DE69301112T2

DE69301112T2 - Unbeschichtetes Diamant-Laserfenster

Info

Publication number: DE69301112T2
Application number: DE69301112T
Authority: DE
Inventors: Daniel Guerin; Christian Larquet; Bruno Marie
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1992-03-02
Filing date: 1993-01-22
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2013-01-23
Also published as: FR2688098B1; DE69301112D1; CN1101175A; CA2090656A1; CN1033545C; IL104729A; US5335245A; EP0559501A1; ES2081690T3; JPH065951A; FR2688098A1; EP0559501B1

Description

Die Erfindung betrifft Leistungslaser mit einem optischen, an seinen gegenüberliegenden Seiten durch ein erstes, teildurchlässiges Fenster und durch ein zweites, reflektierendes Fenster begrenzten Resonator.
Die (auch als Spiegel bezeichneten) Fenster bilden eine der Schwachstellen der Leistungslaser. Denn sobald sich ein Teilchen auf ihnen ablagert, absorbiert dieses die Strahlung und überträgt diese durch Leitung auf das Fenster. Die daraus resultierende örtliche Erwärmung führt im allgemeinen zur Zerstörung des Fensters. Infolgedessen werden, unter besonders sorgfältigen Reinheitsbedingungen, 20 bis 30 kW/cm² als Grenzwert für die zulässige auf diese Fenster einfallende Strahlung erachtet. Bei CO&sub2;-Lasern, bei denen der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Fensters vorwiegend zwischen 50 und 90% liegt, bestehen die durchlässigen Fenster aus einem üblicherweise aus ZnSe, eventuell auch aus AsGa bestehenden Substrat, und besitzen einen guten Übertragungskoeffizienten gewährleistende Mehrlagen- Beschichtungen, während die reflektierenden Fenster vorwiegend aus einem behandelten Germanium-Substrat oder schutzbehandelten Metallspiegeln, vor allem aus Kupfer, bestehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fensteranordnung für Leistungslaser, insbesondere für CO&sub2;-Leistungslaser, einfachen und robusten Aufbaus zu schaffen, die eine beträchtlich erhöhte Lebensdauer bietet sowie eine große Flexibilität bei der Bestimmung der Reflexions- und/oder Übertragungskoeffizienten erlaubt, und die dabei insbesondere für die leistungsstarken, für die Optiken beträchtliche Leistungsdichten darstellenden Laserstrahlen sehr kleiner Größenordnungen, wie beispielsweise die der Wellenleiterlaser und insbesondere die der gasdynamischen Laser (lasers galeries chuchotantes), geeignet ist.
Erfindungsgemäß besteht hierzu das erste Fenster aus zumindest einer planparallelen, unbeschichteten Diamantplatte, deren gemessene Dicke mehr als 150 um und weniger als 1 mm beträgt und deren Maßabweichung 0,2 um nicht übersteigt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Diamantplatte in einem ringförmigen, aus gut Wärmeleitendem Material bestehenden und vorteilhafterweise gekühlten Träger angeordnet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt das Fenster zwei parallele, durch einen festgelegten Abstand getrennte Diamantplatten, der typisch ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4n ist, wobei λ die Wellenlänge des Lasers und n die Kennzahl eines zwischen den Platten eingefügten Mediums ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen CO&sub2;-Leistungslaser; und
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, teildurchlässigen Fensters.
In der nachfolgenden Beschreibung wie auch in den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit denselben, gegebenenfalls indizierten Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 1 ist ein CO&sub2;-Leistungslaser 1 dargestellt, der einen an seinen gegenüberliegenden Seiten durch ein erstes, teildurchlässiges Fenster 3 sowie durch ein zweites, reflektierendes Fenster 4 begrenzten optischen Resonator 2 umfaßt. Das erste Fenster 3 und das zweite Fenster 4 besteht jeweils aus einer planparallelen C-II-A-Diamantplatte 5 bzw. 6, deren Absorption bei 10,6 um (der Wellenlänge des CO&sub2;-Lasers) sehr gering (etwa 0,03 cm&supmin;¹) und deren thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu der von Kupfer (380 W/m/K) und der von ZnSe (18 W/m/K) beträchtlich (2000 W/m/K) ist. Ein solcher Träger kann bei Vorhandensein eines staubförmigen Niederschlags eine örtliche Erwärmung verhindern: ein 10 um großes Teilchen führt bei einer Strahlung von 200 KW/cm² an der wärmsten Stelle zu einer Temperaturerhöhung von lediglich 5ºC. Die Dicke der Platten 5, 6 ist größer als 150 um und kleiner als 1 mm.
Um keine Mehrlagenschichten aufbringen zu müssen, weist die Platte 5 des ersten Fensters 3 eine genau überwachte Dicke auf, wobei Abweichungen der Dicke 0,2 um nicht überschreiten, um vom Interferenzeffekt nach dem Prinzip des Fabry- Pérot-Interferometers zu profitieren. Für 10,6 um beträgt infolgedessen die Reflexion auf einer Oberfläche etwa 17%, während Reflexion auf beiden Oberflächen etwa 34% beträgt. Wenn die beiden Oberflächen exakt planparallel sind (d.h., wenn Änderungen der Dicke weniger als 0,1 um betragen), so schwankt der effektive Übertragungskoeffizient der Platte zwischen 100%, falls deren Dicke ein Vielfaches von λ/2n&sub1; ist, und 48,8%, falls die Dicke ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4n&sub1; ist, wobei X die Laserwellenlänge ist und n&sub1; die Kennzahl des Diamanten der Platte, im vorliegenden Fall 2,37, angibt.
