DE4011634A1 - Stabfoermiges lasermaterial mit konkav ausgebildeten kanten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein stabartiges Festkörper- Lasermedium und mehr im besonderen auf ein solches Material mit konkaven Kantenoberflächen zur Verminderung parasitärer Oszillationen.

Der stabförmige, flächengepumpte Laser mit rechteckigem Querschnitt, wie er in der US-PS 36 33 126 gezeigt ist, weist ein optisch gepumptes Lasermaterial auf. Ein solches Material 10 ist in Fig. 1(a) der Zeichnung dargestellt, wobei Pumpenergie mittels nicht dargestellten Blitzlichtern zumindest einer der Pumpflächen 12 a und 12 b zugeführt wird. Die Enden 14 a und 14 b umfassen Kantenflächen. Ein solches Lasermaterial neigt jedoch zu internen parasitären Oszillationen, die durch vollständige innere Reflektionen in einem eine geschlossene Schleife bildenden Lichtpfad 16 a von den polierten Flächen 12 und 14 des Lasermaterials 10 verursacht werden, wobei die Richtung der Lichtfort­ pflanzung durch die Pfeile angegeben ist. Andere mögliche parasitäre Modenpfade 16 b und 16 c sind in den Fig. 1(b) bzw. 1(c) gezeigt. Es sind noch andere Moden möglich. Während in Fig. 1 Quermoden gezeigt sind, gibt es ins­ besondere auch Längsmoden. Diese parasitäre Kreislauf­ energie erschöpft die Populationsinversion des Laser­ materials und vermindert die Gesamtwirksamkeit des Gerätes. Im besten Falle begrenzt die Energie der parasitären Oszil­ lationen die Bohr- und Schneidfähigkeit des flächengepump­ ten Lasers, wenn dieser für solche Anwendungen eingesetzt wird, indem die Energieabgabe/Impuls und damit die mittlere Abgabeleistung begrenzt wird. Im schlechtesten Falle jedoch können die parasitären Oszillationen gefährlich hohe Niveaus erreichen, die zu einer deutlichen Materialbeschädigung führen.

Ein Weg zur Verminderung oder Beseitigung parasitärer Oszillationen in stabartigen Lasermaterialien geringer Energie besteht darin, die Kantenflächen 14 des Stabes in einem rohen geschliffenen Zustand (üblicherweise 600 grit) zu belassen, wie es in den Veröffentlichungen "Para­ sitic Oscillations and Amplified Spontaneous Emission in Face-Pumped Total Internal Reflections Lasers" von D.C. Brown et al, SPIE, Band 736, Seiten 74-83, 1987 und "Parasitic Oscillation, Absorption, Stored Energy Density and Heat Density in Active-Mirror and Disk Ampli­ fiers", von D.C. Brown et al, "Applied Optics", 15. Jan. 1978, Band 17, Nr. 2, Seiten 211 bis 224 beschrieben ist. Diese Maßnahme ist wirksam bei der Verminderung parasitärer Oszillationen, weil die eine geschlossene Schleife bilden­ den Pfade 16 aufgrund der totalen internen Reflektion vermindert werden, da Strahlen, die auf die geschliffenen Kanten 14 des Stabes 10 auftreffen, am stärksten zer­ streut und aus dem Material herausgebrochen werden, statt daß sie vollständig intern reflektiert werden. Der Schleif­ zustand führt jedoch zu vielen Beschädigungsstellen, die die Festigkeit des Materials vermindern. Während des Be­ triebes können solche Beschädigungsstellen zu merklichem Materialversagen (Reißen) führen. Auch können in Stab­ lasern hoher Energie die nur grob geschliffenen Kanten 14 beträchtlich zur Verzerrung des optisch gepumpten Mate­ rials beitragen, was die Qualität des Laserstrahles be­ einträchtigt.

Um die negativen Auswirkungen der geschliffenen Kanten 14 zu vermindern, können Lasermaterialien vor dem end­ gültigen Pulsieren chemisch geätzt werden. Die Kanten­ flächen 14 werden im geätzten Zustand belassen, während der Rest des Stabes poliert wird. Das Ätzen erhöht die Festigkeit des Materials, weil ein glatteres, von Be­ schädigungen freieres Material zurückbleibt als bei ge­ schliffenen Kanten. Obwohl ein Stab mit geätzten Kanten die parasitären Oszillationen besser unterdrückt als ein Stab mit polierten Kanten, unterdrückt er doch die para­ sitären Oszillationen auch nicht im entferntesten so gut wie ein Stab mit geschliffenen Kanten.

