DE69022301T2

DE69022301T2 - Beleuchtungsstruktur eines Laserstabes mit delokalisierten optischen Quellen.

Info

Publication number: DE69022301T2
Application number: DE69022301T
Authority: DE
Inventors: Michel Papuchon; Jean-Paul Pocholle; Claude Puech
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: US5086433A; FR2648962A1; FR2648962B1; EP0404635B1; DE69022301D1; EP0404635A1

Description

Das Gebiet dieser Erfindung sind Hochleistungslaser, die von kohärenten Lichtquellen, wie beispielsweise Laserdioden, gepumpt werden.
In dem von der Erfindung betroffenen Anordnungstyp verwendet man eine Form des transversalen Pumpens von festen Kristallen, in denen sich eingefügte Ionen seltener Erden befinden, wobei diese Ionen der Sitz des Lasereffekts sind.
Die Verwendung des ausgehend von Laserdioden verwirklichten resonanten Pumpens bietet mehrere Vorteile, darunter die Erreichung eines besseren Wirkungsgrades bei der Umwandlung der elektrischen Energie in Lichtenergie und die Minimierung der thermischen Effekte im Bereich des Stabes. Jedoch weisen die verwendeten Laserdioden typischerweise Wirkungsgrade der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie auf, die in der Praxis 50 % nicht überschreiten. Hieraus ergibt sich, daß es beim Pumpen von Laserstäben erforderlich ist, die nicht umgewandelte elektrische Energie abzuführen, die sich im Bereich des Übergangs der Laserdioden teilweise in Wärme umwandelt.
Eine Ausführung, die die Abführung der Wärmeeinheiten erlaubt, beruht auf der Verwendung von Kühlkörpern, die die Befestigungsfläche der emittierenden Stege bilden. Die Energiemenge, die evakuiert werden soll, ist beträchtlich, wenn man Hochleistungslaser herstellen möchte, die von Laserdioden gepumpt werden. Dies erfordert demnach die Verwendung von sperrigen Kühlkörpern, die dem Entwickler des Laserkopfes Schwierigkeiten bereiten, insbesondere wenn man versucht, ein gleichmäßiges Pumpen des gesamten Stabes durch um ihn herum verteilte Stege zu verwirklichen.
Es ist eine Lösung dieses Problems bekannt, die darin besteht, die Pumpquelle (beispielsweise bestehend aus Laserdioden) abgesetzt anzuordnen und eine Multimode-Lichtleitfaser zu verwenden, die das Pumplicht zum aktiven Medium befördert.
Diese Lösung garantiert jedoch nicht die beste Homogenität in der Ausleuchtung des Laserstabes und erfordert im übrigen die Verwendung getrennter, kostspieliger und die Montage komplizierender optischer Bauteile. Eine solche Lösung ist in der Patentschrift US-A-4 713 822 beschrieben. Ein anderes Verfahren zur Beleuchtung eines Laserstabes mit einer nicht kohärenten Lichtquelle ist im Dokument DE-A-2 844 129 beschrieben. Ein ähnliches Verfahren des Pumpens eines Lichtleitfaserverstärkers ist im Dokument EP-A-0 138 411 beschrieben.
Die Erfindung hat das Ziel, eine neuartige Anordnung unter Verwendung von abgesetzten Pumplichtquellen zu schaffen, die diese Nachteile mildert.
Genauer gesagt ist es ein erstes Ziel der Erfindung, eine Anordnung zur Beleuchtung eines Laserstabes zu schaffen, die gleichermaßen eine gute Abführung der von den kohärenten Pumplichtguellen freigesetzten Wärmeeinheiten und eine gute Homogenität des Pumpens des Stabes erlaubt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Beleuchtungsanordnung zu schaffen, die ein bequemes Koppeln eines Oszillatorbauteils und eines Verstärkerbauteils innerhalb einer gleichen Baugruppe ermöglicht.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die dazu geeignet ist, eine starre, insbesondere innerhalb des Pumphohlraumes und/oder in bezug auf eine Verstärkungsachse leicht positionierbare und verstellbare Baugruppe zu bilden, wenn die Anordnung und der Stab in Verstärkern verwendet werden. Dieses Ziel erlaubt es, den Laserstrahler leicht in besondere Betriebs- oder Abstrahlungskonfigurationen einzusetzen und bietet neue Funktionalitäten der Homogenisierung der Beleuchtung des Stabes, der Optimierung des Stabes bei mehrfachen Durchgängen, oder darüber hinaus beispielsweise des Kühlens des Stabes durch die Erzeugung einer hydrodynamischen Strömung.