Die Erfahrung zeigt, daß große Reflexionskoeffizienten hinsichtlich der Plattendicke hinreichend unempfindlich sind: bei einem maximalen Reflexionskoeffizienten von 48,8% führt eine Erhöhung der Plattendicke um 0,1 um zu einer Abnahme des Koeffizienten auf 48,4%, während eine Änderung der Plattendicke um 0,2 um zu einer Abnahme des Koeffizienten auf 47% führt.
Für eine 250 um dicke Platte zeigt die Erfahrung außerdem, daß eine Erhöhung der Temperatur um 100 ºC erforderlich wäre, um eine Änderung des Reflexionskoeffizienten um 1% (relativ) herbeizuführen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der Dilatationskoeffizient von Diamant allein zu klein, um irgendwelchen Einfluß zu haben.
Die Platte 6 des zweiten Fensters 4 umfaßt eine dünne Goldbeschichtung 60.
Um die außergewöhnliche thermische Leitfähigkeit von Diamant zu nutzen, sind die Platten 5 und 6 jeweils, beispielsweise durch einen axial aufgeschrumpften Verstärkungsring 7, 8 oder durch Löten nach vorangehendem Aufbringen einer Metallschicht auf den Rand der Platte, in einem ringförmigen Träger 9 bzw. 10 angeordnet, der aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Kupfer, besteht und der jeweils ein Kühlmittel enthält, beispielsweise einen Wasser- oder Gaskreislauf 11 bzw. 12. Für die betrachteten Anwendungen beträgt der Durchmesser der Platten 5, 6 weniger als 7 mm. Die große Abriebfestigkeit von Diamant erlaubt den Einbau einer Vorrichtung 13, die in dem Resonator 2 zumindest eines der Fenster mittels einer Gasströmung, die die Ablagerung von Teilchen auf dem Fenster verhindert, spült, ohne daß größere Gefahr besteht, daß dieses Fenster durch die eventuell in Suspension in dem Spülgas befindlichen Teilchen zerkratzt wird. Dieser Vorteil kann insbesondere bei Lasern mit schneller Strömung verwertet werden, bei denen man dann die laseraktive Gasströmung nutzen kann.
Bei der Ausführungform gemäß Fig. 1 verhindert die Verwendung einer einzigen Platte 5 in dem ersten Fenster 3 das Überschreiten einer Reflexion von mehr als 49%. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 umfaßt das Fenster 3 zwei auf genaues Maß gebrachte Diamantplatten 5A, 5B mit jeweils einem Reflexionskoeffizienten von etwa 48%, die beispielsweise durch einen auf genaues Maß gebrachten Verstärkungsring 14 aus Metall oder durch eine ringförmige, metallische Ablagerung genau abgemessener Dicke voneinander getrennt sind und dabei zwischen den Platten eine beispielsweise aus Luft oder einem Gas bestehende Zwischenschicht 15 mit einer ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/n&sub1; betragenden Dicke einschließen, wobei n&sub1; die Kennzahl der Zwischenschicht 15 ist. Durch Variation der Reflexionskoeffizienten beider Platten 5A, 5B und/oder der Dicke der Zwischenschicht 15 erhält man eine Anordnung mit einem Reflexionskoeffizienten, der zwischen 0 und 88% liegen kann. Beispielsweise erhält man mit einer 251 um dicken Platte 5A und einer 240 um dicken Platte 5B, die durch einen 602 um breiten Zwischenraum 15 getrennt sind, einen Reflexionskoeffizienten von 80%.
Eine interessante Eigenschaft der erfindungsgemäßen Fenster ist, daß diese auch die Funktion eines Wellenlängenfilters haben können. Denn CO&sub2;-Laser können bei zahlreichen Wellenlängen emittieren. Bestimmte Anwendungen, vor allem Verschmutzungsmessungen in der Atmosphäre, können den Lasereffekt auf einer einzigen Spektrallinie erforderlich machen, insbesondere auf einer anderen als der Spektrallinie P(20). Nach dem Stand der Technik werden bestimmte Spektrallinien durch Verwendung eines Gitters und eines teildurchlässigen Spiegels anstelle des reflektierenden Fensters 6 ausgewählt. Durch richtige Wahl der Dicke der durchlässigen Platte 5 kann man bestimmte Spektrallininen zugunsten anderer dämpfen. Indem beispielsweise die Dicke der durchlässigen Platte 5 so gewählt wird, daß diese ein ungeradzahliges Vielfaches von λ&sub1;/4n und ein geradzahliges Vielfaches von λ&sub2;/4n wird, kann man die Spektrallinie λ&sub2; zugunsten der Spektrallinie λ&sub1; eliminieren. Demzufolge kann man, wenn man die Spektrallinie P(18) mit der Wellenlänge 10,5716 um gegenüber der Spektrallinie P(20) mit der Wellenlänge 10,5915 um bevorzugen möchte, eine 595,5 um dicke Platte verwenden, deren Reflexionskoeffizient 48,6% für die Spektrallinie P(18) und 0,02% für die Spektrallinie P(20) beträgt.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, wird sie hierdurch in keiner Weise beschränkt, sondern ist im Gegenteil geeignet für sich dem Fachmann auf zeigende Änderungen und Abwandlungen.

