DE60218211T2

DE60218211T2 - Laser mit einem verteilten verstärkungsmedium

Info

Publication number: DE60218211T2
Application number: DE60218211T
Authority: DE
Inventors: D. Michael Poway PERRY; S. Paul San Marcos BANKS; Jason San Diego ZWEIBACK; W. Robert Carlsbad SCHLEICHER
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: EP1454386A2; WO2003047052A2; JP2005510887A; US7366211B2; AU2002352846A1; EP1454386B1; US20030161364A1; US20050271098A1; US20030161365A1; US7103078B2; EP1454386A4; JP4377232B2; WO2003047053A1; US6937629B2; DE60218211D1; WO2003047052A3; US20070002921A1; JP2009049439A; AU2002365559A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung und auf ein Verfahren zum Aussenden von Laserstrahlen. In Ausführungsformen der Erfindung, die unten beschrieben werden, ist das Verstärkungsmedium diodengepumpt.
Hintergrund
Laser sind aus einer Vielzahl von Materialien und in allen Phasen hergestellt worden: Flüssigkeit, Gas, Plasma und Festkörper. Flüssigkeitslaser enthalten im Allgemeinen ein Verstärkungsmedium aus organischen Farbsalzen wie z.B. Derivate von Rhodamin oder Fluorescein, die in Lösungsmitteln wie Methanol oder Wasser gelöst sind. Das Verstärkungsmedium wird durch Licht angeregt, das typischerweise durch Blitzlampen oder einen anderen Laser erzeugt wird. Dieser Farbstofflaser besitzt eine Verstärkung über einen breiten Bereich des sichtbaren bis nahe des infraroten Spektrums. Dieser große Verstärkungsquerschnitt und die breite Einstellbarkeit machen diese Laser attraktiv für eine Anzahl von Verwendungen. Andererseits besitzen diese Farbstofflaser eine sehr kurze Lebensdauer des angeregten Zustands und geringe Sättigungsfluenz, was sie ungeeignet für Hochleistungsanwendungen macht. Außerdem überlappen die Absorptionsbänder dieser Farbstoffe nicht mit den Emissionsbändern von Hochleistung-Halbleiterdiodenlasern (typisch 780 bis 980 nm) und sind daher nicht zugänglich für das Pumpen mit derzeit erhältlichen Laserdioden.
Es gab verschiedene Versuche, anorganische Flüssigkeitslaser zu erhalten, die aus Salzen der Seltenen Erden zusammengesetzt sind, die in verschiedenen Lösungsmitteln gelöst sind. Das Problem in diesen Systemen war die Tendenz des Laserstrahlen aussendenden Ions (z.B. Nd³⁺), strahlungslosem Zerfall vom oberen Laserniveau in den meisten Flüssigkeitslösungen ausgesetzt zu sein. Diese Aberregung ist auf die hohen Energieschwankungen von Bindungen, die Leichtatome wie Wasserstoff einbeziehen, zurückzuführen. Durch das Ausschließen der Präsenz jeglicher Leichtatome kann dieses Quenchen auf den Punkt reduziert werden, wo das Aussenden von Laserstrahlen erzielt werden kann. Zum Beispiel ist dieses Quenchen verwendet worden, um das Aussenden von Laserstrahlen in Neodym Selenoxychlorid zu erzielen.
Ein maßgebliches Problem bei solchen Flüssigkeitslasern ist die korrodierende Veranlagung solcher Lösungsmittel, welches eine spezielle Behandlung der Vorbereitung und der Verwendung des Lasermediums erfordert. Als sie anfangs entwickelt wurden, wurden diese Systeme zunächst durch Blitzlampen gepumpt. Bei der Verwendung kürzlich entwickelter Laserdiodenarrays als Pumpquellen kann das Pumplicht mit dem Absorptionsspektrum übereinstimmen, wodurch ein Wiederaufleben des Interesses an diesem Flüssigkeitslasertyp ermöglicht wird.
Festkörperlaser umfassen ein Verstärkungsmedium, das ein Laserstrahlen aussendendes Ion umfasst, das in einer Kristall- oder amorphen Matrix enthalten ist. Die gebräuchlichsten Laserstrahlen aussendenden Arten basieren auf Seltenen-Erden Elementen wie Neodym, Erbium, Ytterbium usw. Die Lasereigenschaften (z.B. Absorptions- und Emissionsquerschnitt, Lebensdauer des angeregten Zustands, usw.) des Verstärkungsmediums werden durch die Interaktion des lokalen Kristallfelds mit dem Feld des Ions selbst bestimmt. Diese Interaktion bestimmt die spezifischen Energieniveaus des Ions und ihre Breite. Zum Beispiel besitzt das Neodym-Ion eine Reihe von engen Absorptionslinien, die um 808 nm herum zentriert sind, und eine Reihe von starken Emissionslinien um 1064 nm herum, wenn es in der üblichen Kristallmatrix, Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), eingebunden ist. Dieses Lasermedium wird gebildet, wenn eine kleine Menge von Neodym das Yttrium-Ion in der Granatkristallmatrix ersetzt, was in einem Neodym-dotierten YAG (Nd: YAG) resultiert. Durch das Platzieren des Neodyms in anderen Wirtskristallen können sehr verschiedene Lasereigenschaften erhalten werden. Zum Beispiel wird in Phosphatglas gelöstes Neodym eine Reihe von breiten Absorptionsbändern erzeugen, die sich von 500 bis über 900 nm und Zehner von Nanometern in der Breite erstrecken. Die Verstärkung wird über ein breites Band vorgeführt, das bei 1054 nm zentriert ist. Im Gegensatz zu Farbstofflasern weisen diese Festkörperlaser eine lange Lebensdauer des angeregten Zustands und eine hohe Sättigungsfluenz auf, welches einen hohen Energieausstoß ermöglicht. Außerdem sind sie durch ihre Absorptionsbänder in dem Bereich von 800 bis über 950 nm ideal für die Anregung durch die Emission von Halbleiterlaserdioden, die auf Galliumarsenid (z.B. AlGaAs, InGaAs) basieren.
Festkörperlaser werden durch Züchten des Kristalls (oder Schmelzen des Glases) und dann Schneiden und Polieren des Kristalls in die gewünschte Form gebildet. Große Einpulssysteme mit dem Festkörpermedium in der Form von Scheiben sind für die lasergetriebene Trägheitseinschluss-Fusionsforschung mit Scheiben mit über 40 cm Durchmesser entwickelt worden. Diese Systeme erzeugen eine sehr hohe Pulsenergie (ungefähr 15 kJ), haben aber unvorteilhafterweise eine geringe Durchschnittsleistung (weniger als 1 W). Systeme mit hoher Durchschnittsleistung, die entweder Nd:YAG oder Yb:YAG als Verstärkungsmittel enthalten und durch Laserdioden gepumpt sind, sind auf dem Kilowattniveau entwickelt worden. Ein typischer diodengepumpter Festkörperlaser ist in 2 gezeigt. Der Festkörperlaser 200 umfasst einen Laserstab 202, der von einem Strömungsrohr 204 (Hüllrohr) umgeben ist, das einen Kühlflüssigkeitsstrom 206 über den Laserstab 202 richtet und den Kontakt des Laserstabes 202 mit den Diodenpumpquellen 208 verhindert. Die Pumpstrahlung wird durch die Diodenarrays 208 erzeugt, die in den Laserstab 202 durch Brechungsmittel 210 (z.B. Linsen) oder andere reflektierende Mittel gekoppelt werden können. Die Kühlflüssigkeit führt Wärme von dem Laserstab 202 durch Konvektion ab, indem das Fluid 206 über die Oberfläche des Laserstabes 202 strömt. Die Wärme wird durch den Laserstab an die Oberfläche geleitet. Diese Leitung errichtet einen großen Temperaturgradienten zwischen dem Zentrum des Stabes und der Oberfläche. Dieser Gradient erzeugt Belastung in dem Material, was zu Stahlverzerrung und eventuellem katastrophalen Ausfall des Kristalls führt. Im Ergebnis ist die Durchschnittsleistung, die von Festkörperlasern erhältlich ist, durch das Vermögen begrenzt, Wärme von dem Mittel abzuführen.
Eine Klasse von Festkörperlasern, die das Festkörpermaterial in einem Fluid eingetaucht enthielten, wurde in den 1970ern und 1980ern entwickelt. Diese so genannten "Immersionslaser" waren Blitzlampen-gepumpt und das Festkörperlasermaterial war in verschiedenen Formen geformt. Zum Beispiel, wie US-Patent Nr. 3,735,282, veröffentlicht für Gans, beschrieben, ist ein gepulster Laser beschrieben, der aus einem segmentierten Nd: Glasstab zusammengesetzt ist, eingetaucht in eine Flüssigkeit, die an die Emissionswellenlänge Index-angepasst ist. Die Flüssigkeit besteht aus bromiertem azyklischen Kohlenwasserstoff gemischt mit azyklischem Alkohol. Der segmentierte Stab ist in ein thermostatisch gesteuertes Gehäuse eingetaucht, das von einer spiralförmigen Bogenlampe umgeben ist, die Xenon oder Krypton enthält. Gans konzentriert sich auf einen speziellen Typ eines Immersionsmittels, das OH- und Bromgruppen enthält, um die ultraviolette Hydrolyse des Immersionsmittels zu verhindern.
