EP2041847A2 - Festkörperlaser mit einem monolithisch aufgebauten resonator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser mit einem monolithisch aufgebauten Resonator (1) bestehend aus einem Lasermedium, an dem ein passiver Q-Switch (12) und mindestens ein Resonatorspiegel direkt angeformt sind, sowie mit mehreren Laserdioden (22), die als Pumpmedium seitlich in den Resonator (1) einstrahlen. Ein einfacher und robuster Aufbau bei gleichzeitig hoher Effizienz wird dadurch erreicht, dass der monolithische Resonator (1) an einem Ende in einer ersten Halteplatte (31) gehalten ist und an seinem anderen Ende in einer zweiten Halteplatte (32) gehalten ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Halteplatte (31, 32) mindestens ein Trägerring (21) eingespannt ist, der mehrere Laserdioden (22) trägt, die passiv wellenlängenstabilisiert sind.

Description

Festkörperlaser mit einem monolithisch aufgebauten Resonator

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser mit einem monolithisch aufgebauten Resonator, bestehend aus einem Lasermedium, an dem ein passiver Q-Switch und mindestens ein Resonatorspiegel direkt angeformt sind, sowie mit mehreren Laserdioden, die als Pumpmedium seitlich in den Resonator einstrahlen.

Die Mehrzahl der verfügbaren Laser mit hoher Leistung sind für stationäre Anwendungen konzipiert. Dadurch sind Größe und Gewicht ebenso wenig ein vorrangiges Problem wie Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad. Der Ort der Laserlichterzeugung und der Einsatzort der Laserenergie sind zudem häufig räumlich getrennt und nur durch optische Lichtleiter verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die eigentliche Laserlichtquelle, unabhängig von der Anwendung, unter kontrollierten, für den Betrieb des Lasers optimierten Umgebungsbedingungen betrieben werden kann.

In den letzten Jahren wurden eine Reihe von Anwendungen entwickelt, für welche mobile Laserlichtquellen erforderlich oder zumindest vorteilhaft wären. Derartige Applikationen reichen von Laserbasierten Markierungssystemen über die Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemischen mittels Laser bis zu chemisch-physikalisch Analysensystemen, beispielsweise laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS, LIBS) oder gezielter Laserablation. Für derartige Anwendungen werden Laserlichtquellen mit kompakter Bauform und/oder einem möglichst geringen Energiebedarf bei gleichzeitig hoher Leistung benötigt. Zudem müssen diese Laserlichtquellen direkt vor Ort, unter für den Laserbetrieb unter Umständen nicht optimalen Umgebungsbedingungen wie beispielsweise mechanischen Vibrationen und/oder erhöhten bzw. wechselnden Temperaturen, betrieben werden können. Hier stellen die etablierten und kommerziell verfügbaren Laserbauformen in der Regel keine tauglichen Lösungen dar.

Aus der Literatur ist eine Reihe von Ansätzen zum Bau kompakter Laserlichtquellen mit hoher Leistung bekannt, die jedoch durchwegs - teils kritische - Einschränkungen in der praktischen Anwendbarkeit aufweisen. Kritische Punkte sind insbesonders der Wirkungsgrad und, damit verbunden, der Energiebedarf sowie die Robustheit und die damit verbundene Verwendbarkeit des Lasers unter Betriebsbedingungen.

Bei Festkörperlasern werden, je nach Ausführung und Betriebszustand, bis zu 90% und mehr der eingebrachten Energie in Wärme und nur ein kleiner Teil in nutzbare Laserenergie umgesetzt. Zudem stellt die Temperaturstabilisierung von kompakten Lasern insgesamt ein prioritäres Problem beim Bau von Laserdioden- gepumpten Festkörperlasern dar, da die Emissionswellenlängen von Halbleiter- Laserdioden in der Regel signifikant von der Betriebstemperatur abhängen und das Emissionsmaximum um typischerweise ~ 0,3 nm/K driftet. Dies stellt insbesondere bei Verwendung von Festkörper-Lasermedien mit einem schmalen Absorptionsband, wie beispielsweise Neodym-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (IMd: YAG), ein Problem dar. Für eine effiziente Energieeinkopplung ist es hier erforderlich, die Betriebstemperatur der Halbleiter-Pumpdioden auf typischerweise < ± 2 K zu stabilisieren.