Die genannten Artikel offenbaren auch das Konzept des Abschrägens der Kantenflächen zur Verminderung parasi­ tärer Oszillationen. Da solche Abschrägungen sich jedoch bis zu den Enden des Stabes erstrecken müssen, wäre ein Laser, der einen solchen Stab enthielte, schwierig abzu­ dichten. Da außerdem die Pumpflächen jeweils eine andere Abmessung haben würden, ist der Stab asymmetrisch, was zu einer asymmetrischen thermo-optischen Verzerrung des Stabes und zu einer asymmetrischen Oberflächendeformation führen würde.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, parasitäre Oszillationen in einem stabförmigen Laser­ material zu vermindern, ohne dessen Reißen zu verur­ sachen oder die Leistungsfähigkeit des Lasers, wie Strahl­ qualität, Wirksamkeit, u.s.w. zu vermindern.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfaßt einen im wesentlichen rechteckigen Längsstab aus Lasermaterial mit einem Paar gegenüberliegender Kantenflächen und einem Paar gegenüberliegender Pumpflächen sowie eine Einrichtung zum Vermindern parasitärer Oszillationen, die einschließt, daß jede der Kantenflächen einen konkaven Abschnitt auf­ weist.

Ein Laser gemäß der Erfindung umfaßt einen im wesentlichen rechteckigen Längsstab aus Lasermaterial mit einem Paar gegenüberliegender Kantenflächen und einem Paar gegen­ überliegender Pumpflächen, wobei jede der Kantenflächen einen konkaven Abschnitt hat, mindestens eine erste optische Pumpeinrichtung zum Belichten einer der Pumpflächen vor­ handen ist, ein Reflektor den Stab und die Pumpeinrichtung umgibt, erste und zweite transparente Platten jeweils nahe den Pumpflächen angeordnet sind, die erste Platte zwischen der ersten Pumpeinrichtung und dem Stab sich befindet und ein Paar isolierender Seitenschienen jeweils auf den Kantenflächen angeordnet ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a-c Querschnittsansichten eines Lasermaterials nach dem Stande der Technik, die einige mögliche parasitäre Modenpfade wiedergeben;

Fig. 2 eine Draufsicht eines stabförmigen Laser­ materials gemäß einer ersten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 u. 4 Querschnittsansichten längs den Linien 3-3′ und 4-4′ in Fig. 2;

Fig. 5 einen möglichen parasitären Pfad in dem Stab gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ein Verfahren zum Herstellen eines Stabes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht, die einen Laser zeigt, der einen Stab gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 8 eine Draufsicht eines Stabes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 9 eine isometrische Ansicht eines Stabes gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

In der Zeichnung sind entsprechende Elemente mit ent­ sprechenden Bezugsziffern versehen.

In Fig. 2 ist ein im wesentlichen rechteckiges stabförmiges Lasermedium 10 mit Pumpflächen 12 a und 12 b gezeigt, die ausreichend poliert sind, um optische Ebenheit zu erzielen, d.h. ein Achtel der emittierten Wellenlänge. Endflächen 18 a und 18 b sind mit einem Winkel von etwa 30° (etwa dem Brewster-Winkel) zur Längsachse des Stabes 10 geschnitten. Wenn erwünscht, kann irgendein Winkel für die Endflächen 18 benutzt werden, wenn Antireflektionsüberzüge (nicht dargestellt) auf den Enden 18 vorgesehen sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Kantenflächen 14 a und 14 b an den Enden des Stabes 10 gerade ausgebildet, und sie verlaufen genau senkrecht zu den Pumpflächen 12 a und 12 b, wie in der Ausführungsform nach Fig. 1, so daß übliche Dichtungen (nicht dargestellt) an den Enden des Körpers 10 benutzt werden können. Fig. 4 zeigt in Übereinstimmung mit der Erfindung, daß die zentralen Abschnitte 14 c und 14 d der Kantenflächen querkonkav ausgebildet sind, um parasitäre Quermoden-Oszillation zu vermindern. Unter "querkonkav" ist zu verstehen, daß die Krümmung auf einem Querschnitt sichtbar ist, der quer zur Längsachse des Stabes 10 liegt. Wie in den Fig. 3 und 4 ersichtlich und aus dem Stand der Technik bekannt, sind die Ecken 19 a, 19 b, 19 c und 19 d abgerundet, um abplatzende Ecken zu vermeiden. Dies ist besonders erwünscht bei den konkaven Abschnitten 14 c und 14 d wegen der scharfen Kanten, die sonst vorhanden wären.