Eine ähnliche Laserarchitektur kann in dem US-Patent Nr. 3,602,836, veröffentlicht für Young, gefunden werden, das die Verwendung eines in eine Kühlflüssigkeit eingetauchten segmentierten Laserstabes lehrt. Young konzentriert sich auf Meniskus-förmige Segmente, die keine optische Leistung haben, die in einem ausreichenden Abstand beanstandet sind, um einen freien Durchgang von genügend Kühlmittel zu gestatten. Im US-Patent Nr. 3,621,456, veröffentlicht für Young, ist die Verwendung von parallelen Scheiben beschrieben, die reflektierende Oberflächen umfassen. Im US-Patent Nr. 3,487,330, veröffentlicht für Gudmundsen, ist eine Laseranordnung beschrieben, in der die Blitzlampe durch segmentiertes Lasermaterial eingeschlossen ist. In solch einem System würde der Kühlmittelstrom nach innen über die segmentierten Lasermaterialien gerichtet, so dass das nicht erhitzte Kühlmittel zuerst das Lasermaterial überquert und dann die Lampe kühlt. Außerdem beschreibt Gudmundsen auch, dass die Blitzlampe an dem Segmentlasermaterial anliegend platziert ist. Gudmundsen konzentriert sich vornehmlich auf verschiedene Kühlmittelstromgeometrien zur Kühlung der Lasermedien und der Blitzlampe.
Ein Schüttschichtlaser, zusammengesetzt aus Laserstrahlen aussendenden Festkörperglaselementen, ist im US-Patent Nr. 4,803,439, veröffentlicht für Ryan et. al., beschrieben. Ryan et. al. lehrt die Verwendung von Laserstrahlen aussendenden Perlen, die in einem Laserhohlraum gepackt sind, um in benachbartem Kontakt miteinander zu sein. Die Laserperlen müssen in der Ordnung von 1 mm³ im Volumen sein, um das angrenzende Packen der Glaslaserperlen in den Laserverstärkerhohlraum zu vereinfachen. Ein Kühlfluid wird durch und zwischen die Laserstrahlen aussendenden Perlen gepumpt, wobei die Perlen räumlich fixiert werden. Auch ist ein phasenkonjugierender Spiegel erforderlich, um die optischen Verzerrungen verbunden mit dem Laserstrahlen aussendenden Medium zu beseitigen.
All diese Festkörperlasersysteme einschließlich der so genannten Immersionslaser sind bezüglich des Durchschnittsleistungsausstoßes durch die Wärmeabführung von den Verstärkungsmedien beschränkt. Der Unterschied zwischen der Energie des Pumpphotons und des Emissionsphotons wird als Quantendefekt bezeichnet und verbleibt in dem Kristall als Wärme. Zum Beispiel wird der Nd:YAG durch Laserdiodenstrahlung bei 808 nm (Photonenenergie = 1,53 eV) gepumpt und emittiert Laserstrahlung bei 1064 nm (1,17 eV), der Quantendefekt von 0,36 eV erscheint als Wärme in dem Medium nach dem Aussenden der Laserstrahlen. Diese Wärme muss abgeführt werden oder sie beendet das Aussenden von Laserstrahlen durch das thermische Besetzen des unteren Laserniveaus (z.B. Yb:YAG) oder das eventuelle Führen zu einem katastrophalen Ausfall des Laserkristalls durch thermische Beanspruchung im Zusammenhang mit dem Temperaturgradienten über dem Kristall. Erhebliche Strahlverzerrung und Depolarisation, resultierend aus der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex, und Belastungs-Doppelberechnung treten weit unter der Grenze des durch thermische Belastung herbeigeführten Bruches auf. Die Wärme wird im Allgemeinen durch Strömen eines Kühlmittels über das Lasermaterial abgeführt. Alternative Wärmeabführungsverfahren, die darauf ausgerichtet sind, das Problem der thermischen Belastung und Strahlverzerrung anzusprechen, haben zu einer Vielzahl von Laserdesigns, wie z.B. Dünnscheiben- und Zickzackplatten-Festkörperlaser, geführt.
Es wird eine Laservorrichtung gebraucht, in der die Vorteile eines Festkörper-Verstärkungsmediums (z.B. Diodenpumpen, hohe Energiedichte usw.) verwirklicht werden können, aber die nicht im Durchschnittsleistungsausstoß durch thermische Belastung beschränkt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung von einem Aspekt aus ist eine Laservorrichtung vorgesehen, die umfasst: eine Laserkammer mit einem darin ausgebildeten Volumen; ein Verstärkungsmedium in dem Volumen und Festkörperelemente umfassend, die ein aktives Laserion enthalten, welches in dem Volumen verteilt ist, wobei eine Dicke L jedes Festkörperelements definiert ist durch:
wobei ΔT eine maximale Temperaturdifferenz zwischen einem Zentrum und einer Oberfläche jedes Festkörperelements ist, k_s eine Wärmeleitfähigkeit eines Festkörperelements ist, c eine geometrische Konstante ist, wobei c ein Wert zwischen 4 und 8 ist, und q''' eine Wärme ist erzeugt pro Volumeneinheit in jedem Festkörperelement resultierend aus dem Diodenpumpen; eine Flüssigkeit, die über die Festkörperelemente strömt; eine Halbleiter-Laserdiode, um optische Pumpstrahlung in das Volumen der Laserkammer bereitzustellen; und eine Laseremission aus den Festkörperelementen tritt durch das Verstärkungsmedium und die Flüssigkeit hindurch.
Entsprechend der Erfindung von einem anderen Aspekt aus ist ein Verfahren zum Aussenden von Laserstrahlen vorgesehen, das umfasst: Bereitstellen einer Laserkammer mit einem darin ausgebildeten Volumen und ein Verstärkungsmedium enthaltend, wobei das Verstärkungsmedium Festkörperelemente umfasst, die ein aktives Laserion enthalten, welches in dem Volumen verteilt ist, wobei eine Dicke L jedes Festkörperelements definiert ist durch
wobei ΔT eine maximale Temperaturdifferenz zwischen einem Zentrum und einer Oberfläche jedes Festkörperelements ist, k_s eine Wärmeleitfähigkeit eines Festkörperelements ist, c eine geometrische Konstante ist, wobei c ein Wert zwischen 4 und 8 ist, und q''' eine Wärme ist erzeugt pro Volumeneinheit in jedem Festkörperelement; Strömen einer Kühlflüssigkeit durch das Volumen und über die Festkörperelemente; Ausrichten der durch die Halbleiter-Laserdioden erzeugten optischen Pumpstrahlung durch die Kammer in das Volumen; und Ausrichten der durch die Festkörperelemente erzeugten Laseremission durch die Kammer, so dass die Laseremission durch die Festkörperelemente und die Flüssigkeit hindurch tritt.
Die Laservorrichtungen, die unten beschrieben werden, richten sich auf die thermischen Beschränkungen in Festkörperlasern und stellen eine hohe Durchschnittsleistung zur Verfügung. Solch ein Laser ist im Allgemeinen nicht durch thermische Belastung oder andere thermische Effekte in dem Festkörperverstärkungsmedium beschränkt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Systemansicht einer Laservorrichtung in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem ein Verstärkungsmedium mit seltenen Erden dotierte Festkörperelemente umfasst, ausgeführt als flache Platten, ortsfest in einer Laserkammer und überall verteilt in einer Kühlflüssigkeit, die einen Brechungsindex besitzt, der gleich dem des Festkörperverstärkungsmaterials ist. Die Kühlflüssigkeit durch die Laserkammer strömt über die Festkörperelemente.
2 ist eine diodengepumpte Festkörperlaser-Verstärkungsanordnung, die repräsentativ für den Stand der Technik ist, einschließlich eines Laserstabes, der von einem Strömungsrohr umgeben ist, welches den Kühlmittelstrom über den Laserstab ausrichtet und den Kontakt mit einer Diodenpumpquelle verhindert. Die Pumpstrahlung wird durch die Diodenarrays erzeugt und kann in den Laserstab durch Brechung (z.B. Linsen) oder Reflexionsmittel gekoppelt werden.
3 ist eine seitliche Systemansicht von außen einer alternativen Laservorrichtung in Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die Kühlflüssigkeit durch die Laserkammer durch eine Verteileranordnung geströmt wird.
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Laserkammer der Laservorrichtung aus 3, die die Festkörperelemente und die Halbleiterdiodenpumpquellen weiter veranschaulicht.
5 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Laservorrichtung aus 4 entlang der Linie 5-5 in 4, die einen Flüssigkeitsstromverteiler zum Strömen der Flüssigkeit durch die Laserkammer weiter veranschaulicht.
6 ist eine Darstellung, die die Ausrichtung von Festkörperelementen, die als Platten in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt sind, darstellt.
7 stellt ein Beispiel eines Ausführungsbeispiels einer Laservorrichtung in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, das als Vierwege-Verstärker verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiel der Erfindung
Es ist ein Ziel von verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, einen diodengepumpten Laser bereitzustellen, in dem die durchschnittliche Leistung des Lasers viel größer ist als die, die durch derzeitige Festkörpersysteme erzielt werden kann, die durch thermische Belastung oder andere thermische Effekte in dem Festkörperverstärkungsmedium begrenzt sind.
Es ist ein Ziel von verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, einen diodengepumpten Laser bereitzustellen, der kontinuierlich oder gepulst betrieben werden kann.