Diese Ziele, ebenso wie weitere, die im folgenden erscheinen werden, werden mit Hilfe einer Anordnung zur Beleuchtung eines Laserstabes, insbesondere zum Pumpen des Stabes durch wenigstens einen Satz kohärenter Lichtquellen erreicht, wobei die Lichtquellen wenigstens eines Lichtquellensatzes auf einem gleichen abgesetzten Träger angeordnet sind und die Anordnung reflektierende Mittel zur Umlenkung des Beleuchtungsbündels des Satzes abgesetzter Lichtquellen in Richtung des Stabes enthält.
Die Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung ist im Anspruch 1 beschrieben. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Anders ausgedrückt, besteht die Optik zum Übertragen der Abstrahlung der Lichtquellen auf den Stab aus reflektierenden Mitteln in der Form eines Glas- oder Siliciumdioxid- Blocks in Prismenform.
Im Falle eines Stabes vom Prismentyp kann man vorsehen, daß die Anordnung einerseits mit einem Paar von Reflektoren zusammenwirkt, die einen Pumphohlraum bilden, und andererseits mit Mitteln, die das aus dem Hohlraum austretende Bündel für wenigstens einen zweiten Durchgang in den Stab zurückschicken. Es kann auch vorgesehen werden, daß die Anordnung Mittel zur translatorischen Verstellung der starren Baugruppe in bezug auf den Pumphohlraum im wesentlichen in der Ebene des Stabes aufweist.
In diesem Fall ist der Stab vorzugsweise fest mit dem beweglichen Block verbunden. Weiterhin kann man dann vorsehen, daß der bewegliche Block Mittel zur Erzeugung einer hydrodynamischen Kühlströmung im Bereich des Stabes enthält.
In jedem Fall ist es vorteilhaft, daß der mit den Lichtquellen versehene Träger, die Umlenkmittel für das Beleuchtungsbündel und der Stab eine starre Baugruppe bilden, wobei die Baugruppe mit einem Paar von Reflektoren zusammenwirkt, die einen Laserhohlraum bilden.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist der Stab unter dem Brewster-Winkel geschnitten, wobei die Baugruppe in bezug auf die Achsen der Reflektoren des Pumphohlraumes geneigt ist.
In einer anderen speziellen Ausführungsform wirkt die Anordnung mit einer Steuerquelle und/oder einer Laserdiode für longitudinales Pumpen zusammen.
Es ist auch möglich, eine Anordnung zu verwirklichen, die aus zwei entgegengesetzt montierten Baugruppen gebildet ist, wobei jede Baugruppe aus dem mit den Lichtquellen ausgestatteten Träger, den reflektierenden Mitteln zur Umlenkung des Lichtbündels und dem Stab gebildet ist, wobei die erste Baugruppe einen Oszillator und die zweite Baugruppe einen Verstärker bildet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erscheinen in der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform, die der Verdeutlichung dient und nicht einschränkend ist, sowie den beigefügten Zeichnungen, in denen
- Figur 1 schematisch einen Schnitt einer kegelstumpfförmigen Beleuchtungsanordnung zeigt;
- Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Oszillators ist, der die in einem Pumphohlraum angebrachte Beleuchtungsanordnung nach Figur 1 enthält;
- Figur 3 die Verwendung einer "Brewster-Anordnung" veranschaulicht;
- Figur 4 eine Schnittansicht ist, die die Verwendung einer Laserdiode zum longitudinalen Pumpen in Verbindung mit einer kegelstumpfförmigen Beleuchtungsanordnung veranschaulicht;
- Figur 5 die Kombination zweier Beleuchtungsanordnungen zur Bildung eines Oszillators und eines Verstärkers veranschaulicht;
- Figur 6 eine Oszillatoranordnung unter Verwendung symmetrischen Pumpens mittels zweier Beleuchtungsanordnungen darstellt;
- Figur 7 eine Ausführungsform einer prismenförmigen Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung mit translatorischer Verstellung in bezug auf den Pumphohlraum darstellt;
- Figur 8 eine Ausführungsform einer prismenförmigen Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung veranschaulicht, wobei der Oszillator und der Verstärker auf derselben Platte vereinigt sind.