Zur Lösung dieses Problems sind eine Reihe von Ansätzen publiziert. Beispielsweise schlägt EP 0 471 707 Bl eine Temperierung mittels gasförmigen oder flüssigen Temperiermedien durch Kühlkanäle vor, wobei das Temperiermedium extern temperiert wird. Eine Temperierung über Temperiermedien ist allerdings nur bei näherungsweise gleich bleibenden Betriebszuständen praktikabel; bei raschen Temperaturänderungen, insbesonders in Folge von Lastwechseln am Laser, sind derartige Systeme zu träge für einen praktischen Einsatz. Analoges gilt bei Einsatz von Systemen mit integrierten Wärmeleitelementen, wie beispielsweise aus WO 2003/030312 A2 bekannt. Dementsprechend wird z.B. in DE 42 295 00 A oder EP 1 034 584 Bl vorgeschlagen, das Problem der Temperierung einer Pump-Laserdiode sowie des Lasermediums mittels thermoelektrischer Elemente, insbesonders von Peltierelementen, zu lösen. Ein derartiges rein thermoelektri- sches System ist allerdings nur für eine Temperierung innerhalb eines engen Temperaturbereichs anwendbar. Für Anwendungen bei denen mit einer signifikanten Änderung der Umgebungstemperaturen zu rechnen ist sind derartige Temperiersysteme zudem rasch überfordert und somit ungeeignet.

Eine technisch prinzipiell gangbare Alternative ist eine Kombination aus diesen beiden Methoden, wie z.B. in EP 1 519 038 Al und EP 1 519 039 Al für den Aufbau einer kompakten Laserlichtquelle für die Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen dargelegt. Der Aufwand für ein derartiges Temperiersystem ist allerdings beträchtlich. In den zitierten Schriften wird die Temperaturstabilisierung über ein mehrstufiges Temperiersystem, bestehend aus "mindestens zwei, vorzugsweise drei verschiedenen Kühlsystemen" bewerkstelligt. Im Detail wird eine Kombination aus Kreisläufen fluider Temperiermedien mit Peltierelementen vorgeschlagen, was mit einem beträchtlichen konstruktiven wie regeltechnischen Aufwand verbunden ist. Zudem ist, insbesonders bei hohe Leistungen erfordernden Laseranwendungen, ein rascher Transfer von beträchtlichen Wärmemengen notwendig, was eine entsprechend große Wärmetauscherfläche erfordert. Dies erfordert, insbesonders bei kompakten Aufbauten, eine Vielzahl enger und/oder langer Strömungskanäle, was konstruktiv aufwendig und mit einem beträchtlichen Energieaufwand für die Umwälzung des Temperiermediums verbunden ist. Zudem ist die Verwendung von thermoelektrischen Bauelementen für die Temperierung mit einem hohen Energiebedarf verbunden, was den Gesamtwirkungsgrad der Laserlichtquelle senkt.

Ein weiteres Problem, das insbesondere dann auftritt, wenn ein Festkörperlaser besonders kompakt und robust auszuführen ist, wie etwa bei der Verwendung als Zündquelle in einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung oder einer Flugzeugturbine, besteht darin, Fehlerquellen bei der Justierung der einzelnen Komponenten zu vermeiden und insgesamt den Justieraufwand weitestgehend zu minimieren. Ebenso soll durch maximale Robustheit auch bei widrigen Umgebungsverhältnissen ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt werden. Die oben beschriebenen Nachteile haften den Lösungen an, wie sie etwa in der EP 0 743 725 A oder in der WO 02/073322 A beschrieben sind.

Zur Minimierung der Lagevariabilitäten und der daraus resultierenden Notwendigkeit der präzisen Justierung der erforderlichen optischen Komponenten wird vorgeschlagen, anstelle der üblichen, diskret aufgebauten Laserresonatoren monolithische Laserresonatoren zu verwenden. Unter einem monolithischen Laserresonator ist ein Element zu verstehen, in dem alle erforderlichen Komponenten eines Laserresonators, d.h. aktives Lasermedium und Resonatorspiegel, optional ergänzt um zusätzliche Elemente wie beispielsweise Güteschalter ("Q-Switch"), in einem einzigen "monolithischen" Bauteil integriert sind. Derartige Elemente sind beispielsweise aus WO 2004/034523 A2 bekannt. Diese Integration aller Bauteile eines Laserresonators in ein einziges Bauteil - den monolithischen Laserresonator - hat eine Reihe von praktischen Vorteilen, sowohl bezüglich Konstruktion und Betrieb des Lasers als auch der Lebensdauer der optischen Komponenten.