Es ist auch ein Ziel von verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, einen Laser bereitzustellen, in dem das Festkörperverstärkungsmedium überall in einem strömenden Kühlmittel verteilt ist und in engem Kontakt mit ihm ist.
Ein Laser in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann entweder als Verstärkungsmedium für einen Laseroszillator oder als ein Verstärker verwendet werden.
Wie zuvor beschrieben, gibt es eine Vielzahl von Geometrie für diodengepumpte Festkörperlaser. Diese Konfigurationen verwenden alle ein Festkörperverstärkungsmedium, das als ein Stab, eine Platte oder Scheibe konfiguriert worden ist, und die Wärme wird von dem Verstärkungsmedium entweder durch Leitung zu einem Wärmereservoir oder durch Konvektion zu einem Kühlmittel, das über die Oberfläche strömt, abgeführt. Unseres Wissens nach gibt es keine Konfigurationen von Hochleistungs-diodengepumpten Festkörperlasern, in denen die Laseremissionsachse durch das Kühlmittel tritt. Der Hochleistungsbetrieb bezieht sich hierin auf eine durchschnittliche Laserleistung von mehr als 100 W. In konventionellen Konfigurationen verursachen die Temperaturgradienten eine Belastung in dem Verstärkungsmedium, was zu einer Strahlverzerrung und eventuell einem katastrophalen Ausfall des Lasers führt, wenn die durchschnittliche Leistung nicht begrenzt ist. Es ist ein Ziel von verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, eine diodengepumpte Laserarchitektur mit einer großen Verstärkungsapertur bereitzustellen, die seiten- oder endpumpende Architekturen ermöglicht und eine hohe Extraktionseffizienz und einen höheren durchschnittlichen Leistungsbetrieb erzielt, als aus den derzeitigen seitengepumpten oder endgepumpten Laserstäben oder -platten aus dem Stand der Technik erzielt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Festkörperlaser-Verstärkungsmedium mehrere Festkörperelemente, die ortsfest in einer Laserkammer mit einem darin ausgebildeten Volumen sind. Die mehreren Festkörperelemente werden in einem flüssigen Kühlmittel oder Fluid eingetaucht, welches über die Festkörperelemente geströmt wird. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Fluid im Wesentlichen an die Festkörperelemente Index-angepasst, während es in anderen Ausführungsbeispielen nicht erforderlich ist, dass das Fluid im Wesentlichen Index-angepasst ist. Die elektromagnetische Welle oder Laseremission tritt durch die Festkörperelemente und das Fluid. Dies steht im Kontrast zu konventionellen Hochleistungs-Festkörperlasern, wie in 2 veranschaulicht, wo das Kühlmittelfluid über das Festkörperverstärkungsmedium strömt, während die Laseremission nicht durch das Kühlmittel tritt. Entsprechend mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind das Verstärkungsmedium und das Kühlmittelfluid homogen für die elektromagnetische Welle und ermöglicht die Verwendung eines Festkörperlaser-Verstärkungsmediums, in dem jedes der Festkörperelemente ein Ausmaß aufweist, das ausreichend klein ist, damit die Wärme schnell aus dem Festkörperelement heraus in das flüssige Kühlmittel geleitet wird. Somit stellt solch eine Laservorrichtung die Vorteile eines Festkörper-Verstärkungsmediumlasers zur Verfügung (z.B. Diodenpumpen, hohe Leistungsdichte, usw.), aber ermöglicht den Betrieb bei einer höheren durchschnittlichen Leistung und Strahlqualität, als erreichbar wäre aus einem reinen Festkörpermedium.
Bezüglich 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Laservorrichtung 10 veranschaulicht. Die Laservorrichtung 10 umfasst eine Laserkammer 12 (auch als Laserkopf bezeichnet), die ein darin ausgebildetes Volumen (auch bezeichnet als Laserstrahlen aussendendes Gebiet) umfasst. Ein Verstärkungsmedium, das mehrere Festkörperelemente 14 umfasst, ist in dem Volumen verteilt. Die Elemente 14 sind zum Beispiel als flache Platten oder Tafeln aus Festkörpermaterial ausgeführt, das in dem Volumen der Laserkammer 12 verteilt oder in Abständen angeordnet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elemente 14 des Festkörper-Verstärkungsmediums, wie mit seltenen Erden (z.B. Neodym) dotiertes Glas, Yttrium-Lithium-Fluorid (Nd:Ylf) oder ein anderer Laserwirt, in dem Volumen verteilt, und ein Kühlmittelfluid 16 wird über die Elemente 14 geströmt. Das Fluid 16 dient als Kühlmittel für das Lasermedium oder die Elemente 14. die Elemente 14 sind dünn in einem Abmaß, um schnell die Wärme aus dem Festkörpermedium heraus in das Kühlmittelfluid 16 zu leiten. In einigen Ausführungsbeispielen weist das Fluid einen Brechungsindex auf, der ungefähr Index-angepasst mit dem der Festkörperelemente 14 ist. Wie hierin verwendet, ist ein Fluid ungefähr oder im Wesentlichen Index-angepasst mit dem Brechungsindex des Verstärkungsmediummaterials, wenn der Brechungsindex innerhalb ungefähr 20% des Brechungsindex des ausgewählten Festkörpermaterials ist. Es wird angemerkt, dass, obwohl die Elemente hierin vorrangig als flache Platten oder Tafeln geschrieben sind, die Elemente andere Geometrien (z.B. gebogen, länglich, abgerundet, usw.) in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung annehmen können.
Das Fluid 16 strömt im Allgemeinen in die Laserkammer 12 über einen Einlass 20 (dargestellt an einer oberen Fläche der Laserkammer 12) und verlässt die Laserkammer 12 über einen Auslass (nicht gezeigt in 1). In diesem Ausführungsbeispiel strömt das Fluid vertikal von oben zum Boden über die Laseremissionsachse durch das Volumen (z.B. entlang der z-Achse in 1). Die Elemente 14 werden festgehalten in dem Volumen in einer Struktur (nicht gezeigt) und das Kühlmittelfluid tritt zwischen den Elementen hinein. Die Elemente 14 werden zum Beispiel in Position gehalten durch Buchsen oder andere Strukturen, die mit inneren Abschnitten der Kammer 12 gekoppelt sind, oder werden in Rillen gehalten, die zum Beispiel in einem inneren Abschnitt der Kammerwände ausgebildet sind. Die Elemente 14 sind vorzugsweise so bemessen, dass sie die Laserapertur in der großen Abmessung füllen, und sind ausreichend dünn in der kleinen Abmessung, dass die Temperaturgradienten in den Elementen weit unter denen bleiben, die durch irgendeine thermische Belastungsgrenze in dem Material auferlegt sind. Obwohl es unten genauer diskutiert wird, ist die kleine Abmessung vorzugsweise geringer als ungefähr 1 cm und typischerweise in dem Bereich von ein paar Mikrometern bis zu ein paar Millimetern, z.B. zwischen 0,01 mm bis 10 mm. Die Elemente 14 werden durch Pumpstrahlung aus Arrays von Halbleiterlaserdioden 18 angeregt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Diodenpumpstrahlung in die Laserkammer 12 durch deren Seiten (z.B. entlang der y-Achse) eingeführt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Laserkammer 12 Fenster 24 oder Wände auf, die aus transparentem optischen Material, wie zum Beispiel Quarzglas, Borosilikatglas oder Saphir, gebildet sind, und weist auch undurchsichtige Abschnitte 26 oder Wandabschnitte auf. Es wird jedoch angemerkt, dass die Kammer 12 vollständig aus einem transparenten optischen Material gefertigt sein kann. Die Kammer 12 kann eine Vielzahl von Geometrien annehmen, wie zum Beispiel ein geradliniges Parallelepiped wie dargestellt, oder eine zylindrische Geometrie. Die Laserkammer 12 umfasst zum Beispiel Wände, die eine Dicke aufweisen und die Laserkammer mit dem Volumen darin ausbilden. Diodenerzeugte Pumpstrahlung aus den Halbleiterlaserdioden 18 tritt durch die Fenster 24, die in den Seitenwänden der Laserkammer 12 ausgebildet sind. Die Enden der Laserkammer 12 sind aus optischem Material gebildet, das für die Laserwellenlänge transparent ist, und bilden Aperturfenster 28 für die Laseremission aus, um die Laserkammer 12 entlang einer Laseremissionsachse zu betreten und zu verlassen. In Abhängigkeit von dem Ausführungsbeispiel kann die Erfindung entweder als ein Laseroszillator oder als ein Verstärker verwendet werden. Die Kammer, die das Verstärkungsmedium enthält, ist in einem Hohlraum angeordnet, der aus einem hochreflektierenden Spiegel 30 und einem Ausgangskoppler 32 (auch als ein teildurchlässiger Spiegel bezeichnet) zusammengesetzt ist, wenn die Erfindung als ein Laseroszillator konfiguriert ist.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der seitlichen Systemansicht von außen in 3 gezeigt, das ähnlich dem Ausführungsbeispiel der 1 ist; jedoch wird das Kühlmittelfluid 16 durch die Laserkammer 12 unter Verwendung einer Verteileranordnung geströmt. Zum Beispiel ist ein Einlassverteiler 38, der oben auf der Laserkammer angeordnet ist, mit mehreren Einlässen 20 zu der Laserkammer 12 gekoppelt, während ein Auslassverteiler 40, der am Boden der Kammer 12 angeordnet ist, mit mehreren Auslässen 22 der Laserkammer 12 gekoppelt ist. Es wird angemerkt, dass der Einlassverteiler 38 und der Auslassverteiler besser dargestellt sind in 4, die unten genauer beschrieben wird. Der Zweck des Verteilers ist, das Fluid gleichmäßig in der ganzen Laserkammer oder im Kopf zu verteilen und eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit und Druck aufrechtzuerhalten. Es wird angemerkt, dass die 4 und 5 die Laserkammer des Ausführungsbeispiels der 3 besser veranschaulichen.
