DE69804202T2

DE69804202T2 - Laservorrichtung mit integralem Pumplicht-Konzentrator

Info

Publication number: DE69804202T2
Application number: DE69804202T
Authority: DE
Inventors: W. Bruesselbach; W. Byren; S. Sumida
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: WO1999033151A1; US5974061A; IL130742A0; EP0962036B1; EP0962036A1; IL130742A; DE69804202D1; AU714504B2; AU1808199A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Lasertechnik und, genauer gesagt, eine Laser-Pumpraumvorrichtung mit integralem Pumplichtkonzentrator.

HINTERGRUND

Bei integrierten Laser-Pumpräumen wird das Pumplicht mehr als einmal reflektiert. Somit überlagert sich die Pumpabsorbtion während verschiedenen Durchgängen durch die Laserplatte. In integrierenden Laser-Pumpraumvorrichtungen mit integriertem Konzentrator sind typischerweise der dotierte Laserkristall und der Konzentrator aus derselben Kristallart gefertigt. Der dotierte Laserkristall und der undotierte Konzentrator werden im allgemeinen unter Einsatz einer Diffusionsverbindungstechnik hergestellt, die in der Industrie allgemein bekannt ist. Die Diffusionsverbindungstechnik erzeugt eine Verbindung, die so fest ist wie der Hauptkristall, und führt zu einer guten optischen, mechanischen und thermischen Übergangsfläche. Herkömmliche Diffusionsverbindungen werden an Kristallen gleicher Art durchgeführt. Eine Diffusionsverbindung unterschiedlicher Kristallarten wurde in jüngerer Zeit durch Firma Onyx Optics unter einem mittelständischem innovativem Forschungsauftrag Phase I, gefördert von der US- Regierung (Phase I Small Business Innovative Research (SBIR) Grant) entwickelt. Im einzelnen wurde eine 4 mm · 4 mm-Übergangsfläche zwischen Yttrium-Aluminium- Granat (YAG) und Saphir (Al&sub2;O&sub3;) duich einen Diffusionsverbindungsvorgang der Onyx Optics gebildet, wobei diese Trennfläche niedrige Beanspruchungs-Doppelbrechung (< 10 nm/um Wellenfrontverzögerung) ohne Feinvergütung, hohe Verbindungsstärke (600 Mpa entsprechend dem YAG-Material), und hohe thermische Schockfestigkeit zeigte. Die bis heute vorgeschlagenen Verwendungsmöglichkeiten umfassen nicht Hochleistungs-Festkörper-Laserpumpräume mit integrierten Konzentratoren.