Aus konstruktiver Sicht wird, durch die Integration in ein Bauelement und den damit verbundenen Wegfall der Lagevariabilitäten, die Anzahl der für die optischen Komponenten des Laserresonators erforderlichen Befestigungselemente minimiert und Justierelemente entfallen vollständig. Dies ermöglicht in Folge den Aufbau kompakter und gegenüber externen Einflüssen weitgehend unempfindlicher Laserlichtquellen. Gleichzeitig entfällt die aufwändige Justierung der Einzelkomponenten bei Zusammenbau oder Wartung, wodurch die Kosten für derartige Laserlichtquellen im Vergleich zu diskret aufgebauten Systemen signifikant reduziert werden können.

Ein zweiter Vorteil liegt in der Reduktion von Grenzflächen im optischen Pfad des Laserresonators. Insbesonders bei Lasern mit hohen Energiedichten, wie sie in der erfindungsgemäßen Anordnung auftreten, stellt jede Grenzfläche eine potentielle Schwachstelle sowie eine Leistungsminderung dar. Durch die Integration von Lasermedium, passivem Q-Switch ("sättigbarer Absorber") und vorteilhafterweise den Resonatorspiegeln in ein einzelnes, monolithisches Bauelement kann die Anzahl der Grenzflächen minimiert und in Folge der Wirkungsgrad wie auch die Lebensdauer eines derartigen Lasers im Vergleich zu diskret aufgebauten Systemen deutlich verbessert werden.

Die vorliegende Erfindung geht von einem solchen monolithischen Festkörperlaser aus. Damit lässt sich zwar das Problem des Justieraufwandes und der mechanischen Robustheit grundsätzlich in Griff bekommen, es bleibt jedoch die Frage eines geeigneten Kühlsystems in Zusammenhang mit der Abhängigkeit der Emissionswellenlängen von Halbleiterlaserdioden von der Temperatur zu lösen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Festkörperlaser der oben beschriebenen Art so weiterzubilden, dass ein einfacher kompakter und robuster Aufbau erreicht wird, wobei insbesondere auch bei einem einfachen Kühlsystem eine weitgehende Unabhängigkeit von äußeren thermischen Bedingungen und der Last des Festkörperlasers gegeben ist. Eine weitere Aufgabe ist es insgesamt, eine hohe Effizienz des Lasersystems zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass der monolithische Resonator an einem Ende in einer ersten Halteplatte gehalten ist und an seinem anderen Ende in einer zweiten Halteplatte gehalten ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Halteplatte mindestens ein Trägerring eingespannt ist, der mehrere Laserdioden trägt, die passiv wellenlängenstabilisiert sind.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, passiv wellenlängenstabilisierte Laserdioden zu verwenden. Dadurch wird zunächst ein höherer Toleranzbereich für die Temperatur der Laserdioden gewährleistet, was es ermöglicht, das Kühlsystem entsprechend zu vereinfachen. Diese Möglichkeit der Vereinfachung wird durch die besondere konstruktive Gestaltung genützt, so dass sich ein besonders einfacher und robuster Aufbau ergibt, der sich insbesondere für die Verwendung als Zündquelle in Strahltriebwerken, Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung oder aber auch in mobilen LIBS-Analysegeräten eignet.

Passiv wellenlängenstabilisierte Laserdioden sind an sich bekannt, wie etwa aus Volodin et al. : "Volume stabilization and spectrum narrowing of high power mul- timode laser diodes and arrays by use of volume bragg gratings" in Optics Letters 2004, Vol. 29, Seiten 1891ff oder aus WO 2005/013439 A. Die Verwendung passiv wellenlängenstabilisierter Laserdioden als Pumplichtquellen für die Anregung des Lasermediums einer kompakten Laserlichtquelle hat eine Reihe praktischer Vorteile. Zunächst reduziert die Verwendung einer passiv wellenlängenstabilisierten Pumpquelle das Problem des thermischen Drifts des Emissionsmaximums der Anregungslichtquelle. Der thermische Drift für eine Halbleiter-Laserdiode mit auf die Emissionsfläche aufgesetztem holographischem Gitter, beispielsweise einem "Volume Bragg Gräting", beträgt typischerweise 0,01 nm/K. Für den praktischen Betrieb ist es somit ausreichend, die Temperatur derartiger Laserdioden auf typischerweise ± 15 K zu stabilisieren. Somit ist ein effizienter Betrieb der Pumplaser auch ohne präzise aktive Regelung der Temperatur und/oder des Diodenstroms, wie in aktiv wellenlängenstabilisierten Laserdioden üblich und erforderlich, möglich. Dadurch wird es im Vergleich zu vorbekannten Systemen möglich, die Temperierung, insbesonders in Hinblick auf die erforderliche Regelgenauigkeit, wesentlich zu vereinfachen.