Die Figuren zeigen mehrere Ausführungsformen laserdiodengepumpter Festkörperlaser, die eine Optik zum Übertragen des Pumplichtes auf das Lasermedium, basierend auf einer gleichen reflektierenden Oberfläche, enthalten.
Diese Anordnung hat den Vorzug, daß die pumpenden Laserdioden auf derselben Platte zusammengefaßt und vom zu pumpenden Medium entfernt sind. Dies hat den Vorteil, daß die Wärmeprobleme der Pumplichtquelle in kollektiver Weise behandelt werden können. Der monolithische Gesichtspunkt des optischen Paares Kopplungseinheit-Stab erlaubt es weiterhin, einige im folgenden aufgeführte Varianten ins Auge zu fassen.
In der nicht beanspruchten, in Figur 1 dargestellten Ausführungsform beruht die Verwirklichung der Erfindung auf der Verwendung der in ihrer Mitte 11 durchbohrten kegelförmigen optischen Teile 10. Jedes der optischen Teile 10 ist vorteilhafterweise aus einem Glas- oder Siliciumdioxidmaterial hergestellt, das für die Wellenlänge der von den die Pumpquelle bildenden Laserdioden 12 emittierten Pumpwelle transparent ist. Die zentrale Öffnung 11 erlaubt die Einführung eines Laserstabes 17, und der Zwischenraum 13, der zwischen dem Stab 17 und dem Durchmesser des Loches 11 besteht, kann so abgestimmt werden, daß er das Fließen einer Kühlflüssigkeit erlaubt, deren hydrodynamischer Zustand kontrolliert werden kann. Eine dielektrische, multidielektrische oder metallische Beschichtung auf dem kegelförmigen Teil 10 erlaubt es, die Spiegelwirkung zu erreichen. Das Pumplicht ist in diesem Fall über eine Platte 14 verteilt, die in der Nähe des die größte Fläche aufweisenden Querschnitts 15 liegt, den das die Übertragung der Pumplichtbündel 16 auf den Laserstab bewirkende kegelförmige optische Teil 10 aufweist. Diese auf einer gleichen Fläche 14 angeordneten Laserdioden 12 ermöglichen eine spezielle Behandlung der Abführung der Wärmeeinheiten, indem das Konzept einer Kühlplatte angewendet wird, und die Anordnung der Laserdioden 12 ist so ausgeführt, daß das Pumpen des Stabs 17 die beste Homogenität aufweist.
Wie in Figur 2 dargestellt, ist die Trägerplatte 14 der Pumplaserdioden 12 mit einem Kühlkörper 21 ausgestattet, und zwei Spiegel 22 und 23 bilden den Pumphohlraum. Der Pumphohlraum ist unabhängig von der Baugruppe, die von dem mit den Lichtquellen 12 versehenen Träger 14, dem Reflektor 10 und dem Stab 17 gebildet wird. Der kegelstumpfförmige Reflektor 10 bildet die gemeinsame Koppeloptik für die Pumpbaugruppe und ist zwischen der emittierenden Platte, die aus der Baugruppe der Laserdioden 12 besteht, und dem optischen Übertragungsteil 10 eingefügt.