ZUSAMMENFASSUNG

Der Pumpraum nach der vorliegenden Erfindung ist eine Form eines integrierenden Pumpraumes, der aus einem Plattenkörper hohen Querschnittsseitenverhältnisses aus Feststoff-Lasermaterial hergestellt ist, der gleichförmig ist und effizient mit Laserdiodenanordnungen in Richtungen quer zur Laserstrahlachse gepumpt wird. Ein Ziel der Erfindung ist es weiterhin, eine Laser-Pumpraumvorrichtung zu schaffen, die Abdeckmittel aufweist, wobei die Vorrichtung eine verbesserte Steuerung der thermisch induzierten Linsenwirkung, eine verbesserte Kühlung und verbesserte Bruchfestigkeitseigenschaften ermöglicht. Bei der vorliegenden Erfindung ist die durch Diffusionsverbindung angefügte Abdeckschicht vorzugsweise von unterschiedlicher Kristallart gegenüber dem dotierten aktiven Laserkristallbereich.
Das Abdeckmaterial sollte vorzugsweise einen niedrigeren Brechungsindex, eine höhere thermische Leitfähigkeit und eine höhere Bruchspannungsfestigkeit als der dotierte aktive Festkörper-Laserbereich (Kristall oder Glas) aufweisen.
Die vorliegende Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, ist eine Laser- Pumpraumvorrichtung mit integralem Konzentrator, welche einen dotierten Laserkristall als aktiven Laserbereich und einen Konzentrator aufweist, der mindestens eine obere und eine untere Schicht hat, welche aus einem Kristallmaterial gefertigt sind, das von dem dotierten Laserkristall zur Bildung des aktiven Laserbereiches unterschiedlich ist und vorzugsweise einen niedrigeren Brechungsindex, eine höhere thermische Leitfähigkeit und eine höhere Bruchfestigkeit hat. Der Konzentrator enthält eine obere Abdeckschicht, die auf einer Oberfläche des dotierten Laserkristalls gebildet ist und eine nach oben weisende, im wesentlichen zylindrische konkave Außenfläche aufweist, sowie eine untere Abdeckschicht, die an einer unteren Oberfläche des dotierten Laserkristalls gebildet ist und eine nach unten weisende, im wesentlichen zylindrische konkave Außenfläche aufweist. Der Konzentrator kann Randabdeckschichten enthalten, die an den seitlichen Oberflächen des dotierten Laserkristalls gebildet sind. Jede zylindrische Oberfläche definiert vorzugsweise eine jeweilige optische Brennlinie, wobei eine optische Brennlinie vorzugsweise oberhalb, und die andere optische Brennlinie unterhalb der Laser-Pumpraumvorrichtung gelegen ist. Die Laser-Pumpraumvorrichtung wird vorzugsweise mit einer Laserdiodenanordnung oder mehreren Laserdiodenanordnungen gepumpt, um eine Quelle von Pumpenergie in einer Richtung vorzusehen, die im wesentlichen quer zu der Laserstrahlachse orientiert ist. Die zylindrischen Oberflächen haben vorzugsweise hyperbolische oder quasi-hyperbolische zylindrische Gestalt und können in thermischem Kontakt mit einem Paar von kalten Platten stehen, um Wärme von den Leiden Hauptflächen des plattenanrtigen Laserbereiches zu absorbieren.
In einer besonderen Ausführungsform der Laser-Pumpraumvorrichtung sind die Randabdeckschichten aus einem Material hergestellt, das eine niedrigere thermische Leitfähigkeit hat, als das Material, das zur Bildung der oberen und unteren Abdeckschichten verwendet wird, wodurch eindimensionale Wärmestromverhältnisse von dem aktiven Bereich des Lasers durch die oberen und unteren Abdeckschichten und in die kalten Platten hinein aufrechterhalten werden. Für die Verwendung in einem mit Ytterbium dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Yb:YAG) sind die Randabdeckschichten vorzugsweise aus undotiertem YAG-Material gefertigt und die oberen und unteren Abdeckschichten sind vorzugsweise aus Saphir hergestellt.
Die vorstehenden und zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungsfiguren. In den Figuren und in der Beschreibung sind die verschiedenen Merkmale der Erfindung durch Bezugszeichen kenntlich gemacht, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in den Zeichnungsfiguren und in der Beschreibung beziehen.

ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Abbildung in perspektivischer Darstellungsweise einer bevorzugten Ausführungsform einer plattenförmigen Laser-Pumpraumvorrichtung mit integriertem Konzentrator. Laserdiodenanordnungen und Strahlen von Pumplicht auf der linken Seite des Pumpraumes sind zur Verbesserung der Klarheit nicht dargestellt.
Fig. 2 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung der plattenartigen Laser- Pumpraumvorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer plattenartigen Laser- Pumpraumvorrichtung mit integralem Konzentrator, konstruiert für. Pumpen mit niedriger f-Zahl gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht der plattenartigen Laser-Pumpraumvorrichtung von Fig. 1, wobei eine Methode der Führung des Laserlichtes innerhalb des aktiven Laserbereiches gezeigt ist.
Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Aufsicht einer anderen Ausführungsform einer plattenartigen Laser-Pumpraumvorrichtung mit thermisch isolierenden Randabdeckungen, die an dem aktiven Laserbereich vor Anbringung der oberen und unteren Abdeckschichten angebracht worden sind.
Fig. 6 eine vereinfachte schematische Aufsichtsdarstellung einer anderen alternativen Ausführungsform einer plattenartigen Laser-Pumpraumvorrichtung mit thermisch isolierenden Abdeckungen, die auf die zusammengesetzte Konzentratorstruktur aufgebracht sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Fig. 1 ist eine schematische Abbildung in perspektivischer Darstellung von einer bevorzugten Ausführungsform einer plattenartigen Laser-Pumpraumvorrichtung mit integralem Konzentrator. Diese Ausführungsform besteht aus einer vom Rand her gepumpten Konfiguration, welche eine plattenförmige Laser-Pumpraumvorrichtung 10 verwendet, die vorzugsweise durch Diffusionsverbindung einer undotierten Abdeckschicht, beispielsweise aus Saphir, 14 um einen den aktiven Laserbereich bildenden dotierten Laserkristall, beispielsweise YAG 16 in Gestalt einer Platte mit hohem Querschnittsseitenverhältnis aufgebaut ist, wobei das Kristallmaterial mit einem aktiven Ion dotiert ist, beispielsweise Ytterbium. Die den Konzentrator bildende Abdeckschicht 14 besitzt eine obere Abdeckschicht 46 mit einer konkaven, nach aufwärts weisenden, äußeren Zylinderfläche 18, eine untere Abdeckschicht 48 mit einer konkaven, nach abwärts weisenden äußeren Zylinderfläche 18, und einem Paar von Randabdeckschichten 50. Der aktive Laserbereich 16 hat vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt und wird durch Laserdiodenanordnungen 26 gepumpt.
Bei der hier offenbarten Ausführungsform wird vorzugsweise ein Pumpen in Richtungen quer zur Laserstrahlachse 12 verwendet, d. h. ein Pumpen vom Rande her oder ein Pumpen von der Seite her, wenngleich die Erfindung auch mit anderen Pumpmethoden eingesetzt werden kann. Ein Pumpen vom Rande her bedeutet, daß das Pumpen von einer schmalen Seite (dem Rand) der Platte her erfolgt, und nicht von einer breiten Oberfläche einer Platte, beispielsweise einer oberen oder unteren Fläche. Mindestens die oberen und unteren Abdeckschichten 46, 48 sind vorzugsweise aus undotierten Saphir gefertigt, welcher eine unterschiedliche Kristallart gegenüber dem dotierten Laserkristall ist, der den aktiven Laserbereich 16 bildet, der vorzugsweise aus Yb:YAG besteht.
Die zylindrischen Außenflächen 18 der oberen und unteren Abdeckschicht 46 bzw. 48 der undotierten Abdeckung 14 sind vorzugsweise in Längsrichtung auf die Laserachse 12 ausgerichtet und mit einer konkaven hyperboloidischen oder nahezu hyperboloidischen Form versehen, um das quergerichtete Pumplicht gleichförmiger im aktiven Bereich 16 zu verteilen. Jede zylindrische Oberfläche 18 hat ihre Fokuslinie 20 außerhalb des Laser-Pumpraumes 10, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wobei eine Fokuslinie oberhalb und die andere unterhalb des Laser-Pumpraumes 10 gelegen ist. Die zylindrischen Außenflächen 18 sind vorzugsweise beschichtet, um eine hohe Reflektivität bei der Pumpwellenlänge sicherzustellen. Die zylindrischen Oberflächen 18 sind vorzugsweise mit einem nachgiebigen thermischen Zwischenschichtmaterial 22 belegt und jede der kalten Platten oder Kühlplatten 24 hat vorzugsweise eine zylindrische Oberfläche 45, die in Nachbarschaft zu der thermischen Zwischenschicht 22 angeordnet ist, welche sich der Form der zylindrischen Oberfläche 18 anpaßt, wodurch der Wärmestrom von dem aktiven Bereich 15 zu den kalten Platten oder Kühlplatten 24 erleichtert wird. Die Wärme wird von der den aktiven Laserbereich 16 bildenden dotierten Laserkristallplatte durch Wärmeleitung durch die undotierte Abdeckschicht 14 und durch die thermische Zwischenschicht 22 zu der Kühlplatte 24 hin abgeführt. Die thermische Zwischenschicht 22 ist vorzugsweise aus Gold- oder Indium-Metallfolie gefertigt, und die kalte Platte oder Kühlplatte 24 ist aus einer Aluminium- oder Kupferlegierung gefertigt.