Ein weiterer Vorteil des erweiterten Betriebstemperaturbereichs ist das Verhalten des Lasers bei einem Lastwechsel. Ein Lastwechsel, beispielsweise eine Änderung der Pulsrate des Lasers, ist grundsätzlich mit einer Änderung der Verlustleistung verbunden, wodurch sich, zumindest temporär, die Temperatur der Pumpdioden ändert. Bei vorbekannten Systemen verändert sich dadurch die Emissionswellenlänge der Pumpdioden und in Folge die Lasereffizienz. Bei nicht ausreichend rascher Kompensation durch die Temperatur-Regelung ist dadurch mit instabilen Betriebszuständen bis hin zu einem Aussetzen der Laseremission des Festkörperlasers zu rechnen. Analog dazu benötigen vorbekannte Laserdioden-gepump- te Festkörperlaser üblicherweise eine Vorlaufzeit um einen stabilen Betriebszustand zu erreichen. Im Gegensatz dazu weisen mit einer passiv wellenlängenstabilisierten Pumpquelle gepumpte Festkörperlaser eine deutlich höhere Betriebsstabilität bei Lastwechseln auf, stellen deutlich geringere Anforderungen an das dynamische Regelverhalten der Temperierung und sind typischerweise ohne Vorlaufzeit sofort einsetzbar.

Somit ist es durch die Verwendung passiv wellenlängenstabilisierter Pumpdioden möglich, auf komplexe, energie- und kostenaufwändige rasch reagierende Temperatur-Regelungen zu verzichten. Durch den signifikant reduzierten Tempera- tureinfluss ist, sowohl im Gleichlast-Dauerbetrieb als auch im Lastwechselbetrieb, eine einfache, robuste und kostengünstige aber vergleichsweise trägere Temperierung mit signifikant geringeren Anforderungen an die Genauigkeit der Temperierung als bei vorbekannten Systemen ausreichend. Je nach abzuführender Verlustleistung des Lasers können wahlweise eine aktive oder passive Luftkühlung oder, für höhere Leistungen, eine Flüssigkeitstemperierung mit externem Temperiergerät verwendet werden. Dadurch sind nach dem beschriebenen Prin- zip aufgebaute Festkörperlaser bei vergleichbarer Leistung kompakter konstruierbar, robuster, betriebs- und ausfallssicherer und kostengünstiger in Herstellung und Betrieb als vergleichbare vorbekannte Systeme.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung passiv wellenlängenstabilisierter Pumpdioden liegt in einer Erhöhung der Einkoppeleffizienz der Pumpenergie in das Lasermedium des Festkörperlasers. Durch das externe Gitter reduziert sich die Halbwertsbreite der Emission einer Halbleiter-Laserdiode von typischerweise 3 nm (FWHM) auf typischerweise 1 nm (FWHM). Insbesonders bei Lasermedien mit einem engen Absorptionsquerschnitt, wie beispielsweise Nd: YAG mit einer Halbwertsbreite des Absorptionsquerschnitts von etwa 1,5 nm, ist dadurch eine signifikante Verbesserung der Einkoppeleffizienz zu erreichen.

Insgesamt ist es durch die Verwendung von, vorzugsweise durch externe Reflexionelemente, besonders vorzugsweise auf Basis holographischer Gitter, passiv wellenlängenstabilisierten Halbleiter-Laserdioden als Pumpquelle für Festkörperlaser möglich, die Betriebsstabilität von Festkörperlasern entscheidend zu verbessern, die Gesamteffizienz zu erhöhen und den Aufwand für die Kühlung zu minimieren.

