DE4032488C2 - Slab-Festkörperlaser mit Wärmeisolator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Slab-Festkörperlaser mit einem plattenförmigen Lasermedium, dessen Querschnitt rechteckig ist, und sie betrifft insbesondere die Reduzierung der thermischen Linsenbildung im Lasermedium.

Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht der Struktur eines konventionellen plattenförmigen Festkörperlasergeräts dar, das in einer Zeitschrift (Laser Focus/Electro-Optics, SEPTEMBER, 1983, S. 107-114) offenbart ist. In der Figur bezeichnen die Bezugszeichen: 1 - ein Lasermedium; 1a - optisch flache Oberflächen des Lasermediums 1; 1b - optisch nichtglatte Oberflächen, die sich mit den optisch flachen Oberflächen 1a entlang der optischen Achse schneiden; 2 - Wärmeisolatoren, die mit jeder der nichtglatten Oberflächen 1b verbunden sind; 5 - einen Strömungsweg für ein Kühlmittel 4 zum Kühlen des Lasermediums 1; 6 - eine Umlaufrichtung des Kühlmittels 4; 7 - eine Pumplichtquelle; 8 - ein Paar von reflektierenden Spiegeln; und 71 - Pumplicht.

Die Betriebsweise des Geräts wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Gemäß Fig. 1 wird das von der Pumplichtquelle 7 abgestrahlte Pumplicht 71 durch die Reflexionsspiegel 8 reflektiert und dann vom Lasermedium absorbiert. Ein Teil der Energie wird durch ein Paar von Resonanzspiegeln (nicht dargestellt) als Laserstrahl aus dem Lasermedium emittiert. Die nicht für die Laserschwingung verbrauchte absorbierte Energie wird im Lasermedium 1 in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie heizt das Lasermedium 1 auf. Das Lasermedium 1 wird durch das Kühlmittel 4 gekühlt, das im Strömungsweg 5 umgewälzt wird, so daß das Medium auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.

Fig. 2 zeigt einen Wärmefluß, eine Temperaturverteilung und eine durch eine Temperaturverteilung des oben erwähnten Lasermediums 1 erzeugte Thermolinsenverteilung.

Wenn die Wärmeerzeugung im Lasermedium 1 gleichmäßig ist, ist auch die Kühlwirkung auf den optisch flachen Oberflächen 1a gleichmäßig und die Wärmeisolation der nichtglatten Oberflächen 1b ist einwandfrei. In diesem Falle wird die Temperaturverteilung in Breitenrichtung des Lasermediums gleichmäßig, so daß keine thermische Linse entsteht.

Aber selbst wenn die Wärmeerzeugung und die Kühlung des Lasermediums gleichmäßig ausgebildet sind, ist eine vollkommene Isolierung der Wärmeströmung von den nichtglatten Oberflächen 1b unmöglich. Wenn die Temperatur der Wärmeisolatoren 2 sehr stark ansteigt, fließt viel Wärme von den Wärmeisolatoren 2 zum Lasermedium 1, und in diesem Falle entsteht eine Temperaturverteilung in der Breitenrichtung A des Lasermediums 1.

Tatsächlich absorbieren die Wärmeisolatoren 2 das von der Pumplichtquelle 7 ausgehende Pumplicht 71, so daß die Temperatur der Wärmeisolatoren 2 sehr stark ansteigt, wie es aus der Kurve B der Fig. 2 hervorgeht. Obwohl es sich bei den an die seitlichen Oberflächen 1b bondierten Elementen 2 um Wärmeisolatoren handelt, fließt viel Wärme zum Lasermedium 1, wie es in Fig. 2 die Pfeile 9 zeigen. Es entsteht also eine Temperaturverteilung, wie sie durch die Kurve B der Fig. 2 dargestellt ist. In dieser Figur stellt der Parameter To eine Wassertemperatur dar. Dementsprechend wird eine Wärmelinse gebildet, wie es aus der Kurve C der Fig. 2 hervorgeht. In dieser Figur bedeutet der Parameter f die Brennweite. Es ist klar ersichtlich, daß eine negative Linse gebildet wird.

