschiene 60 ein langgestrecktes Teil aufweisen, daß auf einer zugeordneten Nebenseitenfläche 18 der Platte angeordnet und mit dieser vorzugsweise verbunden ist. Die Seitenschiene erstreckt sich vorzugsweise über den größten Teil der Oberfläche der Nebenseitenfläche und hat eine Höhe, welche der Dicke der Platte angepaßt ist,und eine Länge, welche wenigstens vorzugsweise größer als die optisch gepumpte Länge der Platte, das heißt größer als die Länge der Lampen 28 und 30 ist, die in Fig. 1 gezeigt sind. Die Breite der Seitenschiene (parallel zu den planen optischen Hauptseitenflächen der Platte) ist unkritisch, obgleich erwartet wird, daß die Breite der Seitenschiene normalerweise ungefähr gleich der Dicke der Platte sein würde. (In den Fig. 4 und 6 ist die Breite der Seitenschienen 60 so dargestellt, daß sie etwas kleiner als die Plattendicke ist.) Die Seitenschienen 60 können aus einer undurchsichtigen, maschinell bearbeitbaren Keramik wie Macor oder Aluminiumoxid oder aus einem hochreflektierenden Material wie Silber bestehen. Diese Materialien lassen nur einen geringen Teil der optischen Energie, die auf ihre Oberflächen auftrifft, durch und hindern demgemäß die optische Energie aus den Lampen daran, auf die Nebenseitenflächen der Platte aufzutreffen. Dadurch wird verhindert, daß die optische Energie die Plattentemperatur in der Nähe dieser Nebenseitenflächen beeinflußt. In der Ausführungsform, die in den Fig. 4-6 dargestellt ist, kann die Seitenschiene 60 mit einem Durchlaß 62 versehen sein, der sich in Längsrichtung über die Länge der Seitenschiene parallel zu deren Längsachse erstreckt. Der Durchlaß kann in der Mittelachse der Seitenschiene angeordnet sein, und die Seitenschiene kann rohrförmige Teile 64 haben, die sich in Längsrichtung von den Enden der Seitenschienen aus erstrecken und an eine entsprechende Leitung 66 angeschlossen sind. Die Seitenschiene kann hergestellt werden, indem zwei Materialstücke miteinander verklebt werden (zum Beispiel die Materialstücke 70 und 72, die in Fig. 5 gezeigt sind), wobei eines der Materialstücke oder beide eine durch maschinelle Bearbeitung hergestellte Nut zum Bilden des Durchlasses haben können. Der Durchlaß kann auch durch ein einteiliges Materialstück gebohrt werden oder die Seitenschiene kann in der richtigen Form extrudiert werden, was von dem Material abhängig ist, aus dem sie hergestellt wird. Die Seitenschienen können mit den Nebenseitenflächen der Platte verklebt werden, indem ein organischer Klebstoff wie RTV od.dgl. benutzt wird. Vorzugsweise erfolgt das Verkleben durchgehend über der gesamten Seitenschiene/Nebenseitenfläche, wo diese aneinandergrenzen, wobei die Dicke des Klebstoffes über dieser Länge gering, aber gleichmäßig gehalten wird.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 können die Leitungen 66 jeder Seitenschiene 60 mit einem entsprechenden Fluidkreis 78 verbunden sein, der beispielsweise ein Ventil 80, eine Pumpe 82 und einen Wärmetauscher 84 aufweist (die in dieser Figur alle schematisch dargestellt sind). Jede Seitenschiene 60 ist mit einem separaten Fluidkreis 78 wie dargestellt verbunden. Die Fluidkreise ermöglichen, ein Fluid, bei dem es sich entweder um eine Flüssigkeit oder um ein Gas handelt, durch den Durchlaß 62 jeder Seitenschiene zu leiten, um so die Seitenschienentemperatur zu steuern. Das ermöglicht die Steuerung des Wärmeenergieflusses über jede Nebenseitenfläche 18 der Platte und gestattet das Einbringen von Wärme in die Platte oder das Ableiten von Wärme aus der Platte, so daß die Plattentemperatur in der Nähe jeder Nebenseitenfläche gesteuert werden kann. Die Temperatur des Fluids, das durch jede Seitenschiene strömt, und demgemäß die Temperatur der Seitenschiene kann durch den Kreis 78 eng gesteuert werden, beispielsweise durch Steuern des Fluiddurchsatzes in dem Durchlaß mit Hilfe entweder des Ventils 80 oder der Pumpe 82 oder mittels beider und/oder durch Steuern der Einlaßtemperatur des Fluids, das der Seitenschiene zugeführt wird, mit Hilfe des Wärmetauschers 84. Die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zwischen dem Fluid und der Seitenschiene kann durch bekannte Gleichungen der Wärmeübertragung durch Zwangskonvektion bestimmt werden und hängt von dem Fluiddurchsatz, der Differenz zwischen der Fluideinlaßtemperatur und der Seitenschienentemperatur und von den physikalischen Eigenschaften des Fluids und der Seitenschiene ab.