In einer besonderen Ausführungsform hat der Stab 10 eine Länge L von etwa 20,5 cm, eine Dicke T von etwa 0,6 cm und eine Breite B von etwa 2,5 cm. Die konkaven Abschnitte 14 c und 14 d haben eine Länge von etwa 17,5 cm, wobei die maximale Tiefe an deren Zentrum etwa 0,01 cm beträgt, während der Krümmungsradius etwa 3,8 cm ist. Zusätzlich sind die Endabschnitte 15 des konkaven Abschnitts 14 c abgeschrägt, d.h. die maximale Tiefe davon ist graduell auf 0 vermindert je näher die jeweiligen Abschnitte der Endabschnitte 15 ihren benachbarten Kantenflächen 14 b sind. In ähnlicher Weise sind die Endabschnitte des kon­ kaven Abschnitts 14 d abgeschrägt. Dies verhindert die Bildung von scharfen Ecken zwischen den konkaven Abschnit­ ten 14 c und 14 d und den Kantenflächen 14 b und 14 a. Solche scharfen Ecken würden die Festigkeit des Mediums 10 ver­ mindern und würden zu parasitären Oszillationsmoden führen. Die Endabschnitte 15 haben eine Länge von etwa 2 bis 3 mm. Für all die oben angegebenen Größen können andere Werte benutzt werden. Der Stab 10 ist ein Nd:YAG-Laser mit einem Dotierungsniveau von einem Atomprozent von Nd, doch kann auch ein anderes Lasermedium benutzt werden, z.B. Nd:Glas; Er:YAG; ND:GSGG; ND:GGG; Ti:Saphir usw.

Wie in Fig. 5 durch den Lichtstrahl 16 d gezeigt, führen die konkaven Abschnitte 14 c und 14 d eine negative Reflek­ tionsleistung ein, so daß irgendeine Reflektion divergent wird und dadurch die Möglichkeit der Erzeugung stabiler parasitärer Quer-Lasermoden vermindert. Die Lichtstrahlen werden von den gekrümmten Oberflächen 14 c und 14 d so re­ flektiert, daß eine geschlossene Schleife bildende Pfade in sehr beschränkter Anzahl nur gebildet werden. Poten­ tiell parasitäre Strahlen werden rasch aus dem Stab 10 herausgebrochen, nachdem einige Reflektionen stattgefunden haben, da ihr Winkel sich zunehmend dem normalen Einfall annähert (über den kritischen Winkel für die totale in­ terne Reflektion hinausgehen), statt viele Zyklen auf einem speziellen Pfad sich nicht ändernder Winkel zu ver­ laufen, wie in dem Stab 10 der Fig. 1 mit rein recht­ eckigem Querschnitt zu sehen. Ohne parasitäre Oszilla­ tionen zur Erschöpfung der Populationsinversion im Laser­ mediumstab 10 wird durch den erwünschten Längslasermodus des Stabes 10 und den nicht dargestellten Resonatorhohl­ raum zusätzliche Energie aus dem Kristallstab 10 ent­ nommen, was die abgegebene Energie des Lasers erhöht. Wird für die zugeführte Leistung zum Laser ein maximaler Wert festgelegt, um die Langlebigkeit des Gerätes zu er­ höhen, dann stellt diese erhöhte Wirksamkeit eine will­ kommene Verbesserung dar, da sich die Bearbeitungsfähig­ keiten des Lasers ohne Zunahme der Spannung im Kristall­ stab 10 verbessern.