Bezüglich der 1 und 3 wird das Kühlmittelfluid 16 in das Volumen der Laserkammer 12 durch eine Leitung 34 gepumpt, die mit einem oder mehreren Einlässen 20 der Kammer 12 gekoppelt ist. Zum Beispiel ist in 1 die Leitung 34 direkt mit dem Einlass 20 gekoppelt, während in 3 die Leitung mit dem Einlassverteiler 38 gekoppelt ist, der mit mehreren Einlässen 20 gekoppelt ist. Eine Fluidpumpe 36 ist eine gewöhnliche Kreiselpumpe mit Dichtungen, die für die Kompatibilität mit dem Immersionsmittel 16 ausgebildet sind. Das Fluid 16 strömt von der Pumpe 36 in die Laserkammer 12 über die Leitung 34. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Leitungssystem 34/Einlassverteiler 38 ausgebildet, um das Kühlmittel 16 in die Laserkammer 12 in einem flachen Winkel bezüglich der Elemente 14 einzuführen, um keine großen Turbulenzwirbel gegen die Festkörperelemente 14 zu erzeugen. Die minimale Strömungsgeschwindigkeit, die durch die Pumpe 36 festgelegt wird, ist die, die erforderlich ist, um eine adäquate Kühlung der Elemente 14 zu erzielen. Wie am besten in 5 dargestellt ist, strömt das Kühlmittelfluid 16 über die Laseremissionsachse (d.h. die Laseremission tritt durch das Fluid 16) und strömt aus der Laserkammer 12 heraus durch einen oder mehrere Auslässe 22, die direkt mit einer Leitung 42 gekoppelt sind oder mit einem Auslassverteiler 40 gekoppelt sind, der auf der gegenüberliegenden Seite der Laserkammer 12 angeordnet ist, die mit der Leitung 42 gekoppelt ist. Die Richtung des Fluidstroms ist durch Pfeile F in 1, 3 und 5 dargestellt. In der Laserkammer 12 werden die Elemente 14 durch optische Pumpstrahlung von den Diodenarrays 18 angeregt. Als ein Ergebnis dieser Erregung steigt die Temperatur in den Elementen an. Diese Wärme wird zu dem strömenden Kühlmittelfluid 16 durch Konvektion an der Oberfläche der einzelnen Elemente 14 übertragen. Das Kühlmittelfluid, das die Laserkammer 12 verlässt, wird auf einen Wärmetauscher 44 über die Leitung 42, die dazwischengeschaltet ist, ausgerichtet. Der Wärmetauscher 44 kühlt das Fluid 16 zurück auf seine Starttemperatur und führt dann das Fluid zurück zu der Pumpe 36. Der Wärmetauscher 44 ist am gebräuchlichsten ein Tauscher vom Rohrtyp, wo das heiße Fluid durch Leitung durch eine oder eine Reihe von Röhren gekühlt wird, die abwechselnd durch ein zweites Fluid gekühlt werden. Das zweite Kühlfluid ist am gebräuchlichsten Wasser oder Luft. Nach dem Wärmetauscher strömt das Kühlmittel zurück zu der Pumpe 36, wodurch der Strömungskreis vervollständigt wird. Es wird angemerkt, dass in Abhängigkeit von dem Ausführungsbeispiel das Fluid entweder durch die Pumpe 36 oder den Wärmetauscher 44 strömen, kann bevor es durch das andere strömt.
Es wird angemerkt, dass, während auf die Ausführungsbeispiele der 1 und 3 Bezug genommen wird, gleichzeitig Bezug auf die 4 und 5 genommen wird. 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Laserkammer der Laservorrichtung der 3 (oder der 1), die die Ausrichtung der Festkörperelemente 14 und der Halbleiter-Diodenpumpquellen 18 weiter veranschaulicht. 5 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Laservorrichtung der 3 entlang der Linie 5-5 der 4, die ein Fluidstromverteilersystem zum Strömen des Fluids durch die Laserkammer weiter veranschaulicht.
Wie in 4 zu sehen ist, sind die Elemente 14 in einem anderen Ausführungsbeispiel in einem Winkel bezüglich des Pfades der Laseremission (die Laseremission veranschaulicht durch die Pfeile 46 in 4 und 5) ausgerichtet, vorzugsweise im Brewsterwinkel. In dieser Ausrichtung ist es nicht erforderlich, dass das Fluid im wesentlichen Index angepasst an den der Festkörperelemente 14 ist. Es wird jedoch angemerkt, dass solch eine Ausrichtung nicht erforderlich ist, und dass die Elemente 14 in jedem Winkel (einschließlich des senkrechten) zu dem Pfad der Laseremission ausgerichtet werden können. 5 veranschaulicht deutlich den Fluidströmungspfad (Pfeile F) von oben zum Boden in der Laserkammer 12 und über die Festkörperelemente 14. Vorzugsweise strömt das Fluid gerade durch die Kammer von den Einlässen 20 zu den Auslässen 22. Es wird angemerkt, dass im Allgemeinen die Elemente 14 parallel zu der Richtung des Fluidstroms ausgerichtet sind, so dass das Fluid über den gesamten Oberflächenbereich der Länge und Breite der Elemente 14 über das Volumen strömt. Es wird weiter angemerkt, dass, da die Ansicht von 5 ein Querschnitt entlang der Linie 5-5 der 4 ist, die winklige Ausrichtung der Elemente 14 relativ zu dem Laseremissionspfad nicht dargestellt ist. Die Elemente 14 erstrecken sich jedoch eigentlich diagonal in der y-Achse der 5. Wiederum, im Gegensatz zu bekannten Festkörperlasern wie in 2 veranschaulicht, ist vorgesehen, dass die Laseremission von der Laservorrichtung 10 direkt durch das Kühlmittelfluid 16 tritt.
Eine Vergrößerung der Laserkammer 12 ist in 4 und 5 gezeigt. Der Laserhohlraum wird an einem Ende durch einen hochreflektierenden Spiegel 30 ausgebildet, der ein Mehrschicht-dielektrisch beschichteter Spiegel ist, der als ein hochreflektierender Spiegel bei der Laserwellenlänge ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann dieser Spiegel einen metallischen oder Halbleiterreflektor umfassen, der eine dielektrische Beschichtung enthalten kann oder auch nicht. Das Verstärkungsmedium umfasst Festkörperelemente 14 (z.B. Tafeln oder Platten) in dem Kühlfluid 16, das an beiden Enden des Hohlraums durch das optische Fenster 28 (auch als eine Apertur bezeichnet) begrenzt ist. In einem Ausführungsbeispiel können Fresnelverluste von den Fenstern 28 minimiert werden durch Ausrichtung der Fenster 28 im Brewsterwinkel relativ zu der Laseremission. In diesem Winkel tritt Licht, das in der Ebene des Fensters 28 polarisiert ist, ohne Reflexion an der Fensteroberfläche hindurch, sogar wenn die Oberfläche unbeschichtet ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Fenster 28 in Lasergüte-Qualität gefertigt und entweder aus Quarzglas, Saphir oder Borosilikatglas gefertigt. Am anderen Ende des Hohlraums ist der Ausgangskoppler 32. Der Ausgangskoppler 32 ist ein teildurchlässiger Spiegel, der etwas der einfallenden Laserstrahlung überträgt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst dieser Spiegel eine Mehrschicht-dielektrische Beschichtung, die auf einem Quarzglassubstrat abgelagert ist und ausgebildet ist, um 10 bis 80% der einfallenden Laserstrahlung zu übertragen. Die optimale Übertragung und Geometrie dieses Ausgangskopplers 32 wird bestimmt durch die Einwegverstärkung in dem Hohlraum, die eine Funktion der zur Verfügung stehenden Pumpleistung der Dioden 18, der Konzentration des Laserstrahlen aussendenden Ions (z.B. Neodym) und der Länge des Verstärkungsbereichs und der gesamten Anforderungen zur Hohlraumausbildung, die im Stand der Technik gut bekannt sind, ist. Das Verstärkungsmedium wird durch Pumpstrahlung (veranschaulicht durch Pfeile P in 4) von Diodenarrays 18 erregt, die auf der Seite des Verstärkungsbereiches angeordnet sind. Die Diodenarrays sind ausgebildet, um in dem Absorptionsband der Festkörperelemente 14 (z.B. nahe 800 nm für Neodym) zu emittieren. Die Pumpstrahlung der Diodenarrays tritt durch ein Fenster 24 in der Seite des Verstärkungsbereiches, das entweder aus Quarzglas, Borosilikatglas oder anderen optischen Materialien, die im Stand der Technik bekannt sind, ausgebildet ist.