Weiter kann selbst dann, wenn das Lasermedium 1 gleichmäßig durch das Pumplicht bestrahlt wird, gemäß Fig. 3 eine starke Wärmeentwicklung in den Bondierungsschichten 30 erfolgen, durch die die Wärmeisolatoren 2 mit dem Lasermedium 1 verbunden sind. Da die Wärmeleitfähigkeit des Lasermediums 1 im Vergleich zu derjenigen der Wärmeisolatoren ausreichend groß ist, wird die in den Bondierungsschichten 30 erzeugte Wärme durch das Lasermedium abgeführt, wie es durch die Pfeile 9 der Fig. 3 angedeutet ist. Es entsteht also gemäß der Kurve B der Fig. 3 eine Temperaturverteilung in der Breitenrichtung A des Lasermediums 1 sowie eine Wärmelinse, wie es aus der Kurve C der Fig. 3 hervorgeht.

Entsprechend den obigen Ausführungen entsteht in einem konventionellen plattenförmigen Festkörperlasergerät eine Temperaturverteilung in der Breitenrichtung des Lasermediums 1. Damit entsteht eine Wärmelinse. Die Wärmelinse hat eine Verzerrung des Laserstrahlmusters und eine Abnahme des Wirkungsgrades des Lasers zur Folge.

Laser Focus/Electro-Optics, Heft 9/1983, S. 107-114, welche Druckschrift die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zeigt, zeigt in der Fig. 4 auf Seite 110 im wesentlichen einen Slab-Festkörperlaser, wie er oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben ist. In der Druckschrift sind Maßnahmen zur Kühlung des Festkörper- Laserstabs vorgeschlagen, nämlich entweder durch ein Fluid mit einem ausreichend kleinen Brechungsindex, welches über den Festkörper-Laserstab fließt, oder mittels Wärmeleitung durch eine dünne Schicht aus Wasserstoffgas zu den gekühlten Fenstern, welche die Pumpstrahlung hindurchlassen.

In der DE 35 22 443 A1 ist bei einem Slab-Festkörperlaser vorgeschlagen, zur spannungsfreien Befestigung des Festkörper-Laserstabs und zum homogenen Pumpen und Kühlen des Festkörper-Laserstabs ohne Verletzung der Totalreflexionsbedingungen an dessen Seitenflächen eine spezielle Halterung vorzusehen. Hierzu ist der Halter gasdicht ausgebildet und der Festkörper-Laserstab über U- Profile und elastische Bänder spannungsfrei gehaltert, wobei minimale Kühlgasschichten konstanter Dicke an den Seitenflächen des Festkörper-Laserstabs erreicht werden, so daß eine kombinierte Gas-Flüssigkeitskühlung des Slab- Laserkopfes möglich ist.

Die US 4 852 109 zeigt Seitenschienen, die als Wärmeisolatoren dienen. Die Seitenschienen können mit hochreflektierenden Oberflächen versehen sein.

In "Laser Magazin Heft 4/1989, S. 12-18" ist vorgeschlagen, bei homogenem Pumpen und Kühlen der großen Slab-Seitenflächen bei gleichzeitiger Isolation der schmalen ungepumpten Seitenflächen, wobei dann in guter Näherung von einem eindimensionalen Temperaturprofil ausgegangen werden kann, die Auswirkungen des unvermeidbaren Temperaturprofils in x-Richtung durch einen "Trick" zu kompensieren, nämlich durch eine Zickzackführung des Strahls im Slab. Die "thermische Isolation" in Abb. 3 dieser Druckschrift ist eingangs bereits als Stand der Technik angegeben. Darüberhinaus schlägt diese Druckschrift vor, verbleibende Brechkräfte aus unvermeidbaren Endeffekten im Bereich der Ein- und Austrittsflächen durch geschicktes Abschatten des Pumplichts weiter zu reduzieren.

Die EP 0 024 900 B1 zeigt, daß bei Metallfilmen, die als Spiegel dienen, als Schutz vor einer Oxidation ein Film aus Titanoxid vorgeschlagen ist. Als Metalle für die reflektierende Oberfläche werden Silber und Aluminium vorgeschlagen.

Das englischsprachige Abstract von JP 1-145 880 A, 1989, JPO & Japio zeigt eine Beschichtung reflektierender Metallschichten im Bereich der Lasertechnik.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen und einen Slab-Festkörperlaser zu schaffen, der eine hohe Strahlqualität ohne Verzerrung des Laserstrahlmusters und ohne Abnahme des Wirkungsgrads des Lasers besitzt.

Der Slab-Festkörperlaser gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit Mitteln zum Abschirmen der Wärmeisolatoren gegen das Pumplicht ausgestattet, wie es im Patentanspruch angegeben ist.