Claims

1. Leistungs-Gaslaser mit einem optischen, an seinen gegenüberliegenden Seiten durch ein erstes, teildurchlässiges Fenster (3) und durch ein zweites, reflektierendes Fenster (4) begrenzten Resonator (2), dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fenster (3) aus zumindest einer planparallelen, unbeschichteten Diamantplatte (5) besteht, deren gemessene Dicke mehr als 150 um und weniger als 1 mm beträgt, und deren Maßabweichung 0,2 um nicht übersteigt.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantplatte (5, 6) in einem ringförmigen, aus gut wärmeleitendem Material bestehenden und mit einem Kühlmittel (11, 12) verbundenen Träger angeordnet ist.

3. Laser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (3) zwei parallele, durch einen festgelegten Abstand (14) getrennte Diamantplatten (5A, 5B) umfaßt.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der festgelegte Abstand (14) ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4n ist, wobei λ die Wellenlänge des Lasers und n die Kennzahl eines zwischen den Platten eingefügten Mediums ist.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fenster (4) aus einer Diamantplatte (6) mit einer reflektierenden Metallbeschichtung besteht.

6. Gaslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in dem Resonator (2) angeordnete Mittel (13) zur Umwälzung eines Spülgases auf der Innenseite zumindest eines der Fenster.

7. CO&sub2;-Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant auf den Platten (5, 6) aus C-II-A besteht.

8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platten (5, 6) 0,5 mm nicht überschreitet.