Wie oben beschrieben erscheinen das Verstärkungsmedium (d.h. die Festkörperelemente 14) und das Fluid 16 nahezu homogenen für die elektromagnetische Welle, da das Kühlmittel 16 in engem Kontakt mit den Festkörperelementen ist und in einigen Ausführungsbeispielen ungefähr Index-angepasst daran ist. Laseroszillation tritt zwischen dem hochreflektierenden Spiegel 30 und dem Ausgangskoppler 32 auf. Der Ausgangskoppler 32 ist ein teildurchlässiger Spiegel, der üblicherweise aus dielektrischen Schichten zusammengesetzt ist, die im Brechungsindex alternieren. Der hochreflektierende Spiegel 30 ist auch gut bekannt im Stand der Technik, und ist typischerweise ein Mehrschicht-dielektrisch beschichteter Spiegel. Metallische Spiegel können ebenso verwendet werden. Außerdem kann ein deformierbarer Spiegel an der Stelle des hochreflektierenden Spiegels verwendet werden. Wenn er mit einem Wellenfrontsensor gekoppelt wird, kann solch ein Spiegel verwendet werden, um jegliche Verzerrung in dem Laserkopf zu kompensieren, die aus dem Strom des Fluids oder den Temperaturgradienten resultiert.
Wie in 5 dargestellt, wird das Kühlmittel quer zu der Richtung der Laserachse der Laseremission (die Emission dargestellt als Pfeile 46 in 4 und 5) geströmt. Strahlung von den Laserdiodenarrays 18 bei einer Wellenlänge, die auf das Absorptionsband des Festkörpermediums abgestimmt ist, tritt durch ein Fenster 24 auf der Seite der Laserkammer, die die Elemente 14 enthält. In einigen Ausführungsbeispielen ist ein ungefähr Index-angepasstes Kühlmittel so ausgewählt, dass es geringfügige Absorption bei der Absorptions- und der Emissionswellenlänge des Festkörperverstärkungsmediums (Z.B. für Nd:Glas λ_a 803 nm und λ_em 1054 nm) zeigt. Die Strahlung von den Pumpdioden 18 wird in den Festkörperelementen 14 absorbiert, die in Position in der Laserkammer gehalten werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elemente 14 parallel zueinander ausgerichtet; es ist jedoch nicht notwendig, dass die Elemente 14 parallel zueinander ausgerichtet sind. Das einzige Erfordernis ist, dass sie ausreichend getrennt oder ausgerichtet voneinander sind, dass das Kühlmittelfluid 16 leicht zwischen angrenzenden Elementen 14 hindurch treten kann.
Zusätzlich zu dem Aufweisen der geringfügigen Absorption, ist in einem Ausführungsbeispiel das Fluid 16 ungefähr Index- angepasst an den des Festkörpermediums, d.h. dass die Elemente 14, damit die Verluste, die aus der Differenz des Brechungsindex zwischen zwei verschiedenen Medien resultieren, ausreichend klein sind, nicht so deutlich die Effizienz des Lasers oder der Netz-Einwegverstärkung beeinflussen. Diese Verluste sind auf die Reflexion an der Schnittstelle zurückzuführen und im Stand der Technik als Fresnelverluste bekannt. Es gibt Immersionsmittel 16, die in der Lasergemeinschaft erhältlich sind. Während kommerziell erhältliche Immersionsmittel verwendet werden können, kann das einfache Mischen von mischbaren Fluiden verwendet werden: eines mit einem Index über dem des Verstärkungsmediums und einem darunter. In einem Ausführungsbeispiel sind die Fluide in dem Verhältnis gemischt, das bestimmt wird durch n1x + n2(1 – x) = np wobei

n₁: = Brechungsindex des Fluids 1
n₂: = Brechungsindex des Fluids 2
n_p: = Brechungsindex des Festkörperelements
x: = Mischungsanteil

Ein Beispiel würde die Mischung von Tetrachlorkohlenstoff und Schwefelkohlenstoff sein, um ein Immersionsmittel für Neodym-dotierte Phosphatglaselemente zur Verfügung zu stellen. Schwefelkohlenstoff weist einen Brechungsindex bei 1054 nm von 1,62 auf und Tetrachlorkohlenstoff weist einen Index von 1,45 auf, während das Nd-dotierte Phosphatglas LHG-5 einen Brechungsindex von 1,531 aufweist. Durch die Mischung von Schwefelkohlenstoff und Tetrachlorkohlenstoff mit 47,65% CS₂ kann ein Index-angepasstes Kühlmittel erhalten werden. Daher werden gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen Kohlenstoff-basierte Kühlmittelfluide 16 verwendet.
Für einige Materialien können reine Fluide einen Brechungsindex besitzen, der ausreichend nahe an dem der Festkörperelemente ist, so dass sie direkt verwendet werden können. Ein spezielles Beispiel würde die Verwendung von Tetrachlorkohlenstoff (Brechungsindex = 1,45) mit Nd:YLF (Index entlang der gewöhnlichen Achse = 1,4481) sein. Der Reflexionsverlust (Fresnelverlust) an der Schnittstelle zwischen dem Kühlmittelfluid und dem festen Medium (z.B. den Elementen 14) für Licht, das senkrecht zu der Einfallsebene polarisiert ist, ist gegeben durch
und für Licht, das parallel zu der Einfallsebene polarisiert ist,
wobei n_i der Brechungsindex für das Medium ist, in das das Licht einfällt, n_t der Brechungsindex des Mediums ist, in welches das Licht übertragen wird, θ_i der Einfallswinkel ist und θ_t der Winkel zwischen der Normalen zu der Oberfläche und der Ausbreitungsvektor des Lichts in dem übertragenen Medium ist. Diese Winkel stehen in Beziehung durch das Snell'sche Gesetz n_isinθ_i = n_tsinθ_t. Für Licht, das normal zu der Platte einfällt, θ_i = θ_t = 0, würden wir einen Verlust von viel weniger als einen Teil von 10.000 an der Oberfläche haben für den Fall von Nd:YLF eingetaucht in Tetrachlorkohlenstoff. Sogar wenn 100 einzelne Elemente 14 in der Laserkammer 12 eingebaut wären, würde zum Beispiel der Gesamt-Fresnelverlust geringer sein als ein paar Prozent.
Es wird angemerkt, dass eine viel größere Differenz in dem Brechungsindex zwischen dem Kühlmittelfluid 16 und den Festkörperverstärkungselementen 14 toleriert werden kann durch das einfache Ausrichten der Elemente 14 in einem Winkel bezüglich der Laseremissionsachse. Die Ausrichtung der Elemente 14 bezüglich der Laseremissionsachse ist am besten veranschaulicht in den 1 und 4. Bei einem speziellen Winkel, bekannt als Brewsterwinkel, geht die Reflexion des Lichts, das parallel zu der Einfallsebene polarisiert ist, auf Null. Dieser Winkel θ_B ist gegeben durch θ_B = arctan(n_t/n_i). Daher können durch die Ausrichtung der Elemente 14 am Brewsterwinkel Kühlmittel verwendet werden, die eine sehr große Differenz im Brechungsindex zu dem Festkörperlasermedium besitzen.
Um den Aufbau gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele zu vervollständigen, sollte die Konzentration des Laserstrahlen aussendenden Ions in den Festkörperelementen 14, die Anzahl der Elemente, die Aperturgröße, die Elementdicke und der Abstand zwischen den Elementen 14 spezifiziert werden. Zunächst sollte in den seitengepumpten Ausführungsbeispielen, die in den 1 und 2–5 gezeigt sind, die Konzentration des Laserstrahlen aussendenden Ions in den Elementen 14 ausreichend hoch sein, um die Mehrheit der Pumpstrahlung von den Dioden 18 zu absorbieren. Wir werden typischerweise die Apertur des Verstärkungsbereiches so einstellen (z.B. Einstellen der Größe des Fensters 28 und des Innenvolumens der Laserkammer 12), das ungefähr 90% des Diodenlichts durch die Elemente 14 absorbiert wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann dieses Erfordernis geschrieben werden als exp[α_aLsinΦ]0,08, wobei L die Dicke eines gegebenen Elementes 14 ist und α_a der effektive Absorptionskoeffizient für Pumpstrahlung ist. Der Winkel Φ ist der Winkel, in dem das Element zu der Pumpstrahlung von den Diodenarrays ausgerichtet ist. Der effektive Absorptionskoeffizient α_a ist gegeben durch αa = Noσwobei

N_o: = Konzentration der absorbierenden Ionen in dem Element
σ_a: = Absorptionsquerschnitt

Zum Beispiel LG-760 Nd: Phosphat-Laserglas dotiert bei 5 Gew.% weist eine Neodymkonzentration von 4,65 × 10²⁰ Ionen/cm³ und einen effektiven Absorptionsquerschnitt über das 803 nm Band von 2,4 × 10^–20 cm² auf, was zu einem Absorptionskoeffizienten von 11 cm^–1 führt.