Die aktive Seitenschiene 60 nach der Erfindung dient so als ein Wärmetauscher mit Bezug auf die Platte 12, und Wärme kann zwischen der Seitenschiene und den benachbarten Plattennebenseitenflächen präzise und auf gesteuerte Weise übertragen werden, indem die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zwischen dem Fluid und der Seitenschiene gesteuert wird. Durch Steuern der Seitenschienentemperatur kann die Temperatur der Platte an der Seitenschiene gesteuert werden. Das wiederum ermöglicht die Steuerung der Temperaturverteilung über der Breite der Platte. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht die Plattentemperatur entweder zu erhöhen oder zu verringern, je nach der Temperatur des Fluids.

Da jede Seitenschiene 60 mit einem separaten Fluidkreis 78 verbunden ist, können vorteilhafterweise die Temperatur der beiden Seitenschienen auf entgegengesetzten Seiten der Platte und die Wärmeübertragung zwischen der Seitenschiene und ihrer zugeordneten Seite unabhängig gesteuert werden. Das ermöglicht, asymmetrische Temperaturverteilungen in der Platte zu kompensieren und die Leistung der Laservorrichtung on-line zu steuern, um die Leistung des Lasers zu optimieren. Endeinstellungen können on-line gemacht werden, indem die optische Verzerrung aus dem Laser gemessen und die Temperatur jeder Seitenschiene eingestellt wird, beispielsweise durch Einstellen des Fluiddurchsatzes, bis die Verzerrung über einem breiten Querteil der Platte gleichmäßig ist. Es ist klar, daß die Anordnung, die in Fig. 4 dargestellt ist, eine ziemlich präzise On-line-Steuerung der Temperaturverteilung in der Platte ermöglicht.

Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Seitenschiene 90 nach der Erfindung, in welcher der Durchlaß 92 in der Seitenschiene eine rechteckige Form haben kann, wie dargestellt, und den größten Teil der Seitenschienenabmessungen ausmachen kann. Die Seitenschiene kann beispielsweise hergestellt werden, indem zwei U-Profilteile miteinander verklebt werden. Wegen seiner großen Abmessung ermöglicht der Durchlaß 92 einen größeren Fluiddurchsatz und eine größere Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Seitenschiene sowie eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über der Nebenseitenfläche 18 der Platte als der Durchlaß 62 der Seitenschiene 60. Die Seitenschiene kann selbstverständlich andere Formen haben und beispielsweise mehrere einzelne Durchlässe aufweisen.

