DE4331389C2 - Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Festkörperlaser ist aus der US 49 84 246 bekannt. Dieser herkömmliche Festkörperlaser weist einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab auf, der in einer Kavität innerhalb eines optischen Resonators liegt. Der Laserstab wird transversal optisch gepumpt. Über die vom Pumplicht durchdrungenen Oberflächen des Laserstabs ist keine Aussage getroffen.

Die US 50 05 182 zeigt einen Festkörperlaser, dessen Oberfläche mit einer perlenförmigen Schicht überzogen ist. Die perlenförmige Schicht ist vorgesehen, um die von der Pumpquelle zum Laserstab übertragene Pumpenergie zu steigern.

Das DE-Buch: W. Koechner, Solid State Engineering Springer-Verlag Berlin etc., 2. Aufl., 1988, S. 366-368 zeigt eine Untersuchung an Festkörperlasern, bei der ein Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit auf die thermische Linsenwirkung angesprochen ist, ohne Angaben über die Beschaffenheit der Oberfläche zu geben. Eine Oberflächenbeschaffenheit mit der zugehörigen Streuung muß so ausgewählt werden, daß das Laserlicht in der Mitte des Laserstabs intensiver wird.

Die US 48 05 181 behandelt die Ausbildung der Kavität mit einer Blitzlampe zur Anregung des Laserstabs.

Schließlich zeigt die DE-OS 19 03 946 ebenfalls einen Festkörperlaser, bei dem die Verbesserung der Pumpflächen vorgeschlagen wird. Die Lehre dieser Druckschrift besteht darin, daß Vorsprünge bestimmter Gestalt und Einkerbungen vorgesehen sein müssen. Bezüglich der Oberflächenrauhigkeit ist der Druckschrift zu entnehmen, daß das Polieren der durch Schmirgelsand Nr. 220 aufgerauhten Pumpfläche eines Laserstabes weder den ursprünglichen Wirkungsgrad des Stabes verkleinert noch die Aufweitung des ausgesandten Laserstrahls vergrößert.

Die Fig. 3(a) und 3(b) zeigen einen weiteren, herkömmlichen Festkörperlaser, der beispielsweise in der US 38 03 509 offenbart ist. In diesen Figuren ist mit 1 ein Totalreflexionsspiegel, mit 2 ein Teilreflexionsspiegel und mit 3 ein Laserstab bezeichnet. Der Laserstab ist ein Yttrium Aluminium Granat-(YAG)-Kristall, der eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 1,28 µm RMS besitzt, um eine parasitäre Schwingung zu vermeiden. Üblicherweise sind die YAG-Kristalle mit Neodym dotiert. Mit 4 ist eine Lichtquelle, wie eine Bogenlampe, mit 5 eine Stromquelle zum Einschalten der Lichtquelle und mit 6 eine Kavität für die Lichtquelle und das Lasermedium bezeichnet. Beispielsweise ist die Kavität 6 im Schnitt elliptisch ausgebildet, wobei eine Innenfläche desselben eine Lichtreflexionsfläche aufweist. Mit 14 ist ein Lichtstrahl bezeichnet, der in einem Laserresonator erzeugt wird, welcher die Spiegel 1 und 2 aufweist. Durch die zylindrischen Rohre 9, 900 fließt ein Kühlmittel 70, das die Lichtquelle 4 und den Laserstab 3 peripher kühlt. Das zylindrische Rohr 900 besitzt eine rauhe Oberfläche. Mit 7 ist ein Dichtungsmaterial, beispielsweise ein O-Ring bezeichnet. 81, 82 bezeichnen eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung für das Kühlmittel 70. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet den nach außen emittierten Laserstrahl, und mit 8 ist eine Basis bezeichnet.

Der herkömmlich ausgebildete Festkörperlaser ist in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Die Lichtquelle 4 und der-Laserstab 3 sind in einem Brennpunkt der Kavität, der im Schnitt elliptisch ausgebildet ist, angeordnet; die Lichtquelle 4 wird von der Stromquelle 5 zur Abgabe von Licht eingeschaltet, und dieses Pumplicht durchläuft das eine streuende rauhe Oberfläche aufweisende zylindrische Rohr 900 und trifft gleichmäßig in Umfangsrichtung auf den Laserstab, der durch das Pumplicht angeregt wird. Ferner werden die Lichtquelle 5 und der Laserstab 3 durch das im zylindrischen Rohr 900 zirkulierende Kühlmedium 70 peripher gekühlt.

Bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Festkörperlaser regt das von der Lichtquelle abgegebene Licht den Laserstab in Umfangsrichtung gleichmäßig an. Der Laserstab wird jedoch in seiner Achsmitte stark angeregt. Es tritt daher eine Verstärkungsverteilung auf, so daß in bezug auf die Qualität des in diesem Abschnitt erzeugten Lasermediums Schwankungen erzeugt werden. Folglich ist es kaum möglich, einen Strahl hoher Qualität mit gutem Konzentrationsvermögen vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß ein Laserstrahl mit hoher Leistung und hoher Qualität durch eine verbesserte Pumplichtaufnahme erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch angegeben.

Erfindungsgemäß weist die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabes eine solche Oberflächenrauhigkeit auf, daß keine Wellenfrontaberration des hindurchdringenden Laserstrahls auftritt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Oberflächenrauhigkeit nicht kleiner als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadratischen Mittelwert der Rauhtiefe) ist. Die auf die Pumpfläche auftreffenden Strahlen werden nicht abgelenkt. Die thermische Linsenwirkung des Laserstabs wird so weitgehend eliminiert und Laserstrahlen mit hoher Leistung und hoher Qualität erzielt. Die Oberflächenbeschaffenheit des Laserstabs dient dazu, daß die Brechungswirkung des Pumplichts auf der Oberfläche des Laserstabs reduziert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Innenseite der Kavität eine diffuse Reflexionsfläche auf, wodurch der erzielbare Wirkungsgrad weiter verbessert wird.

Bei dem Festkörperlaser wird der Laserstab am Umfang durch eine Flüssigkeit gekühlt. Der Laserstab, der einen größeren Brechungsindex als die Kühlflüssigkeit aufweist, erhält eine Oberflächenrauhigkeit von nicht weniger als 3,3 µm RMS. Es ist somit möglich, ein Lasermedium einzusetzen, mit dem eine im wesentlichen gleichmäßige Emission ohne Aberration im Querschnitt möglich ist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Laserstrahl mit hoher Energie und hoher Qualität zu erzeugen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Innenfläche der Kavität diffus reflektiert. Der Pumplichtstrahl wird dann bei jeder Reflexion gleichmäßig in den Laserstab reflektiert. Durch die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs erfolgen keine Verluste bei Eintritt des Pumplichtes in den Laserstab. Somit ist es möglich, ein Absinken des Laserwirkungsgrades zu verhindern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert
Es zeigen

Fig. 1(a) eine Seitenschnittansicht durch einen Festkörperlaser;

Fig. 1(b) einen Querschnitt des Festkörperlasers der Fig. 1(a);

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der Oberflächenbeschaffenheit des Laserstabes;

Fig. 3(a) eine Seitenschnittansicht durch einen Festkörperlaser gemäß dem Stand der Technik; und

Fig. 3(b) einen Querschnitt des Festkörperlasers der Fig. 3(a).

In den Fig. 1(a) und 1(b) sind mit 11 ein Reflexionsspiegel, mit 12 eine Linse, mit 13a und 13b entsprechende bewegliche Objekttische, um den Reflexionsspiegel 11 und die Linse 12 relativ zu einem Laserstab 300, der eine rauhe Oberfläche besitzt, vor und zurück zu bewegen, mit 6 eine Kavität, die eine diffus reflektierende Fläche als Innenfläche aufweist, und mit 9 ein transparentes zylindrisches Glasrohr bezeichnet
Bei einem in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildeten Festkörperlaser sind die Lichtquelle 4 und der mit der rauhen Oberfläche versehene Laserstab 300 im Brennpunkt einer Kavität 6 angeordnet, die im Schnitt elliptisch ausgebildet ist. Die Lichtquelle 4 wird über die Stromquelle 5 zur Abgabe von Licht eingeschaltet, und der Laserstab 300 wird mit dem abgegebenen Licht angestrahlt. Somit wird der Laserstab durch das abgegebene Licht angeregt.

Durch Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs wird typischerweise der Wirkungsgrad der Laserschwingung reduziert. Das ist darauf zurückzuführen, daß ein Teil des in eine Mantelfläche des Laserstabs eindringenden Lichtes auf der rauhen Oberfläche rückwärts gestreut wird, was zu einem Verlust dieses Teils des Lichtes führt.

Um einen reduzierten Wirkungsgrad zu vermeiden, wird die Kavität 6 verwendet, um das Pumplicht besser auszunützen. Nachdem das Pumplicht auf der Oberfläche des Laserstabs rückwärts gestreut und von der Kavität wieder reflektiert wurde, wird es erneut auf den Laserstab gerichtet. Daher ist es möglich, ein Absinken des Laserschwingungswirkungsgrades durch die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs im Gegensatz zum Stand der Technik zu verhindern. Die Kavität 6 ist mit einer diffusen Reflexionsfläche als Innenfläche versehen.