Das Pumplicht wird durch die Laserdiodenanordnungen 26 emittiert, welche im Handel erhältlich sind und welche vorzugsweise integrierte zylindrische Mikrolinsen 28 aufweisen, welche das von jeder Diodenleiste emittierte Pumplicht in einer Richtung normal zu der emittierenden Oberfläche parallelrichten. Das parallelgerichtete Pumplicht von jeder Laserdiodenanordnung 26 wird dann durch eine große Zylinderlinse 30 fokussiert, so daß die konvergierenden Strahlen des Pumplichtes 32 nach Brechung an der Eintrittsoberfläche des Pumpraumes 34 in Richtung auf die Fokuslinien der zylindrischen Oberflächen 20 gerichtet werden. Die Eintrittsoberfläche des Laserpumpraumes 34 ist mit einem Material beschichtet, das Antireflexionseigenschaften bei der Pumpwellenlänge für den vorbestimmten Bereich von Einfallswinkeln besitzt, um die Übertragung des Pumplichtes in den Laser-Pumpraum 10 hinein maximal zu gestalten.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Hauptstrahlen von Pumplicht 32, welche an einer der Fokuslinien der zylindrischen Oberflächen 20 fokussiert werden, durch die entsprechende zylindrische Oberfläche 18 in Richtung auf die andere Fokuslinie 20 reflektiert, und dieser Vorgang der Reflexion wiederholt sich an den beiden zylindrischen Oberflächen 18, wodurch im wesentlichen sämtliches Pumplicht innerhalb des Laser-Pumpraumes 10 eingefangen wird, bis es im wesentlichen absorbiert worden ist. Zwar werden paraxiale Strahlen nicht vollständig eingefangen, doch ist der Absorptionswirkungsgrad für paraxiale Strahlen über die gesamte Weglänge hin hoch. Der Gesamt-Pumpwirkungsgrad des Laser-Pumpraumes 10 ist daher außerordentlich hoch und hängt von der Absorption der undotierten Abdeckschicht 14, der Qualität der hochreflektiven Beläge auf den zylindrischen Oberflächen 18 und von der Qualität der Antireflexionsbeläge an den Eintrittsoberflächen des Pumpraumes 34 ab.
Fig. 2 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer plattenförmigen Laser- Pumpraumvorrichtung mit verbesserter Steuerung der thermischen Linsenwirkung, verbesserter Kühlung und verbesserter Bruchfestigkeit, wobei Saphir (Al&sub2;O&sub3;) in der undotierten Abdeckschicht 14 und ytterbium-dotierter Yttrium-Alluminium-Granat (Yb:YAG) als aktiver Laserbereich 16 verwendet werden. Saphir besitzt einen niedrigeren Brechungsindex, höhere thermische Leitfähigkeit und verbesserte Bruchfestigkeit gegenüber undotiertem YAG. Aus diesem Grunde bedingt die Verwendung von Saphir drei Verbesserungen an dem plattenförmigen Laserpumpkopf, nämlich verbesserte Steuerung der thermischen Linsenwirkung, verbesserte Kühlung und verbesserte Bruchfestigkeit. Ein besonderer Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung kann sich jede oder sämtliche diese Verbesserungen zunutze machen, was von der besonderen Auswahl des Mediums für den aktiven Laserbereich 16 und des Materials der Abdeckschicht 14 abhängig ist. Für praktische Formen, die ein Pumpen mit niedriger f-Zahl erfordern, kann es vorteilhaft sein, die Eintrittsoberfläche oder Eintrittsoberflächen an den Seitenrändern des Pumpenraumes 34 in gewisser Weise zu formen und/oder zu beschichten, um die Durchlässigkeit maximal zu machen und eine Beschränkung durch einen kritischen Winkel zu vermeiden. Fig. 3 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer plattenförmigen Laser-Pumpraumvorrichtung mit integralem Konzentrator, der für ein Pumpen mit niedriger f-Zahl konstruiert ist und gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Gemäß diesem Aspekt ist die Abdeckschicht 14 vorzugsweise aus Saphir gefertigt, welcher gegenüber dem dotierten Laserkristall zur Bildung des aktiven Laserbereiches 16 eine unterschiedliche Kristallart ist, wobei der aktive Laserbereich 16 vorzugsweise aus Yb:YAG besteht. Diese Ausführungsform hat zwei Eintrittsflächen anstelle einer Eintrittsoberfläche des Pumpraums 34 auf jeder Seite. Der präzise Winkel der Eintrittsoberfläche des Pumpraums 34 wird entsprechend dem Anwendungsfall gewählt und basiert auf einem Kompromiß zwischen dem Pumpwirkungsgrad und der Unterdrückung von seitlichen parasitären Lasermoden. Die seitlichen parasitären Lasermoden können die gespeicherte Energie in einer gütegeschalteten Anwendung herabsetzen oder können in Wettstreit mit dem gewünschten Laserprozeß längs der Laserstrahlachse 12 in Anwendungen mit kontinuierlicher Strahlung oder mit langen Impulsen treten.