Um den Stab 10 gemäß der vorliegenden Erfindung auszu­ bilden, beginnt man mit einem rechteckigen Stab. Fig. 6 zeigt die Technik, die angewendet wird, um die Kantenflächen 14 zu der erwünschten konkaven Gestalt zu polieren. Der Stab 10 wird an eine im Querschnitt ge­ zeigte Polierscheibe 20 angelegt, die ein feines Polier­ mittel trägt. Die Scheibe 20 rotiert in Richtung des Pfeiles 22. Der zentrale Teil der konkaven Abschnitte 14 c und 14 d wird durch den Scheibendurchmesser erzeugt, der mit der Nummer 24 bezeichnet ist, während die abgeschrägten Teile 15 von den abgeschrägten Teilen der Scheibe 20 zwischen den Bezugsziffern 24 und 26 erzeugt werden. Danach rundet man die Ecken 19 ab, indem man die Kanten des Stabes 10 an die Scheibe 20 hält. Diese Polierope­ rationen erzeugen Beschädigungsstellen. Nach dem Polie­ ren wird der Stab chemisch geätzt, um Beschädigungsstel­ len zu beseitigen und dadurch das Material fester zu machen. Dann erfolgt ein Rauhpolieren zur Bildung der Brewster- Enden 18 und danach ein Feinpolieren der Enden 18 und der Pumpflächen 12.

Man erhält erfindungsgemäß einen wirksameren Laser-Medium­ stab, ohne dessen Beschädigung zu verursachen und, da es keine roh geschliffenen Kanten daran gibt, erfolgt keine Minderung der Leistungsfähigkeit des Lasers.

Fig. 7 zeigt die Erfindung bei Einsatz in einem Laser ähnlich dem, der in der US-PS 36 79 999 gezeigt ist. Ein Reflektor hat Abschnitte 28 a und 28 b, die optische Pump­ lampen 30 a und 30 b umgeben, um Licht durch transparente Platten 32 a und 32 b, die aus Quarz bestehen können, gemäß der vorliegenden Erfindung zu dem Stab 10 zu liefern. Die Lampen 30 verursachen eine Populationsinversion im Stab 10 und sie sind etwa 15,3 cm lang, d.h. sie sind etwas kürzer als die Länge der konkaven Abschnitte 16 d und 16 c, wodurch sichergestellt wird, daß die Unter­ drückung des parasitären Quermodus über den gesamten ge­ pumpten Bereich des Stabmediums 10 und darüber hinaus stattfindet. Anstelle von Lampen können auch andere op­ tische Pumpeinrichtungen, wie Diodenlaser, benutzt werden. Isolierende Seitenschienen 34 a und 34 b, die aus Quarz bestehen können, sind etwa 18 cm lang, d.h. etwas länger als die konkaven Abschnitte 14 c und 14 d, und sie sind mittels bei Raumtemperatur härtbarem Silikonkautschuk (nicht dargestellt) daran befestigt, der konkave Teile füllt und auch an den flachen Teilen 14 a und 14 b vor­ handen ist. Ein Kühlmittel 36, wie Wasser, Gas usw., wird zwischen den Platten 32 hindurchbefördert, um die Pumpflächen zu kühlen. Die isolierenden Seitenschienen 34 hindern das Kühlmittel 36, mit konkaven Abschnitten 14 c und 14 d in Berührung zu kommen und sie vermindern auch die Wärmeleitung vom Stab 10 zum Kühlmittel 36 stark, wodurch sie irgendeine Verformung im emittierten Laser­ licht vermindern, die aufgrund einer Deformation des Stabes 10 auftreten könnte, und sie verhindern auch einen variie­ renden Brechungsindex aufgrund von thermischen Gradienten darin.

In der zweiten Ausführungsform der Fig. 8 sind die kon­ kaven Abschnitte 14 c und 14 d längskonkav, d.h. ihre Krüm­ mung ist erkennbar in einem Querschnitt oder einer Drauf­ sicht parallel zur Längsachse des Stabes 10. Diese Aus­ führungsform vermindert die parasitären Längsmoden-Oszil­ lationen in der gleichen Weise, wie es oben für die Unter­ drückung der Queroszillationen beschrieben ist, und diese längskonkaven Abschnitte können hergestellt werden mittels der Scheibe 20 der Fig. 6, die einen ausgewählten Krüm­ mungsradius hat, wobei der Stab 10 senkrecht zu der in Fig. 6 gezeigten Position gehalten wird.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Abmessungen des Stabes 10 und die Länge der konkaven Abschnitte 14 c und 14 d wie oben angegeben. Die maximale Tiefe der kon­ kaven Abschnitte 14 c und 14 d beträgt etwa 0,05 cm und ihr Krümmungsradius etwa 7,5 m.

Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der die konkaven Abschnitte 14 c und 14 d sowohl längs- als auch querkonkav sind, d.h. es sind ringförmige Ab­ schnitte, um sowohl die parasitären Längs- als auch Quer­ oszillationsmoden zu vermindern. Diese Ausführungsform kann mit der Scheibe 20 hergestellt werden, wenn sie die Gestalt eines Ringes mit ausgewählten orthogonalen Krüm­ mungsradien hat. In einer bestimmten Ausführungsform sind die Abmessungen des Stabes und die Länge der konkaven Abschnitte 14 c und 14 d wie oben angegeben. Die maximale Tiefe sowohl der Längs- als auch Querkurven beträgt etwa 0,05 cm und der Krümmungsradius für die Längskurve beträgt etwa 7,5 m und der für die Querkurve etwa 0,9 cm.

Claims (20)

1. Gegenstand umfassend einen im wesentlichen rechteckig ausgebildeten Längsstab aus Lasermaterial mit einem Paar gegenüberliegender Kantenflächen und einem Paar gegenüber­ liegender Pumpflächen sowie eine Einrichtung zum Vermin­ dern parasitärer Oszillationen, die einschließt, daß jede der Kantenflächen einen konkaven Abschnitt aufweist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, worin jede der Kantenflächen ein Paar gerade Abschnitte hat, die jeweils an deren Enden angeordnet sind, und jeder der konkaven Abschnitte ein Paar abgeschrägter Abschnitte aufweist, die jeweils benach­ bart den geraden Abschnitten angeordnet sind.

3. Gegenstand nach Anspruch 1, worin jeder der konkaven Abschnitte querkonkav ist.

4. Gegenstand nach Anspruch 1, worin jeder der konkaven Abschnitte längskonkav ist.

5. Gegenstand nach Anspruch 1, worin jeder der konkaven Abschnitte sowohl längs- als auch querkonkav ist.

6. Gegenstand nach Anspruch 1, worin der Stab abgerundete Ecken hat.

7. Gegenstand nach Anspruch 1, worin der Stab Endflächen aufweist, die etwa im Brewster-Winkel angeordnet sind.

8. Gegenstand nach Anspruch 1, worin der Stab Nd:YAG umfaßt.

9. Gegenstand nach Anspruch 8, worin das genannte Nd ein Dotierungsniveau von etwa 1% hat.

10. Gegenstand nach Anspruch 1, worin jeder der konkaven Abschnitte eine ringförmige Gestalt hat.

11. Laser umfassend einen im wesentlichen rechteckigen Längsstab aus Lasermaterial mit einem Paar gegenüber­ liegender Kantenflächen und einem Paar gegenüberliegender Pumpflächen, wobei jede der Kantenflächen einen konkaven Abschnitt aufweist,
mindestens eine erste optische Pumpeinrichtung zum Be­ lichten einer der Pumpflächen,
einen den Stab und die Pumpeinrichtung umgebenden Reflektor,
erste und zweite transparente Platten, die jeweils nahe den Pumpflächen angeordnet sind, wobei die erste Platte zwischen der ersten Pumpeinrichtung und dem Stab ange­ ordnet ist und ein Paar isolierender Seitenschienen je­ weils auf den Kantenflächen angeordnet ist.

12. Laser nach Anspruch 11, worin die Pumpeinrichtung eine Länge aufweist, die etwas geringer ist als die Länge der konkaven Abschnitte.

13. Laser nach Anspruch 11, worin die Seitenschienen eine Länge haben, die etwas größer ist als die Länge der konkaven Abschnitte.

14. Laser nach Anspruch 11, weiter umfassend eine zweite optische Pumpeinrichtung zum Belichten der übrigen Pump­ fläche und in dem Reflektor angeordnet, wobei die zweite Platte zwischen der zweiten Pumpeinrichtung und dem Stab angeordnet ist.

15. Laser nach Anspruch 11, weiter umfassend ein Kühl­ mittel zwischen den Platten.

16. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Abschnitte querkonkav ist.

17. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Abschnitte längskonkav ist.

18. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Abschnitte sowohl längs- als auch querkonkav ist.

19. Laser nach Anspruch 11, worin jeder der konkaven Abschnitte ringförmig ausgebildet ist.

20. Laser nach Anspruch 11, worin die optische Pump­ einrichtung eine Lampe umfaßt.