Da bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Kavität eine diffus reflektierende Innenfläche vorgesehen ist, wird das auf der Oberfläche des Laserstabs gestreute Licht an der Innenfläche der Kavität gestreut und reflektiert, und mindestens ein Teil des Lichtes wird jedesmal in den Laserstab rückgeführt, um diesen anzuregen.

Bei den Ergebnissen des Experimentes mit dem Nd:YAG-Stab und der Bogenlampe wurde in der Tat mit experimenteller Genauigkeit keine Veränderung der Schwingungscharakteristik festgestellt, und zwar selbst dann, wenn die Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs in einem Bereich von 1,28 bis 5,12 µm RMS variierte.

In dem stabilen Resonator, der durch die Spiegel 2, 11 und die Linse 12 definiert ist, wird ein Laserstrahl erzeugt, der eine im wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung senkrecht zur Längsachse des Laserstabs aufweist.

Durch eine Einströmöffnung 81 umfließt ein Kühlmittel 70 die Lichtquelle 4 und den Laserstab 300, die sich jeweils in einem zylindrischen Rohr 9 befinden. Das Kühlmittel 70 kühlt die Lichtquelle 4 und den Laserstab 300 in Umfangsrichtung. Die Temperatur des Kühlmittels 70 steigt durch Kühlen des Laserstabs 300 und der Lichtquelle 4 an; das Kühlmedium 70 wird über die Ausströmöffnung 82 nach außen abgegeben. Die Enden des Laserstabs 300 sind mit Hilfe des Dichtungsmaterials 7 gegenüber der Kavität abgedichtet.

Wenn bei einem Festkörperlaser der als bekannt vorausgesetzten Art das Pumplicht in Umfangsrichtung auf den Laserstab 300 trifft, so erzeugt es im Laserstab 300 eine Verstärkungsverteilung in Form einer thermischen Linse. Als Folge hiervon tritt beim Laserstrahl eine Wellenfrontaberration auf.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Laserstab 300 keine ausreichende Oberflächenrauhigkeit besitzt und das Licht auf der Oberfläche abgelenkt wird.

Um diesen Nachteil weitgehend zu beseitigen, weist der bevorzugte Laserstab eine aufgerauhte Oberfläche auf, so daß eine auf der Oberfläche des Laserstabs gestreute Lichtkomponente stärker ansteigen kann als eine hierauf abgelenkte Lichtkomponente, so daß die thermische Linsenwirkung im Schnitt aufgrund einer Reflexionswirkung stark eingeschränkt werden kann.

Ergänzend kann bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ein optisches System zur Korrektur der restlichen thermischen Linsenwirkung Verwendung finden, das den Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 anstelle des herkömmlichen Totalreflexionsspiegels 1 enthält.

Selbst wenn der Totalreflexionsspiegel 1 wie bei der herkömmlichen Ausführungsform verwendet wird, ist es möglich, einen Laserstrahl 15 mit besserer Strahlqualität zu schaffen, da der Laserstab eine verringerte Wellenfrontaberration bietet. Eine Erhöhung der Leistung des Pumplichts bewirkt jedoch eine Verstärkung der thermischen Linsenwirkung im Laserstab, so daß sich auf diese Weise die Qualität des Laserstrahles 15 geringfügig verschlechtert. Das den Totalreflexionsspiegel 11 und die Kondensorlinse 12 enthaltende optische System wird eingesetzt, um diese Änderung zu beseitigen. Der Festkörper läßt daher einen Laserstrahl ohne Wellenfrontaberration desselben hindurchtreten.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse eines Experimentes, bei dem die Wellenfrontaberration des Laserstabs infolge der thermischen Linsenwirkung durch Verändern der Oberflächenrauhigkeit des Laserstabs gemessen wurde. Mit den Versuchsergebnissen werden zwei Fälle verglichen, d. h. ein Fall, bei dem ein Nd:YAG (Y₃Al₅O₁₂)-Stab mit einem Brechungsindex von 1,82, der als Laserstab diente, in Umfangsrichtung mit Wasser mit einem Brechungsindex von 1,3 gekühlt wurde, und ein anderer Fall, bei dem der Nd:YAG-Stab in der Atmosphäre angeordnet wurde.

Bei dem Versuch wurde der Nd:YAG-Stab durch eine Bogenlampenlichtquelle in Wasser erregt, und ein HeNe-Laserstrahl durchlief den Nd:YAG-Stab in Axialrichtung. Der Maximalwert der Aberration im Schnitt des emittierten Laserstrahles wurde gemessen und ist in Fig. 2 gezeigt.