Der Konstrukteur kann die Verteilung des absorbierten Pumplichtes in Richtung auf die Mitte der Platte durch leichtes Tiefhalten der Fokuslinie 20 konzentrieren, was dadurch erreicht wird, daß die Fokuslinie jeder Laserdiodenanordnungs-Pumpe 38 in den Bereich zwischen der zylindrischen Oberfläche 18 und der Fokuslinie 20 entsprechend der zylindrischen Oberfläche 18 gesetzt wird.
In der offenbarten Ausführungsform bewirkt die Verwendung eines Abdeckmaterials mit niedrigerem Brechungsindex eine innere Totalreflexion von Strahlen innerhalb des Laserstrahls, welche auf die abgedeckte Oberfläche des aktiven Laserbereiches 16 treffen und welche einen Einfallswinkel haben, der größer als ein kritischer Winkel ist. Diese reflektierten Laserstrahl-Strahlen werden innerhalb des aktiven Bereiches 16 geführt, so daß die Wirkungen einer Auffächerung des Laserlichtes aufgrund eines verteilten thermischen Linseneffektes oder einer Beugung längs der Längserstreckung der Platte vermieden werden. Ohne eine Führung des Lichtes würde ein thermischer Linseneffekt und Beugung im freien Raum innerhalb der integrierenden Plattenstruktur bewirken, daß sich der Laserstrahl auffächert und eventuell unverstärkt aus dem aktiven Bereich 16 austritt.
Die Verwendung eines Abdeckmaterials mit höherer thermischer Leitfähigkeit vermindert die Betriebstemperatur des den aktiven Laserbereich 16 bildenden Mediums, wodurch der Emissionsquerschnitt (Gewinn) des Lasers erhöht und der Austragswirkungsgrad verbessert werden.
Die Verwendung eines Abdeckmaterials mit höherer Bruchfestigkeit gestattet die Verwendung kürzerer Platten mit erhöhter Pumpleistung je Längeneinheit. Dies setzt voraus, daß der aktive Laserbereich 16 seine Zugfestigkeit von dem Abdeckbereich 14 übertragen erhält und daß der begrenzende Parameter die Oberflächen-Zugfestigkeit des Abdeckmaterials ist. Eine Verminderung der erforderlichen Plattenlänge verbessert die Lasereigenschaft durch Verminderung des linearen Verlustes innerhalb der Plattensegmente sowie der Fresnel'schen Verluste an den Trennflächen zwischen den Plattensegmenten, wenn aufgrund von Begrenzung beim Kristallwachstum Vielfach-Plattensegmente erforderlich sind. Eine Verminderung der Anzahl von Plattensegmenten bewirkt auch eine Herabsetzung der Kosten.
Die Eigenschaften von Saphir einschließlich eines niedrigeren Brechungsindexes, einer höheren thermischen Leitfähigkeit und einer besseren Bruchfestigkeit gegenüber herkömmlichem YAG-Material führen zu wesentlichen Verbesserungen an den hier offenbarten plattenartigen Laser-Pumpraumgeräten gegenüber alternativen Geräten, die vollständig aus YAG gefertigt sind. Beispielsweise ist der Brechungsindex für YAG bei 1m Wellenlänge und 300ºK Temperatur annähernd 1,819, während der Brechungsindex von Saphir 1,75 beträgt.
Um innere Totalreflexion zu erreichen, sollte sich das Laserlicht innerhalb des aktiven Laserbereiches 16 mit Einfallswinkeln ausbreiten, die größer als der kritische Winkel sind. Für das Verhältnis der Brechungsindizes für YAG und Saphir ist der kritische Winkel zum Erreichen von innerer Totalreflexion folgendermaßen anzugeben:
c = arcsin (1,755/1,819) = 74,76
Aus diesem Grunde sollte das Laserlicht durch den aktiven Laserbereich 16 mit Einfallswinkeln zwischen 90º (d. h., längs der Strahlachse 12) und 74,76º geführt werden.
Fig. 4 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung einer Methode zur Führung des Laserlichtes durch eine plattenartige Laser-Pumpraumvorrichtung unter innerer Totalreflexion für eine verbesserte Steuerung der thermischen Linseneffekte. Bei diesem Verfahren wird das Laserlicht durch Reflexion an der oberen und der unteren Fläche des aktiven Laserbereiches 16 eingegrenzt, so daß es einem optischen Zick-Zack-Weg durch den aktiven Laserbereich 16 folgt, so daß jeder Teil des Laserstrahls die selbe optische Weglänge durch den aktiven Laserbereich 16 hindurch sieht.