Nachfolgend wird der Gegenstand der Figuren kurz beschrieben.

Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht der Struktur eines konventionellen Festkörperlasergeräts dar;

Fig. 2 und 3 stellen Ansichten zur Beschreibung des Mechanismus dar, aufgrund dessen ein konventionelles Lasermedium eine Wärmelinse hervorbringt;

Fig. 4 und 5 stellen jeweils eine Querschnittsansicht und eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein Festkörperlasergerät dar;

Fig. 6 stellt eine Ansicht zur Beschreibung einer Wärmelinse eines Lasermediums dar; und

Fig. 7 stellt eine Querschnittsansicht der Struktur eines Festkörperlasergeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Die Fig. 4 und 5 stellen jeweils eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf ein Festkörperlasergerät gemäß dem Stand der Technik dar. In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen: 3 - einen hochreflektierenden Überzug auf den Wärmeisolatoren 2 zum starken Reflektieren des Pumplichts 71; 10 und 11 - ein Paar von Resonatorspiegeln; und 12 - einen Laserstrahl.

Nachfolgend wird die Betriebsweise des Festkörperlasergeräts beschrieben. Gemäß den Fig. 4 und 5 wird das von der Pumplichtquelle 7 ausgestrahlte Pumplicht 71 durch die Reflexionsspiegel 8 reflektiert und dann durch das Lasermedium 1 absorbiert. Ein Teil der Energie des Pumplichts wird durch das Paar von Resonatorspiegeln 10 und 11 als Laserstrahl aus dem Lasermedium herausgeführt. Innerhalb des Lasermediums wird die nicht für die Erzeugung der Laserschwingung verbrauchte absorbierte Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie heizt das Lasermedium 1 auf. Das Lasermedium 1 wird durch ein Kühlmittel 4 gekühlt, das durch den Strömungsweg 5 umgewälzt wird.

Wie es oben beschrieben ist, werden beim herkömmlichen Festkörperlasergerät gemäß Fig. 2 die Wärmeisolatoren 2 aufgeheizt, da das Pumplicht 71 durch die Wärmeisolatoren 2 absorbiert wird, und es entsteht eine Temperaturverteilung in Breitenrichtung des Lasermediums. Damit bildet sich im Lasermedium eine Wärmelinse aus. Wenn faktisch ein GGG- Kristall, also ein Gadolinium-Gallium-Granat-Kristall (thermische Leitfähigkeit: K = 0,09 W/cm K) mit einer Querschnittsfläche von 7 mm × 35 mm als Lasermedium 1, und Acrylharz (thermische Leitfähigkeit: K = 0,0021 W/cm K) als Wärmeisolator verwendet werden, wird das Auftreten der oben erwähnten Wärmelinse beobachtet. Beträgt die elektrische Eingangsleistung 9 kW, beträgt die Brennweite der Wärmelinse -2 m in der Höhe der Seitenoberfläche des Lasermediums und -10 m im Zentrum des Lasermediums.

Hier wird zur Verkleinerung der durch das Erwärmen der Wärmeisolatoren 2 verursachten Wärmelinsen des Lasermediums 1 der hochreflektierende Überzug 3, der die Wärmeisolatoren 2 gegen das Pumplicht abschirmt, auf den Wärmeisolatoren 2 an den Seitenoberflächen des Lasermediums aufgebracht.

Wie es Fig. 4 zeigt, erreicht das von der Pumplichtquelle 7 ausgehende Pumplicht 71 die Wärmeisolatoren direkt und indirekt. Auf der gesamten Oberfläche der Wärmeisolatoren 2 ist der Überzugsfilm 3 aufgebracht, wie beispielsweise durch Verdampfung von Aluminium in Vakuum. Daher wird das Anregungslicht 71, dessen Wellenlänge im Bereich zwischen 300 nm und 900 nm liegt, fast vollständig reflektiert. Infolgedessen heizen sich die Wärmeisolatoren 2 nicht auf und dementsprechend steigt ihre Temperatur nicht an. Die Temperatur der Wärmeisolatoren 2 bleibt also relativ niedrig. Wenn die Temperturdifferenz zwischen den Wärmeisolatoren 2 und dem Lasermedium 1 klein ist, fließt keine Wärme zwischen Wärmeisolatoren 2 und Lasermedium 1. Der Wärmefluß des Lasermediums 1 erfolgt gleichmäßig und senkrecht zur fast gesamten Oberfläche des Lasermediums 1a, wie es durch die Pfeile 9 in Fig. 6 veranschaulicht wird. Außerdem ist die Temperaturverteilung des Lasermediums 1 in Breitenrichtung A gleichmäßig, wie es die Kurve B der Fig. 6 zeigt. Daher tritt im Lasermedium 1, wie es die Kurve C der Fig. 6 zeigt, in Breitenrichtung A keine Wärmelinse auf. Die Verzerrung des Laserstrahlmusters kann also deutlich vermindert und der Wirkungsgrad des Lasers deutlich verbessert werden.