Figur 3 zeigt eine Anordnung, die an die Verwendung eines unter dem Brewster-Winkel geschnittenen Laserstabes 30 angepaßt ist, mit dem Ziel, die Reflexionsverluste an jeder Grenzfläche zu minimieren und den Polarisationszustand der in dem Stab 30 erzeugten Lichtwelle zu kontrollieren. In diesem Fall ist die aus den Teilen 12, 30, 14 und 10 bestehende starre Baugruppe um einen Winkel A zwischen den Spiegeln 31 und 32 des Laserhohlraumes gekippt. Die Form der Kopplungsoptik weist die spezielle Gestalt auf, die für die Brewster-Konfiguration geeignet ist.
Die Konfiguration der Beleuchtungsanordnung kann bei Verwendung einer gemischten Form des Pumpens eingesetzt werden. In diesem Fall ist, wie in Figur 4 dargestellt, eine Hochleistungslaserdiode 41 mit einem Ende des Stabes gekoppelt. Diese Diode bewirkt das longitudinale Pumpen und weist eine Charakteristik des Strahlbündels auf, die an jene der Mode des Hohlraumes in dem Teil des Stabes angepaßt ist, der ihr am nächsten liegt. Dieses longitudinale Pumpen kann verwendet werden, um die Besetzungsinversion einzuleiten oder um die Stabilität des Strahles zu erhöhen, indem in einem Teil des Laserstabes ein Verstärkungsprofil eingeprägt wird, das sich an das der Mode des Hohlraumes anpaßt. Gegebenenfalls kann die Laserdiode 41 durch einen angegliederten Laser kleiner Leistung aber hoher Frequenzstabilität (Seeder) zur Eingabe eines Steuersignals ersetzt werden.
Die Verbindung zweier Beleuchtungsstrukturen erlaubt die Verwirklichung einer Baugruppe, die aus einem Oszillator 53 und einem Verstärker 54 (Fig. 5) oder aus einem einzelnen Oszillator mit symmetrischem Pumpen (Fig. 6) besteht.
Die Beleuchtungsanordnungen 55, 56 bzw. 65, 66 sind derart entgegengesetzt montiert, daß die Trägerplatten 57, 58 bzw. 67, 68 der Lichtquellen an den Enden der Baugruppe angeordnet sind.
Im Falle der Baugruppe aus dem Oszillator 53 und dem Verstärker 54 (Fig. 5) ist jede der Komponenten 53, 54 mit einem eigenen Laserstab 51, 52 versehen. Der Laserstab 51 des Oszillators ist an ein Paar von Reflektoren 50, 59, die den Laserhohlraum bilden, angegliedert. Die Oberflächen des Stabes 52 sind entspiegelt.
In der Ausführungsform der Figur 6 sind die Reflektoren 62, 63 des Pumphohlraumes auf beiden Seiten des Laserstabes 61 angeordnet. In diesem Fall kann der Quellenbaugruppe, die den Charakter eines "Einblocks" hat (Laserstab 61 + Koppeloptik 65, 66 der Pumpquelle) eine Drehbewegung 64 erteilt werden. Dieses Drehen des Laserstabes erlaubt eine Homogenisierung des Pumpens und kann den Wärmeaustausch und die Kühlung des Stabes erleichtern.
Die Drehbewegung wird durch Montage der starre Baugruppe auf den beiden festen Stützplatten 67, 68 über dazwischen angebrachte Kugellager 69 ermöglicht. Die Kühlung wird durch eine Strömung bewirkt, die die inneren Hohlräume 60 durchfließt, beispielsweise über Injektions- oder Evakuierungsdüsen 70, die in den Verbindungsanordnungen 71 der Koppeloptiken 65, 66 angebracht sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 7 dargestellt. Die Drehbewegung ist in diesem Fall durch eine Translation 72 der Laserplatte 73 gegenüber der Optik 74 zum Übertragen des Pumplichtes und gegenüber dem zwischen den beiden Reflektoren 75, 76 festgelegten Hohlraum ersetzt, was die Minimierung von restlichen thermischen Effekten ermöglicht. Die Verwendung einer solchen Verstellung ist einer einzigen Bedingung unterworfen: es ist notwendig, daß das Lasermedium homogen ist und einen Querschnitt mit einer größeren Ausdehnung als die der Mode des Hohlraums aufweist.