Das Konzept einer Geometrie des plattenförmigen Lasers mit einem optischen Zick-Zack-Weg innerhalb der Platte durch innere Totalreflexion wurde zuerst durch Martin und Chernoch, US-Patent 3,633,126, erteilt 1972, vorgeschlagen. Bei herkömmlichen Ausführungsformen der Plattenlaserkonstruktion mit optischem Zick-Zack-Weg sind die großen Oberflächen der Platte, die für die Führung des Laserstrahls durch innere Totalreflexion verantwortlich sind, der Umgebung, und in einigen Ausführungsformen, Kühlströmungsmitteln, ausgesetzt. Kratzer und Erosionen dieser freiliegenden Oberflächen resultieren in einer optischen Verschlechterung, welche die Strahlqualität und die Lebensdauer des Lasers nachteilig beeinflußt. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind diese Oberflächen durch die Abdeckschichten geschützt und optische Verschlechterungen aufgrund von Kratzern oder Erosionen treten nicht auf.
Die Betriebstemperatur des Lasers ist eine Funktion der letztlich auftretenden Wärmesenkentemperatur, der physikalischen Gestalt der verschiedenen Materialien zwischen dem aktiven Laserbereich 16 der Platte und der Wärmesenke, der thermischen Leitfähigkeit dieser Materialien und der thermischen Leitfähigkeiten der Kontaktflächen oder der Wärmeübergangs-Leitfähigkeiten an den Trennflächen zwischen diesen Materialien. TABELLE
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, sind sämtliche Werte bei einer Temperatur von 300ºK angegeben, wobei die thermische Leitfähigkeit von Saphir (annähernd 0,34 W/cmºK) 3x höher ist als diejenige für YAG (0,10 WcmºK). Aus diesem Grunde ist der Temperaturabfall an der Saphir-Abdeckschicht 14 annähernd dreifach kleiner als derjenige an einer ähnlich bemessenen YAG-Abdeckschicht 14 bei derselben thermischen Belastung. Für Ytterbium und die meisten Seltenerden-Lasermaterialarten bedeutet das Vermindern der Betriebstemperatur die Erhöhung des Querschnittes der angeregten Emission des aktiven Laserbereiches 16. Dies vermindert den Sättigungsfluß des den aktiven Laserbereich 16 bildenden Mediums, wodurch es leichter wird, die gespeicherte Energie für gütegeschaltete Systeme zu extrahieren, ohne daß entweder die optischen Beläge an den Austrittsoberflächen oder das Lasermaterial als solches beschädigt werden. Bei Raumtemperatur ändert sich der Querschnitt des Yb:YAG um annähernd 8% für eine 10ºC-Änderung in der Betriebstemperatur des den aktiven Laserbereich 16 bildenden Mediums.
Bei Verfügbarkeit von Dioden-Pumpanordnungen großer Helligkeit hängt die minimale Länge des den aktiven Laserbereich 16 bildenden Mediums längs der Laserachse hauptsächlich von der Bruchfestigkeit des Mediums ab. Ein kürzeres Lasermedium ist vorteilhaft, da es die linearen optischen Verluste vermindert, die mit der Absorption des Laserlichtes in dem Medium verbunden sind, und in Ausführungsformen, bei denen die gewünschte Länge der Platte die Wachstumsbegrenzungen des Laserkristalls überschreitet, vermindert es auch die Anzahl der erforderlichen Segmente und die einhergehenden Fresnel'schen Verluste an den Trennflächen.
Die Eigenschaften der durch Diffusionsverbindung aneinandergefügten plattenartigen Laser-Pumpraumvorrichtungen hängen von der Bruchfestigkeit der Gesamtstruktur und nicht lediglich von der Bruchfestigkeit des aktiven Laserbereiches 16 ab. Die Diffusionsverbindung passiviert die Übergangsfläche oder Trennfläche und verhindert sowohl die Bildung als auch die Ausbreitung von Oberflächen-Mikrorissen, die für einen katastrophalen Bruch des den aktiven Laserbereich 16 bildenden Mediums verantwortlich sind. Das Abdecken des aktiven Yb:YAG-Bereiches mit Saphir zusätzlich zur Passivierung der Zwischenfläche oder Übergangsfläche vermindert auch die Zugbeanspruchung nahe der Oberfläche des aktiven Yb:YAG-Laserbereiches 16 während des Dauerzustands-Laserbetriebes. Die Verminderung der Zugbeanspruchung nahe der Oberfläche des Yb:YAG-Bereiches tritt auf, da der Koeffizient der thermischen Ausdehnung für Saphir kleiner als 6,8 · 10&sup6; K&supmin;¹ je nach Kristallachsenorientierung ist, was weniger als der Koeffizient für andere herkömmliche Abdeckmaterialien, beispielsweise YAG ist, für welches der Koeffizient 6,9 · 10&sup6; K&supmin;¹ ist. Somit versucht die Abdeckschicht 14 eine Kompressionskraft oder Druckkraft auf der Seite des YAG der Trennfläche aufrechtzuerhalten. Dieses Verhalten ist analog der Eigenschaft von getemperten oder vergütetem Glas, bei welchem die Glasoberfläche unter Druckspannung gehalten wird, wodurch eine Widerstandskraft gegenüber Thermospannungsbruch bei hohen Temperaturgradienten über die Glaswand hin erreicht wird.