Der Abstand der Elemente 14 ist einstellbar. In bevorzugten Ausführungsbeispielen, wie am besten dargestellt in der vergrößerten Darstellung der 6, sind die Elemente 14 so angeordnet, dass die Elemente 14 einmal einander überlappen, wenn sie aus der Perspektive der einfallenden Pumpstrahlung P betrachtet werden. Dieses Ausführungsbeispiel berücksichtigt das gleichmäßigste Pumpen der Elemente 14, das die hohe Extraktionseffizienz in dem Lasersystem und geringe Belastung in dem Material vorsieht. Es wird angemerkt, dass der Betrag des Überlappens der Elemente 14 eingestellt werden kann in Abhängigkeit von dem speziellen Einbau. Wenn jedoch dies der Fall ist, sollte der überlappte Abstand r/m sein, wenn r die vertikale Projektion des gesamten Elements ist und m eine ganze Zahl ist. Dies stellt sicher, dass das Pumplicht immer dieselbe Absorptionslänge die ganze Verstärkungslänge entlang sehen wird. Andere Abstände zwischen Elementen 14 können verwendet werden mit zugehörigen Verlusten und höheren Belastungen in dem Material. Es wird angemerkt, dass, obwohl in den bevorzugten Ausführungsbeispielen die Elemente einander überlappen aus der Perspektive der einfallenden Pumpstrahlung, in anderen Ausführungsbeispielen die Elemente 14 überhaupt nicht einander überlappen. Auch dargestellt in 5, sind die Elemente 14 an einem Winkel Θ relativ zu der Laseremissionsachse ausgerichtet (vorzugsweise Brewsterwinkel) und an einem Winkel Φ relativ zu der einfallenden Diodenpumpstrahlung ausgerichtet, wobei die Elemente eine Länge l und eine Dicke L aufweisen. Wie oben beschrieben, sollte die Dicke L sorgfältig ausgebildet werden, um eine effektive Wärmeabführung von dem Element 14 während der Aktion des Aussendens von Laserstrahlen zu gestatten.
Der effektive Clientsignalverstärkungskoeffizienten entlang der Laseremissionsachse, α_eL, ist gegeben durch αeL = Nσe(NsheetsL/cosΦ)wobei σ_e der Emissionsquerschnitt ist, N die Ionenkonzentration in den Festkörperelementen 14 ist, die durch die Pumpstrahlung erregt worden sind, N_sheets die Anzahl der Elemente 14 in der Laserkammer ist, die durch die Diodenstrahlung gepumpt worden sind, und L/cosΦ die Projektion eines Elements der Dicke L entlang der Laseremissionsachse ist. Die Ionenkonzentration, die erregt ist, ist ungefähr N = α_aΦ_p(x, y, z)τ_p, wobei Φ_p(x, y, z) der lokale Photonenfluss von den Pumpdioden an dem Punkt (x, y, z) in der Laserkammer 12 ist, und τ_p die Dauer des Pumplichts ist. Diese Annäherung von N = α_aΦ_p(x, y, z)τ_p ist anwendbar für gepulstes Diodenpumpen und vernachlässigt jegliche spontane oder stimulierte Emission während der Pumpdauer. Die erregte Ionendichte ist schwieriger zu berechnen im Falle des kontinuierlichen Pumpens aufgrund der Notwendigkeit der Berechnung der spontanen Emission.
Derzeitige Diodenbarren (z.B. Halbleiterdioden 18) sind in der Lage, bis zu 80 W kontinuierliche Ausgangsleistung von 1 cm Länge zu erzeugen. Für einen 2 cm breiten mal 20 cm langen Verstärkungsbereich könnten Diodenpumparrays aus dem derzeitigen Stand der Technik eine Pumpleistung im Bereich 15–20 kW erzeugen. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die erwartete Verstärkung für Neodym-dotiertes Glas und Nd:YLF Elemente 14, die beabstandet sind, dass sie einander gerade überlappen für eine Gesamtlänge der Laserkammer von 10 und 20 cm, entsprechend als eine Funktion des kontinuierlichen Diodenpumpens (pro Barrenausgangsleistung). Die Verstärkung ist viel höher für YLF aufgrund einer längeren Lebensdauer im erregten Zustand und eines größeren stimulierten Emissionsquerschnitts.
Tabelle 1 Berechnete Verstärkung für Nd-dotiertes Phosphatglassystem
Tabelle 2 Berechnete Verstärkung für das Nd:YLF-System
In dem in 1 und 3–5 und den Tabellen 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wurde die Laserkammer 12 von zwei Seiten bei 400 W/cm² gepumpt. Da die Breite und Länge der Laserkammer 12 durch die Absorption beziehungsweise die Verstärkung gesetzt werden, ist die einzig variable Dimension in diesem Ausführungsbeispiel die Höhe. Im Prinzip könnte jede Höhe verwendet werden, wenn von den zwei Seiten gepumpt wird. Jedoch wird die Beugung des Strahls minimiert, wenn das Seitenverhältnis der Apertur (Volumen) ungefähr 1:1 ist. Daher würde in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine gute Laserleistung mit minimaler Abweichung erzielt, wenn die Höhe ungefähr gleich der Breite ist. Für unser vorliegendes Beispiel würde die Höhe daher ungefähr 2 cm sein. Die Gesamtdiodenleistung würde dann ungefähr 16 kW von jeder Seite betragen. Diodenarrays aus dem derzeitigen Stand der Technik enthalten 1 cm lange Barren, die mit einem Abstand von 1,7 mm angeordnet sind. Mit 2 mm zwischen den Barren würden wir zwei Blöcke von Diodenarrays haben, von denen jeder 12 Barren hoch und 17 Barren lang auf jeder Seite der Laserkammer ist. Die Gesamtanzahl der Barren auf jeder Seite ist dann 204. Um 16 kW Pumpleistung zu erhalten, wird es erforderlich sein, dass jeder Barren bei ungefähr 80 W für die Dauer des Pumpimpulses arbeitet.
Tabelle 3 unten veranschaulicht mehrere unterschiedliche mögliche Materialien für das Verstärkungsmittel und ihre Eigenschaften. Außerdem zu den in Tabelle 3 gezeigten Lasermaterialien haben wir auch die Leistung von Erbium- und Ytterbium-dotierten Lasermaterialien zur Verwendung in verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bewertet. Die zuvor beschriebenen Aufbaukonzepte würden jeden Fachmann dazu befähigen, einen Laser unter Verwendung von dünnen Festkörperlaserelementen zu erzeugen, die in einem Kühlmittel als Verstärkungsmedium verteilt sind.
Tabelle 3 Materialcharakteristiken
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind speziell aufgebaut, um das Bedürfnis nach einem effizienten Laserbetrieb mit hoher Durchschnittsleistung anzusprechen bei Aperturen, die größer sind als durchschnittlich 1 Quadratzentimeter. Ein effizienter Betrieb wird erzielt durch kontinuierliche Wellenlaser bei Betrieb des Lasers nahe der Sättigungsintensität, I_sat = hν/σ_cτ. Für den Fall der in Tabelle 3 beschriebenen Materialien reicht dies von 2,9 (Nd:YAG) bis über 12 kW/cm² (Nd:Glas). Somit wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Laservorrichtung bereitgestellt, die eine Apertur größer als 1 cm² und eine durchschnittliche Leistung von mindestens 1 kW/cm² aufweist, obwohl es selbstverständlich ist, dass Laservorrichtungen in Übereinstimmung mit der Erfindung gefertigt werden können, die deutlich weniger Ausgangsleistung aufweisen. Kein konventioneller Festkörperlaser könnte auf diesem Niveau der durchschnittlichen Pumpleistung und Größe arbeiten. Der Laserbetrieb in solchen konventionellen Festkörperlasern würde schnell beendet werden, da die Temperatur in Abwesenheit einer Kühlung ansteigen würde. Das Lasermaterial würde durch ein Fluid gekühlt werden müssen, das über dessen Oberfläche strömt. Alle bekannten Festkörperlasermaterialien würden aufgrund der thermischen Belastung brechen oder ernsthaft den Strahl verzerren resultierend aus dem großen Temperaturgradienten, der zwischen dem zentralen Bereich des Lasers und der gekühlten Oberfläche aufgebaut werden würde bei einer Apertur größer als ungefähr 1 cm und gepumpt bei diesem Niveau der durchschnittlichen Diodenleistung. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem eine Dimension der Festkörperlaserelemente ausreichend klein ist, so dass der Temperaturgradient, der zwischen dem Zentrum des Elements und der Oberfläche aufgebaut wird, klein ist.