Als hochreflektierender Überzugsfilm 3 auf den Wärmeisolatoren 2 können neben dem oben genannten aufgedampften Aluminiumfilm vorzugsweise ein aufgedampfter Silberfilm, ein durch Elektroplattieren erzeugter Film sowie jene Überzugsfilme verwendet werden, bei denen eine oxidationsverhindernde Behandlung angewandt wird, wobei jeder der geannten Überzüge ein hohes spezifisches Lichtbrechungsvermögen für kurze Wellen bis 300 nm besitzt. Wird andererseits eine Lichtbogenlampe als Pumplichtquelle 7 verwendet, liegt die Wellenlänge der meisten Spektralkomponenten bei 500 nm oder darüber. Daher sollten als hochreflektierende Überzugsfilme vorzugsweise ein aufgedampfter Goldfilm, ein durch Elektroplattieren erzeugter Goldfilm sowie Filme solcher Art verwendet werden, bei denen eine oxidationsverhindernde Behandlung erfolgt.

Um eine parasitäre Schwingung zu verhindern, deren optischer Pfad auf die Seitenoberflächen 1b des Lasermediums reflektiert wird, werden diese Seitenoberflächen 1b des Lasermediums der Wärmeisolatoren 2 als streuende Oberflächen ausgebildet und mit einem hochreflektierenden Überzugsfilm bedeckt, so daß die Seitenoberflächen 1b streuende und hochreflektierende Oberflächen bilden.

Beim vorgenannten Festkörperlasergerät werden als Mittel zur Abschirmung der Wärmeisolatoren 2 gegen das Pumplicht die hochreflektierenden Überzugsfilme 3 auf den Wärmeisolatoren 2 aufgebracht. Wie es jedoch in Fig. 7, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, gezeigt ist, kann die gleich Wirkung wie beim obigen Festkörperlasergerät durch Aufbringen der hochreflektierenden Überzugsfilme 3a, zum hochgradigen Reflektieren des Pumplichts 71 auf die Seitenoberflächen 1b des Lasermediums, durch Anbringen von Lichtabschirmungsplatten 3b auf der oberen und unteren Oberfläche der Wärmeisolatoren 2 erreicht werden.

Wie es oben beschrieben ist, werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Mittel zum Abschirmen der Wärmeisolatoren gegen das Pumplicht an den in Berührung mit den Seitenflächen des Lasermediums stehenden oder mit diesem verbundenen Wärmeisolatoren angebracht, um die Wärmeisolatoren an der Absorption von Pumplicht, am Aufheizen und am Erreichen hoher Temperaturen zu hindern. Damit wird die Temperaturverteilung in Breitenrichtung des Lasermediums sowie die Ausbildung einer Wärmelinse verringert. Demgemäß kann ein Festkörperlasergerät mit hoher Strahlqualität, aber ohne Verzerrung des Laserstrahlmusters und ohne Verringerung des Wirkungsgrads des Lasers geschaffen werden.

Claims (1)

1. Slab-Festkörperlaser mit einem im Querschnitt rechteckigen Festkörper-Laserstab (1), der zwei optisch glatte Oberflächen (1a) für das Eintreten von Pumplicht (71) von einer Pumplichtquelle (7) aufweist sowie zwei die optisch glatten Oberflächen (1a) verbindende Seitenoberflächen (1b), an denen jeweils ein Wärmeisolator (2) angebracht ist, wobei die Seitenoberflächen (1b) mit einem hochreflektierenden Überzugsfilm (3a) zum Abschirmen des Pumplichts (71) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf den dem Pumplicht (71) zugewandten Oberflächen der Wärmeisolatoren (2) Lichtabschirmplatten (3b) angeordnet sind.