Die erfindungsgemäße gekoppelte Verwendung der beschriebenen Elemente - monolithischer Laserresonator mit integriertem passivem Q-Switch, radiales Pumpen mit ringförmig angeordneten passiv wellenlängenstabilisierten Laserdioden als Pumplichtquellen und Einbau in ein kompaktes Gehäuse, das den monolithischen Laserresonators hält und die Vorrichtungen zur grundlegenden Temperierung des gesamten Lasers, d.h. sowohl der Pumplichtquellen als auch des Lasermediums, bereitstellt, ermöglicht in Folge durch wechselseitige Interaktionen der Komponenten den Bau von Laserlichtquellen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften.

Die vorgeschlagene Verwendung passiv wellenlängenstabilisierter Laserdioden als Pumplichtquellen bewirkt zunächst eine Verringerung des Einflusses der Umgebungstemperatur auf die Funktion des Lasers. Dadurch ist es möglich, den Laser mit einer einfachen Kühlung über einen weiten Temperaturbereich zu betreiben. Dadurch wird es zunächst möglich, signifikant kleinere Bauformen als bei vergleichbaren Systemen zu realisieren, womit diese Laserlichtquellen für praktische Anwendungen interessant werden.

Die so erzielbare kompakte Bauform ermöglicht es in Folge, einen deutlich über den, für vergleichbar leistungsfähige Festkörperlaser, üblichen Werten liegenden "Gain" im Lasermedium zu erzielen. Dieser bauform-bedingte hohe Gain-Faktor macht in weiterer Folge einen effizienten Betrieb des erfindungsgemäß verwen- deten monolithischen Laserresonators mit integriertem sättigbarem Absorber (passiver Q-Switch) erst möglich.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines monolithisch aufgebauten Laserresonators treten in Folge signifikant geringere Verluste im Lasermedium als bei einem üblichen diskreten Aufbau auf. Dies ist insbesonders anbetracht des hohen Gains und der daraus resultierenden hohen Leistungsdichte im aktiven Lasermedium von hoher Wichtigkeit, da nur dann die Temperierung auch des Lasermediums auf einfache Art und Weise möglich ist, was wiederum Voraussetzung für den Bau einer kompakten Laserlichtquelle mit hohem Gain-Faktor und effizienter Nutzung der passiv wellenlängenstabilisierten Pump-Laserdioden ist.

Die vorteilhafte Natur der vorgeschlagenen Anordnung zum Bau kompakter Laserlichtquellen hoher Leistung zeigt sich weiters daraus, dass, gemäß dem Stand der Technik, zumindest bei niedrigeren Pumpraten, ohne Berücksichtung der spezifischen Interaktionen der Komponenten für einen derartigen Laser eigentlich instabile Laseremissionen zu erwarten wären. Erst die sich aus der erfindungsgemäßen Kombination der genannten Merkmale ergebenden, oben erläuterten Wechselwirkungen ermöglichen einen stabilen Betrieb mit hoher Pulsleistung, und zwar auch bei niedrigen Pulsfrequenzen. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht somit erstmals, Festkörperlaser mit hoher und/oder variabler Pulsfrequenz bzw. Leistung mit ausgezeichneter Betriebsstabilität auch bei Lastwechsel oder Änderung der Umgebungsbedingungen und hoher Ausfallssicherheit in kompakten kostengünstigen Bauformen zu realisieren.

Besonders hohe Leistungsdichten und/oder eine einfache Skalierbarkeit der Laserleistung können dadurch erreicht werden, dass mehrere Trägerringe hintereinander vorgesehen sind. Auf diese Weise kann die gesamte Umfangsfläche des Resonators zur Einkoppelung von Strahlung verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung mehrerer Trägerringe ist, dass dadurch eine Erhöhung der Frequenz der Pumppulse über das für einzelne Laserdiode maximal mögliche Maß hinaus aus einfachem Weg möglich wird. Dazu werden die Laserdioden der verschiedenen Trägerringe zueinander zeitlich versetzt gepulst, womit eine insgesamt hohe Pump-Pulsfrequenz bei geringerer Pulsfrequenz und somit reduzierter Belastung der einzelnen Pump-Laserdioden erzielt werden kann.