Außerdem wird die Temperatur des Verstärkungsmediumelements schnell gesteuert durch einfaches Steuern der Temperatur des Fluids durch eine konventionelle Wärmetauschertechnologie, die im Stand der Technik gut bekannt ist. Diese Merkmale werden quantifiziert durch Berechnung der Temperaturverteilung innerhalb eines dünnen Plattenelements. Mit der Beschränkung, dass die Dicke des Elements 14 viel kleiner ist als entweder seine Breite oder Höhe, können wir die Temperaturverteilung über das Element annähern als Beschreibung durch einen eindimensionalen Wärmestrom,
wobei k_s die Wärmeleitfähigkeit des Festkörperlasermediums ist, x der Abstand ist, gemessen von dem Zentrum des Elements 14 in Richtung seiner Oberfläche in der dünnen Dimension des Elements (siehe 6), und q''' die örtliche Wärmeerzeugung in dem Volumen ist. Die Wärme wird durch das Element 14 geleitet und auf das Fluid übertragen durch Konvektion an der Oberfläche. Dies wird beschrieben durch die Oberflächengrenzbedingung
wobei h der Oberflächenwärmeübertragungskoeffizient ist, T_s die Temperatur des Elements 14 an seiner Oberfläche repräsentiert und T_f die Temperatur des Fluids 16 weit weg von der Elementoberfläche repräsentiert. Diese Gleichungen können schnell gelöst werden, um zu zeigen, dass die stationäre Temperaturverteilung über die dünne Dimension des Elements 14 parabolisch ist mit einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen dem Zentrum des Elements 14 und seiner Oberfläche ΔT von
wobei c eine geometrische Konstante ist, die von der Geometrie des Elements 14 abhängt. Zum Beispiel kann c eine Zahl ungefähr zwischen 4 und 8 sein, z.B. c ≈ 8 für ein Platten- oder Tafelelement. Somit wird in einem Plattenelement ΔT bereitgestellt durch:
Mit der Beschränkung einer geringen partiellen Erregung des aktiven Laserions in dem Festkörpermedium (d.h. ungesättigte Erregung) tritt die volumetrische Wärmeerzeugung q''' (W/cm³) in dem gesamten Element 14 in einer Höhe auf, die gegeben ist durch q''' = Ipumpαaδwobei I_pump die Strahlungsdichte Dioden Pumpstrahlung ist, α_a der zuvor beschriebene Absorptionskoeffizient ist und δ bekannt ist als Quantendefekt. Der Quantendefekt ist die Differenz der Energie zwischen dem Absorptions- und dem Emissionsband des Lasermediums. Für Neodym weisen Photonen, die nahe 803 nm absorbiert werden, eine Energie von 1,54 eV auf und die Emission nahe 1060 nm weist eine Energie von 1,17 eV auf, der Quantendefekt δ (1,54 eV – 1,17 eV)/1,54 eV = 24%. Mit anderen Worten, für jedes durch das Pumpen absorbierte Photon verbleibt mindestens 0,37 eV in dem Festkörpermaterial als Wärme. Für einen Pumpfluss von I_pump = 400 W/cm² und einem Absorptionskoeffizienten von 9 cm^–1 werden wir eine Wärme innerhalb des Elements 14 erzeugt haben in einer Höhe von q''' = 864 W/cm³. Wenn der Anteil der erregten Ionen groß ist, ist eine geeignetere Abschätzung der volumetrischen Wärmeerzeugungsrate q''' = NexδEpump/τWobei N_ex die Dichte der angeregten Ionen im angeregten Zustand ist, E_pump die Energie der absorbierten Pumpphotonen ist und τ die Lebensdauer des oberen Laserniveaus in dem Festkörpermaterial ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Elemente 14 aufgebaut, um mindestens eine Abmessung aufzuweisen, die deutlich geringer als die anderen Abmessungen ist, um die Wärmeabführung von dem Element 14 durch Leitung zu der Oberfläche und dann Konvektion zu einem strömenden Fluid 16 zu gestatten. Zum Beispiel sollten plattenförmige Elemente ausreichend dünn gestaltet werden, um der erzeugten Wärme zu gestatten, in einer Höhe abgeführt zu werden, dass die maximale in dem Festkörper erreichte Temperatur und der Gradient ausreichend gering bleiben, um ein effizientes Lasern und eine gute Strahlqualität zu ermöglichen. Es wird angemerkt, dass die Abmessung, die ausreichend klein gestaltet ist, zum Beispiel eine Dicke einer Platte oder ein Durchmesser eines Zylinders sein kann. Bei der Lösung der obigen Gleichungen für L, welches die kleine Abmessung des Elements ist (zum Beispiel die in 6 dargestellte Dicke) ist die maximale Dicke des Elements 14, um eine adäquate Wärmeabführung zuzusichern, gegeben durch:
Diese Gleichung befähigt einen Fachmann dazu, einen Laseroszillator oder -Verstärker basierend auf der vorliegenden Erfindung aufzubauen einfach aus der Kenntnis der grundlegenden thermo-optischen Merkmale des Festkörperlasermaterials (zum Beispiel thermische Leitfähigkeit k_g, Absorptionsquerschnitt σ_a, Ionendichte N und der Quantendefekt δ) und die Strahlungsdichte der Diodenarrays I_pump. Wie zuvor beschrieben, ist es die Pumpenstrahlungsdichte, die Absorption des Materials und der Quantendefekt, die die volumetrische Wärmeerzeugungsrate q''' in dem Material bestimmen. Die maximal zulässige ΔT variiert für verschiedene Lasermaterialen, aber ist typischerweise kleiner als 100°C.
In allgemeinen Begriffen, um einen Hochleistungslaserbetrieb zu erhalten, z.B. Leistung über 100 W, sollte die Temperaturdifferenz zwischen einem Zentrum eines Elements 14 und seiner Oberfläche (ΔT in den obigen Gleichungen) geringer sein als ungefähr 100°C für die meisten Festkörperlasermaterialien. Somit stellt ein Lösen der Gleichung für ΔT oben eine maximale Größe für die kleine Abmessung des Elements 14 bereit, so dass das Element 14 ausreichend dünn für die Wärmeabführung ist. Zum Beispiel im Falle eines plattenförmigen Elements 14, für eine maximale Temperaturdifferenz ΔT von 100°C, ist die Dicke des Elementes 14, um eine adäquate Wärmeabführung zuzusichern, gegeben durch:
Die Bedeutsamkeit verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegt in der Abhängigkeit der Temperatur von dem Quadrat der Abmessung der Festkörperlasermedien, zum Beispiel der Elemente 14. Als ein spezielles Beispiel wird die Verwendung von Nd:YLF als Festkörperlasermaterial betrachtet. Die thermische Leitfähigkeit von Nd:YLF ist k_s = 6,0 W/m°C. Aus den obigen Gleichungen sehen wir, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Zentrum des Elements und seiner Oberfläche, ΔT = T(0) – T_s = q'''L²/8k_s geringer als 20°C für ein ein Millimeter dickes Element 14 ist, gepumpt bei 400 W/cm³ und einem Absorptionskoeffizienten von 9 cm^–1. Es ist zu beachten, dass ein konventioneller Stab mit einem Durchmesser in dem Bereich von 1 cm, gepumpt unter denselben Bedingungen, eine charakteristische thermische Differenz zwischen dem Zentrum und dem Rand von mehreren 1000 Grad zeigen würde, wobei ein katastrophaler Ausfall viel früher auftritt. Außerdem, da die Wärme aus den Elementen heraus vornehmlich entlang der Richtung der Laserachse geleitet wird, ist der Effekt des Temperaturgradienten auf die Wellenfrontqualität des Laserstrahls viel geringer als in konventionellen Stab- oder Plattenbasierten Systemen, in denen die Wärme quer zu der Laserachse geleitet wird.
Als solches ist gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele einen Laservorrichtung vorgesehen, die konfiguriert werden kann, um bei einer hohen durchschnittlichen Leistung zu arbeiten, und die eine maximale Temperatur besitzt, wie viel geringer ist als die von den derzeitigen diodengepumpten Festkörperlasern des Standes der Technik erhältlich ist. Dies ist teilweise zurückzufahren auf die relativen Abmessungen der Festkörperelemente 14, da sie in der Laserkammer 12 verteilt sind und Kühlfluid 16 über die Elemente 14 strömt, so dass die Laseremission durch die Elemente 14 und das Fluid 16 tritt. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Fluid im wesentlichen Index-angepasst an die Elemente 14 bei der relevanten Laseremissionswellenlänge und der relevanten optischen Pumpquellenwellenlänge; daher wird die Mehrheit der Pumpstrahlung durch die Festkörperelemente 14 absorbiert. Da die Laservorrichtung im allgemeinen nicht durch den Temperaturanstieg in dem Festkörpermaterial beschränkt ist, kann die Laservorrichtung in einer gepulsten Weise oder in einer mehr kontinuierlichen Weise betrieben werden. Zum Beispiel kann eine Laservorrichtung in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kontinuierlich für sehr lange Zeitspannen betrieben werden, wie zum Beispiel mehr als 1 Sekunde bis vollständig kontinuierlich. Das heißt, dass die optische Pumpstrahlung von den Halbleiterdiodenarrays kontinuierlich in das Verstärkungsmedium gepumpt wird für eine Dauer von mindestens der Zeit, die für den Laserausgang gewünscht ist. Diese Ausgangszeit ist nur durch das Vermögen beschränkt, Pumpleistung zu dem Verstärkungsmedium zuzuführen und Wärme von dem Fluid in dem Wärmetauscher abzuführen.