Fig. 8 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Plattenlaservorrichtung nach der Erfindung, in welcher eine aktive Seitenschiene 94, die an den Nebenseitenflächen 18 der Platte 12 angebracht ist, ein elektrisches Widerstandsheizelement 96 aufweist, das mit einer elektrischen Stromquelle 98 verbunden ist. Durch Einstellen des Stromflusses in dem Heizelement kann Wärme auf die Seitenschiene übertragen und deren Temperatur auf gesteuerte Weise erhöht werden. Bei Verwendung dieser Ausführungsform können die Seitenschiene und die Platte nur erhitzt werden. Diese Ausführungsform wäre brauchbar zum Kompensieren einer Temperaturverteilung wie bei 48 in Fig. 3A, wo es erwünscht ist, die Temperatur der Platte in der Nähe jeder Nebenseitenfläche der Platte zu erhöhen. Wiederum ist jede Seitenschiene 94 auf entgegengesetzten Seiten der Platte vorzugsweise mit einem separaten elektrischen Stromkreis verbunden, um eine unabhängige Steuerung der Seitenschienentemperaturen zu ermöglichen und Asymmetrien in der Quertemperaturvariation der Platte zu reduzieren.

Claims (19)

1. Verfahren zum Reduzieren der Verzerrung in einem Festkörperlaser des Typs, welcher eine Platte aus Lasermaterial aufweist, die zwei optische Hauptseitenflächen hat, welche parallel zu einander und zu einer Längsachse der Platte angeordnet sind, wobei auf wenigstens eine der Hauptseitenflächen elektromagnetische Energie auftrifft, um Atome in dem Lasermaterial in einen erhöhten Energiezustand anzuregen, sowie eine erste und eine zweite Nebenseitenfläche, die rechtwinkelig zu den Hauptseitenflächen an deren Seiten angeordnet sind, wobei auf jeder Nebenseitenfläche eine Seitenschiene angeordnet ist, gekennzeichnet durch Steuern der Temperatur jeder Seitenschiene, um einen Wärmeenergiefluß über jede Nebenseitenfläche und eine Plattentemperatur in der Nähe jeder Nebenseitenfläche zu steuern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuern beinhaltet, die Temperatur jeder Seitenschiene unabhängig zu steuern, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über der Platte zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenschiene einen Durchlaß hat und daß das Steuern beinhaltet, ein Fluid durch den Durchlaß hindurchzuleiten, um die Temperatur der Seitenschiene zu verändern.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuern beinhaltet, den Durchsatz und die Einlaßtemperatur des Fluids zu steuern, um die Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Seitenschiene zu steuern.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenschiene ein elektrisches Heizelement hat und daß das Steuern beinhaltet, die Zufuhr von elektrischem Strom zu dem elektrischen Heizelement zu steuern.

6. Laservorrichtung mit einer Platte (12) aus Lasermaterial, die ein Paar entgegengesetzter optischer Hauptseitenflächen (14, 16) hat, welche parallel zu einander und zu einer Längsachse (24) der Platte (12) angeordnet sind, sowie eine erste und eine zweite, entgegengesetzte Nebenseitenfläche (18), die rechtwinkelig zu den Hauptseitenflächen (14, 16) an den Seiten derselben angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (28, 30) zum Auftreffenlassen von elektromagnetischer Energie auf wenigstens eine der Hauptseitenflächen (14, 16), um Atome in der Platte (12) in einen erhöhten Energiezustand anzuregen, und durch eine erste und eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung (60; 90; 94), die an der ersten bzw. zweiten Nebenseitenfläche (18) angeordnet sind, zum unabhängigen Steuern der Temperatur an jeder Nebenseitenfläche (18), um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über der Platte (12) in einer Richtung quer zu der Längsachse (24) zu erzeugen.

7. Laservorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtungen eine erste und eine zweite Seitenschiene (60; 90; 94) aufweisen, welche mit der ersten bzw. zweiten Nebenseitenfläche verbunden sind, und eine Einrichtung (80, 82, 84; 96) zum Steuern der Temperatur jeder Seitenschiene (60; 90; 94).

8. Laservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuereinrichtung (80, 82, 84; 96) eine Einrichtung (80, 82) umfaßt zum Steuern des Durchsatzes eines durch einen Durchlaß (62; 92) in jeder Seitenschiene (60; 90) hindurchgeleiteten Fluids und eine Einrichtung (84; 96) zum Steuern der Temperatur des in den Durchlaß (62; 92) eintretenden Fluids zum Steuern des Wärmeenergieflusses über jede Nebenseitenfläche (18).

9. Laservorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenschiene (94) ein in ihr angeordnetes elektrisches Heizelement (96) und eine Einrichtung (98) zum Steuern des dem Heizelement (96) zugeführten elektrischen Stroms hat.

10. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen seitenflächengepumpten Laser mit totaler innerer Reflexion umfaßt und daß die Platte (12) eine insgesamt rechteckige Konfiguration hat.

11. Laservorrichtung mit einer Platte (12) aus Lasermaterial, die zwei entgegengesetzte optische Hauptseitenflächen (14, 16) hat, welche parallel zu einander und zu einer Längsachse (24) der Platte (12) angeordnet sind, sowie eine erste und eine zweite, entgegengesetzte Nebenseitenfläche (18), die rechtwinkelig zu den Hauptseitenflächen (14, 16) an den Seiten derselben angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Seitenschiene (60; 90; 94), die an jeder Nebenseitenfläche (18) angeordnet, ist, durch eine Einrichtung (28, 30) zum Auftreffenlassen von elektromagnetischer Strahlung auf wenigstens eine der Hauptseitenflächen (14, 16) der Platte, um Atome in der Platte (12) in einen erhöhten Energiezustand anzuregen, und durch eine Einrichtung (80, 82, 84; 96) zum Steuern der Temperatur jeder Seitenschiene (60; 90; 94), um den Wärmeenergiefluß über eine entsprechende Nebenseitenfläche (18), auf der die Seitenschiene (60; 90; 94) angeordnet ist, und die Plattentemperatur in der Nähe dieser Nebenseitenfläche (18) zu steuern.

12. Laservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (80, 82, 84; 96) eine Einrichtung aufweist zum unabhängigen Steuern der Temperatur jeder Seitenschiene (60; 90; 94), um eine asymmetrische Temperaturvariation quer zu der Längsachse (24) zu kompensieren.

13. Laservorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenschiene (60; 90; 94) einen Durchlaß (62; 92) hat und daß die Temperatursteuereinrichtung (80, 82, 84; 96) eine Einrichtung (82) umfaßt zum Hindurchleiten eines Fluids durch den Durchlaß (62; 92) und eine Einrichtung (80, 84; 96) zum Steuern des Durchsatzes und der Temperatur des Fluids, um die Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Seitenschiene (60; 90; 94) zu steuern.

14. Laservorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenschiene (60; 90; 94) ein Paar Teile (70, 72) aufweist, die jeweils eine Nut aufweisen und miteinander verbunden werden, um den Durchlaß (62; 92) zu bilden.

15. Laservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenschiene (94) ein elektrisches Heizelement (96) hat und daß die Temperatursteuereinrichtung eine Einrichtung (98) umfaßt zum Steuern eines elektrischen Stroms (98), der dem Heizelement (96) zugeführt wird.

16. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenschienen (60; 90; 94) eine Abmessung parallel zu den Nebenseitenflächen (18) haben, welche der Abmessung der Nebenseitenflächen (18) angepaßt ist, und eine Länge parallel zu der Längsachse (24), welche größer als eine Länge ist, über welcher die elektromagnetische Energie der Hauptseitenfläche (14, 16) zugeführt wird.

17. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenschienen (60; 90; 94) aus einem weiteren Material gebildet sind, welches optische Energie daran hindert, auf die Nebenseitenflächen (18) aufzutreffen.

18. Laservorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Material eine undurchsichtige Keramik ist.

19. Laservorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Material reflektierend ist.