Schließlich kann, wie in Figur 8 dargestellt ist, das Konzept des auf einer gleichen Platte 80 vereinigten Oszillators und Verstärkers mit einem räumlich verteilten Pumpen verwirklicht werden, wobei das Pumplicht von mehreren, auf der Pumpquellenplatte 81 angeordneten linearen Gruppierungen von Lasern 83 über ein optisches Prisma 82 auf das Lasermedium 80 übertragen wird.
So entspricht ein erster Durchtrittsweg 84 durch die Platte 80 dem Anschwingen des Oszillators zwischen den beiden Reflektoren 87, 88, und ein zweiter Durchtrittsweg 85 nach dem Umlenken mit einem reflektierenden Prisma 86 entspricht einer Verstärkungsstufe.
Die Wahl der Neigung, die die Schräge der Grenzfläche und damit das Reflexionsgesetz und die Ausbreitung des Pumplichtbündels kennzeichnet, sowie das durch seinen Brechungsindex gekennzeichnete optische Übertragungsmedium erlauben es, eine räumlich verteilte Form des Pumpens zu verwirklichen, die räumlich selektiv sein kann.

Claims

1. Anordnung zur Beleuchtung einer Laserplatte, insbesondere für das transversale Pumpen der Platte ausgehend von wenigstens einem Satz von kohärenten Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (12) wenigstens eines Lichtquellensatzes auf einem gleichen abgesetzten Träger (81) angeordnet sind, der eine zu der Platte (80) senkrechte Ebene ist, und daß die Anordnung reflektierende Mittel (74; 82) zur Umlenkung des Beleuchtungsbündels des Satzes von abgesetzten Lichtquellen zu der Platte (73; 80) enthält, wobei die Mittel zur Umlenkung des Beleuchtungsbündels durch wenigstens eine geneigte reflektierende ebene Fläche (82) gebildet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesetzte Träger ein die Wärme ab führender Kühlkörper (21) ist, der den Quellen des Lichtquellensatzes gemeinsam ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Lichtquellen (12) versehene Träger (81), die Umlenkmittel (82) für das Beleuchtungsbündel und die Platte (73, 80) eine starre Baugruppe bilden, wobei die Baugruppe mit einem Paar von Reflektoren (87, 88) zusammenwirkt, die einen Laserhohlraum bilden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Steuerquelle und/oder einer Laserdiode (41) für longitudinales Pumpen zusammenwirkt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits mit einem Paar von Reflektoren (87, 88) zusammenwirkt, die einen Pumphohlraum bilden, und andererseits mit Mitteln (86), die das aus dem Hohlraum austretende Bündel (84) für wenigstens einen zweiten Durchgang (85) in die Platte zurückschicken.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei nebeneinander montierten Baugruppen gebildet ist, wobei jede Baugruppe aus dem mit den Lichtquellen (12) ausgestatteten Träger (81), den reflektierenden Mitteln (82) zur Umlenkung des Lichtbündels und der Platte (80) gebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Baugruppe einen Oszillator und die zweite Baugruppe einen Verstärker bildet.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Baugruppen mit derselben Platte (80) derart zusammenwirken, daß ein Oszillator mit symmmetrischem Pumpen gebildet wird.

9. Anordnung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (72) zur translatorischen Verstellung der starren Baugruppe in bezug auf den Pumphohlraum (75, 76) im wesentlichen in der Ebene der Platte (73, 80) aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Block Mittel zur Erzeugung einer hydrodynamischen Kühlströmung am Ort der Platte (73, 80) enthält.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte mit dem beweglichen Block fest verbunden ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärenten Lichtquellen (12) durch Laserdioden gebildet sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Umlenkmittel, die das Beleuchtungsbündel des Satzes von abgesetzten Lichtquellen zu der Platte hin umlenken, durch einen Spiegel mit dielektrischer und/oder metallischer Beschichtung gebildet sind.