Als nächstes bezogen auf 7, ein Beispiel, wie ein Ausführungsbeispiel einer Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung in einem Vierweg-Verstärker verwendet werden kann. Hier tritt der Strahl aus einem Oszillator 102, der einen gepulsten Ausgang erzeugt. Der Strahl tritt durch ein sich aufweitendes Teleskop 104, um die Strahlgröße auf ungefähr die der Apertur des Verstärkungsmediums einzustellen. Der Puls tritt dann durch einen Dünnfilmpolarisationsfilter 106, ausgerichtet um eine P-Polarisation zu passieren. Der Puls tritt dann durch einen Faraday-Rotator 108, der die Polarisation um 45 Grad verdreht. Eine Halbwellenplatte oder 45 Grad Quarzrotator 110 entfernt die Rotation des Faraday-Rotators 108, wobei der Strahl zurück auf P-Polarisation ausgerichtet wird zum Durchtritt durch den zweiten Dünnfilmpolarisationsfilter 112. Der Strahl tritt dann durch eine Viertelwellenplatte 114, die ausgerichtet ist, um eine kreisförmige Polarisation an dem Ausgang bereitzustellen. Der Strahl wird dann ausgerichtet (z.B. über Spiegel 116 und 118) und tritt dann durch die Laserkammer 12 einer Laservorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei er einer Verstärkung unterzogen wird. Nach dem ersten Durchgang der Verstärkung trifft dieser Strahl auf einen Spiegel 120, der ihn zurückrichtet durch das Verstärkungsmedium (z.B. die hierin beschriebenen Festkörperelemente 14) für einen zweiten Durchgang. Der zweite Durchgang durch die Viertelwellenplatte 114 konvertiert den kreisförmig polarisierten Strahl in einen linear polarisierten in der S-Ebene (vertikal). Der nun S-polarisierte Strahl reflektiert weg von dem Dünnfilmpolarisationsfilter 112 in Richtung auf einen weiteren Spiegel 122. Der Strahl trifft den ersten Spiegel 120 ein zweites Mal und tritt ein viertes Mal durch die Verstärker. Der Durchgang durch die Viertelwellenplatte 114 erzeugt dieses Mal einen linear polarisierten Strahl in der P- (horizontalen) Ebene, der durch den Dünnfilmpolarisationsfilter 112 tritt. Der Strahl stößt dann auf die Halbwellenplatte 110, die die Ebene der Polarisation um 45 Grad dreht. Der Durchgang durch den Faraday-Rotator in der rückwärtigen Richtung dreht die Polarisation um weitere 45 Grad in die Richtung, die durch die Wellenplatte 110 erzeugt wird. Die Faraday-Rotator/Wellenplattenkombination dient dazu, die Polarisationsebene um 90 Grad zu drehen, wenn der Strahl sich rückwärts auf den Oszillator zu bewegt. Der nun S-polarisierte Strahl reflektiert dann weg von dem Dünnfilmpolarisationsfilter 106 und wird aus dem Lasersystem herausgerichtet. Dies ist eine der vielen möglichen Verwendungen eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einem Vielwegverstärker. Ähnliche Verwendungen anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung als ein Einwegverstärker innerhalb eines regenerativen Verstärkeraufbaus oder als Verstärkungsmedium in einem Oszillatorhohlraum werden nicht durch dieses Beispiel ausgeschlossen.
Änderungen und Modifikationen in den speziell beschriebenen Ausführungsbeispielen können vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, die nur durch den Umfang der zugehörigen Ansprüche beschränkt ist.
Die hierin beschriebenen Laservorrichtungen ermöglichen die Realisierung der Vorteile eines Festkörperverstärkungsmediums (z.B. Diodenpumpen, hohe Leistungsdichte usw.), ohne dass der durchschnittliche Leistungsausgang durch thermische Belastung beschränkt ist.

Claims

Eine Laservorrichtung, umfassend: eine Laserkammer (12) mit einem darin ausgebildeten Volumen; ein Verstärkungsmedium in dem Volumen und Festkörperelemente (14) umfassend, die ein aktives Laserion enthalten, welches in dem Volumen verteilt ist, wobei eine Dicke L jedes Festkörperelements (14) definiert ist durch:
wobei ΔT eine maximale Temperaturdifferenz zwischen einem Zentrum und einer Oberfläche jedes Festkörperelements, k_s eine Wärmeleitfähigkeit eines Festkörperelements, c eine geometrische Konstante mit einem Wert zwischen 4 und 8, und q''' ist eine pro Volumeneinheit in jedem Festkörperelement erzeugte Wärme resultierend aus dem Diodenpumpen ist; ein Fluid (16), das über die Festkörperelemente strömt; eine Halbleiter-Laserdiode (18), um optische Pumpstrahlung in das Volumen der Laserkammer (12) bereitzustellen; und eine Laseremission aus den Festkörperelementen (14) tritt durch das Verstärkungsmedium und das Fluid (16) hindurch.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach die Festkörperelemente (14) Tafeln umfassen, bei denen c gleich 8 ist.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach eine Ausdehnung jedes Festkörperelements (14) hinreichend dünn ist, so dass im Betrieb bei einer Leistungsstufe von mindestens 100 W eine Temperaturdifferenz zwischen einem Zentrum und einer Oberfläche des Festkörperelements (14) entlang der Ausdehnung maximal 100°C ist.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach eine Ausdehnung jedes Festkörperelements (14) zwischen 10 μm und 2 mm ist.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach das Verstärkungsmedium die Laseremissionen bei einer durchschnittlichen Leistung von mindestens 100 W erzeugt.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach die Laserkammer (12) weiter einen Einlaß und einen Auslaß umfasst, das Fluid strömt durch die Laserkammer vom Einlaß zum Auslaß.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 6, weiter umfassend einen Wärmetauscher, der mit dem Einlaß und dem Auslaß gekoppelt ist, das aus dem Auslaß tretende Fluid tritt durch den Wärmetauscher (44) hindurch und fließt danach gekühlt durch den Einlaß.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach das Fluid (16) durch die Laserkammer (12) hindurch in einer Richtung quer zu der Richtung der Laseremission geströmt wird.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach die Festkörperelemente (14) flache Tafeln umfassen, die im ganzen Volumen verteilt sind, und das Fluid (16) zwischen jede der flachen Tafeln strömt.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 9, wonach jede der flachen Tafeln in einem Winkel bezüglich der Richtung der Laseremission und in einem Winkel bezüglich der optischen Pumpstrahlung ausgerichtet ist.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 10, wonach ein Abstand zwischen jeder der flachen Tafeln derart ist, dass jede der flachen Tafeln im Wesentlichen die gleiche Menge an optischer Pumpstrahlung der Halbleiter-Laserdiode erhält.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 10, wonach ein Abstand zwischen jeder der flachen Tafeln derart ist, dass relativ zu der Richtung der optischen Pumpstrahlung ein Abschnitt jeder flachen Tafel einen Abschnitt einer angrenzenden flachen Tafel überlappt.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 10, wonach ein Abstand zwischen jeder der flachen Tafeln derart ist, dass sich angrenzende flache Tafeln relativ zu der Richtung der optischen Pumpstrahlung nicht überlappen.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach ein Brechungsindex des Fluids (16) bei einer Wellenlänge der Laseremission im Wesentlichen mit dem Brechungsindex der Festkörperelemente übereinstimmt.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach das Fluid (16) ein auf Kohlenstoff basierendes Material umfasst.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach das Fluid (16) zwischen den Festkörperelementen einströmt.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach die Halbleiter-Laserdiode (18) kontinuierliche optische Pumpstrahlung zur Verfügung stellt, um eine kontinuierliche Laseremission für mehr als 1 Sekunde bereitzustellen.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach die Halbleiter-Laserdiode (18) gepulste optische Pumpstrahlung zur Verfügung stellt, um gepulste Laseremission bereitzustellen.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1, wonach Einzelne der Festkörperelemente (14) an dem oder nahe dem Brewster-Winkel bezüglich des Verlaufs der Laseremission ausgerichtet sind.
Die Laservorrichtung nach Anspruch 1 weiter umfassend einen mit einem Einlaß der Laserkammer (12) gekoppelten Verteiler, der eine im Wesentlichen gleichmäßige Strömung des Fluids über die Festkörperelemente (14) bereit stellt.
Ein Verfahren zum Aussenden von Laserstrahlen, umfassend: Bereitstellen einer Laserkammer (12) mit einem darin ausgebildeten Volumen und ein Verstärkungsmedium enthaltend, das Verstärkungsmedium umfasst Festkörperelemente (14), die ein aktives Laserion enthalten, welches in dem Volumen verteilt ist, wobei eine Dicke L jedes Festkörperelements definiert ist durch
wobei ΔT eine maximale Temperaturdifferenz zwischen einem Zentrum und einer Oberfläche jedes Festkörperelements, k_s eine Wärmeleitfähigkeit eines Festkörperelements, c eine geometrische Konstante mit einem Wert zwischen 4 und 8, und q''' ist eine pro Volumeneinheit in jedem Festkörperelement erzeugte Wärme ist; Strömen eines Kühlfluids (16) durch das Volumen und über die Festkörperelemente (14); Richten der durch die Halbleiter-Laserdioden (18) erzeugten optischen Pumpstrahlung durch die Kammer (12) in das Volumen; und Richten der durch die Festkörperelemente (14) erzeugten Laseremission derart durch die Kammer (12), dass die Laseremission durch die Festkörperelemente (14) und das Fluid (16) hindurch tritt.
Das Verfahren nach Anspruch 21 weiter umfassend: Kühlen eines Anteils des aus der Kammer (12) strömenden Kühlfluids (16), und Rückströmen des Anteils in die Laserkammer.
Das Verfahren nach Anspruch 21 weiter umfassend: Bereitstellen der optischen Pumpstrahlung, die genügt, um die Laservorrichtung bei einer Leistungsstufe von mindestens 100 W zu betreiben, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen einem Zentrum und einer Oberfläche der Festkörperelemente entlang einer Ausdehnung der Festkörperelemente (14) maximal 100°C ist.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wonach der Richtschritt umfasst: Richten der durch die Halbleiter-Laserdioden (18) erzeugten gepulsten optischen Strahlung durch die Kammer (12) in das Volumen.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wonach der Richtschritt umfasst: Richten der durch die Halbleiter-Laserdioden (18) erzeugten kontinuierlichen optischen Strahlung durch die Kammer (12) in das Volumen.