Da der thermische Ausdehnungskoeffizient von Saphir eine Funktion der Kristallachsenorientierung ist, hat der Konstrukteur die Freiheit, eine optimale Kristallachsenorientierung zu wählen, welche die Spannungsübertragung an der Trennfläche steuert und/oder die spannungsinduzierten Doppelbrechungseigenschaften innerhalb des aktiven Laserbereiches 16 steuert.
Die Diffusionsverbindung zwischen dem aktiven Laserbereich 16 und der Abdeckschicht 14 überträgt Spannungen von dem aktiven Laserbereich 16 auf die Abdeckschicht 14, wodurch die Oberfläche der Abdeckschicht 14 unter Spannung gesetzt wird. Die Bruchzähigkeit und die thermische Leitfähigkeit der Abdeckschicht 14 sind daher wichtige Bestimmungsgrößen der thermischen Gesamt-Bruchfestigkeit des monolitischen plattenartigen Laser-Pumpraumes. Da Saphir eine höhere Bruchzähigkeit und thermische Leitfähigkeit als YAG besitzt, ist der thermische Schockparameter (100 W/cm) mehr als eine Größenordnung höher als derjenige von YAG (7,9 W/cm). Die Saphir-Abdeckschicht 14 kann daher bedeutend höhere thermische Belastungen ohne Spannungsbruch aushalten als die YAG-Abdeckschicht 14, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung offenbart ist, auf die Bezug genommen wurde.
In einigen Anwendungsfällen ist es von Wichtigkeit, einen eindimensionalen Wärmestrom innerhalb des aktiven Laserbereiches 16 aufrechtzuerhalten. Durch Orientierung der linearen Polarisation des Laserstrahls entweder senkrecht oder parallel zur Richtung des Wärmestromes kann eine Depolarisation innerhalb der Platte aufgrund von durch thermische Spannungen verursachter Doppelbrechung minimal gehalten werden. Wie schon herkömmlicherweise bekannt ist, nähert eine thermische Isolierung der Ränder der Laserplatte die ideale eindimensionale Wärmestrombedingung an. Bei der vorliegenden Erfindung kann dies durch erstes Diffusionsverbinden jeder Seitenfläche des aktiven Laserbereiches 16 mit einer Randabdeckschicht 50 erreicht werden, die eine geringere thermische Leitfähigkeit hat als die obere und untere Abdeckschicht 46 bzw. 48, die an der oberen Fläche und der unteren Fläche des dotierten Laserkristalls 16 verwendet werden.
Fig. 5 ist eine vereinfachte schematische Aufsichtsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer plattenartigen Laser-Pumpraumvorrichtung mit thermisch isolierenden Randabdeckungen, die an den aktiven Laserbereich angefügt werden, bevor die obere und die untere Abdeckschicht aufgebracht werden. Bei dieser Ausführungsform könnte undotiertes YAG für die Randabdeckschichten 50 eingesetzt werden, und Saphir könnte für die obere und die untere Abdeckschicht 46 bzw. 48 verwendet werden. Randabdeckungen können auch aus dotiertem Material gebildet werden, um spontan verstärkte Emission und/oder parasitäre Lasertätigkeit zu unterdrücken.
Eine Randabdeckung kann auch durch Diffusionsverbindung an die zusammengesetzte Konzentratorkonstruktion angefügt werden, entweder bevor oder nachdem die obere und die untere Abdeckschicht durch Diffusionsverbindung angebracht sind.
Fig. 6 ist eine vereinfachte schematische Aufsichtsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer plattenartigen Laser-Pumpraumvorrichtung mit thermisch isolierender Randabdeckung, die an der zusammengesetzten Konzentratorstruktur angebracht ist. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist der verbesserte Wärmestrom, der noch genauer die gewünschte eindimensionale Bedingung nahe der Ränder des aktiven Lasermediums annähert. Bei dieser Ausführungsform könnte undotiertes YAG für die Randabdeckschicht 50 verwendet werden, und Saphir könnte für die obere und die untere Abdeckschicht 46 bzw. 48 verwendet werden.
Der apparative Aufbau der vorliegenden Erfindung ist erkennbar auf alle Typen von integrierenden Laser-Pumpraumvorrichtungen mit integriertem Konzentrator anwendbar, wie sie beispielsweise in Hochleistungs-Festkörper-Laserprodukten für industrielle und militärische Anwendungen verwendet werden.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihre gegenwärtig als bevorzugt betrachtete Ausführungsform bzw. betrachteten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist der Umfang nur insoweit begrenzt, als er durch die folgende Gruppe von Ansprüchen und sämtliche Äquivalente definiert ist.