Um eine gleichmäßige Ausleuchtung des aktiven Lasermediums und somit eine optimale Energieeinkopplung zu erzielen, sind in jedem Trägerring vorzugsweise eine ungerade Anzahl von Laserdioden in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Mindestens sollte die Anzahl von Laserdioden dabei drei betragen. Ergänzend kann durch geeignete optische Maßnahmen, wie etwa Verspiegelungen oder dergleichen sichergestellt werden, dass ein hoher Anteil der eingestrahlten Lichtleistung im Resonator verbleiben und zum Pumpen des Lasers zur Verfügung stehen.

Eine besonders effiziente Kühlung kann erreicht werden, wenn Kühlkanäle vorgesehen sind, die sich durch die erste und die zweite Halteplatte, sowie durch den mindestens einen Trägerring hindurch erstrecken.

Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist in der ersten und in der zweiten Halteplatte ein Hüllrohr eingespannt, das den monolithischen Resonator umgibt und zwischen dem Resonator und dem Hüllrohr ist ein Strömungsraum für ein flüssiges Kühlmedium vorgesehen. Zwischen dem Resonator und dem Hüllrohr wird dabei ein Ringraum gebildet, der von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt ist. Diese Kühlung kann einerseits in Form eines Zwangsumlaufs realisiert werden, bei weniger belasteten Systemen kann jedoch auch auf eine rein konvektive Kühlung in der Art einer Heat Pipe zurückgegriffen werden. Um etwaige Verluste zu vermeiden, die aus der Durchstrahlung des Resonators erfolgen, ist es besonders bevorzugt, wenn das Hüllrohr reflektiv beschichtet ist, wobei die Verspiegelung im Bereich der Laserdioden Fenster aufweist. Die Verspiegelung ist nur an den Stellen durchbrochen, an denen die Laserdioden in den Resonator einstrahlen.

Eine alternative Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen dem monolithischen Resonator und den Trägerringen mit einem isolierenden Kühlmedium gefüllt ist. Diese Ausführungsvariante ist besonders einfach, da hier kein Hüllrohr erforderlich ist. Um einen Kurzschluss in der Kontaktierung der Laserdioden zu vermeiden ist ein isolierendes Kühlmedium vorgesehen, wie etwa flüssiger Perfluorpolyether.

In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung in einer teilweise geschnittenen axonometrischen Darstellung;

Fig. 2 die Ausführungsvariante von Fig. 1 im Längsschnitt;

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III - III in Fig. 2;

Fig. 4 einen erfindungsgemäß ausgebildeten monolithischen Laserresonator im Detail; Fig. 5 ein Hüllrohr gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung; und

Fig. 6 und Fig. 7 eine weitere Ausführungsvariante in der Darstellung entsprechend Fig. 2 und Fig. 3, wobei Fig. 7 ein Schnitt nach Linie VII- VII in Fig. 6 ist.

Ein allgemein mit 1 bezeichneter monolithischer Laserresonator ist über Befestigungselemente 33, 34 an einem Ende in einer ersten Halteplatte 31 und am anderen Ende in einer zweiten Halteplatte 32 gehalten. Zwischen den Halteplatten 31, 32 sind zwei Trägerringe 21 eingespannt, die an ihrem inneren Umfang jeweils mehrere Laserdioden 22 tragen. Ein Hüllrohr 42, das auch als Flow-Tube bezeichnet wird, umgibt den monolithischen Resonator 1, um einen Strömungsraum für ein Kühlmedium zu bilden. Kühlkanäle 41, die sich von der ersten Halteplatte 31 über die Trägerringe 21 bis zur zweiten Halteplatte 32 erstrecken, stehen mit dem Strömungsraum in Verbindung, um ein geschlossenes Kühlsystem zu bilden.

Durch die erfindungsgemäße Kombination der Verwendung passiv wellenlängenstabilisierter Laserdioden hoher Leistung 22 und eines monolithischen Laserresonators 1 ist es erstmals und exklusiv möglich, mit einer Laserlichtquelle mit einer typischer Baugröße von 40 mm Durchmesser und 70 mm Länge ohne integrierte Steuerelektronik bzw. 50 mm Durchmesser und 120 mm Länge mit integrierter Steuerelektronik Laserlichtpulse mit einer typischer Pulsleistung von 30 mJ und einer typischen Pulsdauer im Bereich von 2 - 10 ns zu generieren. Der Laser kann, bei minimalem Temperierungsaufwand, mit variablen, regelbaren Pulsraten im Bereich von typischerweise 0 - 150 Hz betrieben werden, bei reduzierter Pulsleistung mit Pulsraten bis zu etwa 1 kHz.