Man kann erkennen, daß die Wellenfrontaberration infolge der Verstärkungsverteilung bis zu einem Schwellwert, der dem Laserstab eigen ist, wesentlich reduziert werden kann, wenn die Oberflächenrauhigkeit auf 1,28 µm RMS oder mehr festgelegt wird, wenn der Laserstab in der Atmosphäre angeordnet ist.

Bei dem herkömmlichen Laserstab, der im Handel erhältlich ist, ist das Oberflächenfinish tatsächlich auf einen Bereich von einem polierten und transparenten Zustand bis zu einer Rauhigkeit von 1,28 µm RMS eingestellt. Es ist erforderlich, eine parasitäre Schwingung mit einer Seitenfläche des Laserstabs als optischen Weg zu vermeiden oder die Gleichmäßigkeit der optischen Intensitätsverteilung in Umfangsrichtung zu verbessern, was der gleichen Zielsetzung wie beim Stand der Technik entspricht. Es ist bekannt, daß diese Zielsetzung durch einen Laserstab erreicht werden kann, der eine Oberflächenrauhigkeit von 0,51 bis 1,28 µm RMS aufweist und bei dem die Oberfläche wie bei einem geschliffenen Glas sichtbar ist.

Wenn jedoch der Laserstab am Umfang gekühlt wurde, um einen Hochleistungslaserstab zu erzeugen, wurde festgestellt, daß die Oberflächenrauhigkeit auf einen Wert eingestellt werden sollte, der ein Mehrfaches des Wertes beträgt, bei dem der Laserstab in der Atmosphäre angeordnet ist, beispielsweise auf einen Wert von nicht weniger als 3,3 µm RMS, bevor die Wellenfrontaberration der Übertragung im Schnitt des Laserstabs auf im wesentlichen die Aberration reduziert werden konnte, die dem Laserstab eigen ist.

Dies ist möglicherweise auf die stärkere Immersionswirkung des Wassers zurückzuführen, da Wasser einen höheren Brechungsindex als die Atmosphäre aufweist, so daß daher der Unterschied der Brechungsindizes des Laserstabs und des ihn umgebenden Mediums abnimmt, was zu einer Reduktion des Streueffektes auf der Oberfläche führt.

Auf diese Weise ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die thermische Linsenwirkung des Laserstabs aufgrund der rauhen Oberfläche im Schnitt im wesentlichen konstant. Es tritt daher eine geringere Aberration auf, so daß die thermische Linsenwirkung durch das optische Bildübertragungssystem über den gesamten Querschnitt korrigiert werden kann. Somit ist es möglich, einen Laserstrahl hoher Leistung und hoher Qualität in wirksamer Weise im gesamten Querschnitt des Laserstabs zu erzeugen.

Die Streuwirkung auf der Oberfläche des Laserstabs kann möglicherweise durch das Verhältnis zwischen dem Brechungsindex des Laserstabs und dem Brechungsindex des ihn umgebenden Kühlmediums definiert werden. Daher können die Versuchsergebnisse auf das Wasser als Hauptkomponente enthaltene Kühlmittel und einen Laserstab, der einen Brechungsindex von etwa 1,8 oder weniger aufweist, wie beispielsweise ein LiYF₄, Al₂O₃, BeAl₂O₄, Glas, LiSrAlF₆, LiCaAlF₆ als Hauptbestandteile enthaltenden Laserstab übertragen werden.

Es ist vorteilhaft, die Oberflächenrauhigkeit nur an den Stellen vorzusehen, die vom Licht der Pumplichtquelle erreicht wird. Dann brauchen die Kontaktabschnitte des Dichtungsmateriales 7 am Ende des Laserstabes keine Oberflächenrauhigkeit besitzen, damit das Kühlmittel 70 in beständiger Weise abgedichtet werden kann.

Claims (2)

1. Festkörperlaser, der einen flüssigkeitsgekühlten Laserstab aufweist, der sich in einer Kavität innerhalb eines optischen Resonators befindet, und der transversal optisch gepumpt wird, wobei der Laserstab (3; 300) einen größeren Brechungsindex als die ihn umgebende Flüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Pumplicht durchdrungene Oberfläche des Laserstabes (3; 300) einen Bereich der Oberflächenrauhigkeit aufweist, der nicht kleiner als 3,3 µm RMS (Wurzel aus dem quadratischen Mittelwert der Rauhtiefe) ist.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavität (6) eine diffuse Reflexionsfläche an ihrer Innenseite aufweist.