Claims

1. Laser-Pumpraumvorrichtung mit integralem Pumplichtkonzentrator, welche folgendes enthält:

ein dotiertes Festkörper-Lasermedium, das einen aktiven Laserbereich (16) bildet und eine obere Fläche (40), eine untere Fläche (42) und mindestens zwei Seitenflächen (44) aufweist, welche eine Laserstrahlachse (12) umgeben; und

einen Konzentrator mit einer oberen Abdeckschicht (46), welche auf der oberen Fläche des aktiven Laserbereiches (16) gebildet ist und eine erste, nach aufwärts weisende konkave zylindrischen Außenfläche (18) aufweist, sowie mit einer unteren Abdeckschicht (48), die auf der unteren Fläche des aktiven Laserbereiches (16) gebildet ist und die eine zweite, nach abwärts weisende konkave zylindrische Außenfläche (18) aufweist, wobei die erste konkave zylindrische Außenfläche (18) eine erste optische Brennlinie (20) definiert, die parallel zu der Laserstrahlachse (12) ausgerichtet und oberhalb der Laser-Pumpraumvorrichtung (10) gelegen ist, wobei die zweite konkave zylindrische Außenfläche (18) eine zweite optische Brennlinie (20) definiert, die parallel zu der Laserstrahlachse (129 ausgerichtet und unterhalb der Laser-Pumpraumvorrichtung (10) gelegen ist und wobei mindestens die obere Abdeckschicht (46) und die untere Abdeckschicht (48) des Konzentrators aus einem Material gebildet sind, das von demjenigen des dotierten Feststoff-Lasermedium verschieden ist.

2. Laser-Pumpraumvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Konzentratormaterial Saphir ist und das dotierte Feststoff-Lasermedium Yb:YAG ist.

3. Laser-Pumpraumvorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der Konzentrator durch Anfügen der Abdeckschichten (46 und 48) an den aktiven Laserbereich (16) durch Diffusionsverbindung gebildet ist.

4. Laser-Pumpraumvorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welcher mindestens die obere Abdeckschicht (46) und die untere Abdeckschicht (48) aus einem Material gebildet sind, das einen niedrigeren Brechungsindex hat, als das dotierte Lasermedium.

5. Laser-Pumpraumvorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welcher mindestens die obere Abdeckschicht (46) und die untere Abdeckschicht (48) aus einem Material hergestellt sind, das eine höhere thermische Leitfähigkeit hat, als das dotierte Lasermedium.

6. Laser-Pumpraumvorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welcher mindestens die obere Abdeckschicht (46) und die untere Abdeckschicht (48) aus einem Material gefertigt sind, das eine höhere Bruchspannungsfestigkeit als das dotierte Lasermedium hat.

7. Laser-Pumpraumvorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welches weiter folgendes enthält:

ein Paar von Randabdeckungsschichten (50), die auf den beiden Randflächen (44) des aktiven Lasermediums (16) gebildet sind.

8. Laser-Pumpraumvorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Randabdeckschichten (50) aus einem zweiten Abdeckmaterial gefertigt sind, das eine niedrigere thermische Leitfähigkeit als das Abdeckmaterial hat, das zur Bildung der oberen Abdeckschicht (46) und der unteren Abdeckschicht (48) verwendet ist, derart, daß der Rand des aktiven Lasermediums thermisch von der oberen Abdeckschicht (46) und der unteren Abdeckschicht (48) isoliert werden kann, um die Bedingung eines eindimensionalen Wärmestroms durch die obere Fläche (40) und die untere Fläche (42) des aktiven Laserbereiches (16) aufrechtzuerhalten.

9. Laser-Pumpraumvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher die Randabdeckschichten (50) aus undotiertem YAG-Material gefertigt sind und die obere Abdeckschicht (46) sowie die unter Abdeckschicht (48) aus Saphir gefertigt sind.

10. Laser-Pumpraumvorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welche weiter folgendes enthält:

eine obere kalte Platte (24) mit einer unteren Fläche (45) in thermischem Kontakt mit der ersten, nach aufwärts weisenden konkaven zylindrischen Außenfläche (18); und

eine unter kalte Platte (24), welche eine obere Fläche (45) in thermischem Kontakt mit der zweiten, nach abwärts weisenden konkaven zylindrischen Außenfläche (18) aufweist.