Der Laser emittiert somit, bei einer typischen Gesamt-Leistungsaufnahme (inklusive Steuerung, exklusive externer Temperierung) von 100 Watt (elektrisch) Laserlicht mit einer mittleren Leistung von etwa 5 Watt (optisch). Der emittierte Laserstrahl hat dabei eine typische Strahldivergenz < 5 mrad bei einem, vom Durchmesser des Lasermediums abhängigen, Strahldurchmesser von typischerweise < 3 mm.

Die passiv wellenlängenstabilisierten Laserdioden 22 sind in der erfindungsgemäßen Anordnung, analog zu vorbekannten Anordnungen, ringförmig in einer zentralen Ausnehmung eines geeigneten Trägerrings 21 angeordnet und bilden gemeinsam einen Pumpring 2. Die Anzahl der verwendeten Laserdioden hängt in jedem Fall von der Baugröße der Laserlichtquelle, der Laserdioden 22 und der erforderlichen Pumpleistung ab. In der hier gezeigten Bauform der Pumpringe werden pro Pumpring vorzugsweise drei bis acht Laserdioden eingesetzt, beispielsweise sechs passiv wellenlängenstabilisierte Laserdioden 22 pro Pumpring 2.

Bei höherem Leistungsbedarf ist es möglich und vorteilhaft, unter Verwendung eines monolithischen Laserresonators 1 mit längerem Festkörper-Lasermedium 11 mehrere Pumpringe 2 hintereinander zu schalten, wie in Fig. 1 exemplarisch für eine Anordnung mit zwei Pumpringen dargestellt. Dies ergibt bessere Effizienzen und eine kleinere Bauform als die Verwendung von nur einem Pumpring mit einer höheren Anzahl an Laserdioden und erleichtert zudem die Temperierung. Die Laserdioden aufeinander folgender Pumpringe werden bei derartigen Anordnungen vorzugsweise "auf Lücke" ausgerichtet, im gezeigten Fall mit sechs Laserdioden werden die Pumpringe somit vorzugsweise gegeneinander um 30° bezüglich der Hauptachse der Laserlichtquelle verdreht, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.

Zur Temperierung der Laserlichtquelle sind in die Trägerringe 21 der passiv wellenlängenstabilisierten Laserdioden 22 Temperierkanäle 41 eingearbeitet. Die Form und Anzahl dieser Temperierkanäle wird dabei der maximal zu übertragenden Wärmeleistung der Laserlichtquelle entsprechend gewählt. Zusammen mit in die vordere 31 und die hintere 32 Endkappe der Laserlichtquelle eingearbeiteten Kanälen und einer vom Temperiermittel durchströmten, den monolithischen Laserresonator umgebenden FIow-Tube 42 ergibt sich daraus ein Temperiermittelkreislauf.

Der Temperiermittelkreislauf 4 wird für Laser-Anwendungen mit hoher mittlerer Leistung vorzugsweise an ein externes Temperieraggregat angeschlossen, wobei die Laserlichtquelle vorzugsweise von außen nach innen durchströmt wird, d.h. das Temperiermittel zunächst die Temperierkanäle 41 der Trägerringe 21 durchströmt und danach den Bereich zwischen dem monolithischen Laserresonator 1 und der FIow-Tube 42. In dieser Ausführungsform sind Eingang und Ausgang separiert und vorzugsweise in der hinteren Endkappe 32 angeordnet.

Für Anwendungen mit geringerer Leistung kann häufig auf eine externe Temperierung verzichtet werden. Anstelle der getrennten Ein- und Ausgänge werden beide Endkappen 31, 32 den Außen- und Innenkreis verbindend ausgeführt, der Temperiermittelkreislauf 4 mit einem geeigneten Temperiermedium gefüllt und versiegelt. Die anfallende Verlustwärme wird durch Wärmeleitung sowie Konvek- tion im Temperiermittelkreislauf von innen nach außen transportiert und über die Oberfläche der Laserlichtquelle an die Umgebung abgegeben. Dazu kann es anwendungsabhängig vorteilhaft sein, die äußere Oberfläche der Laserlichtquelle mit Kühlrippen zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfiäche und/oder einem Ventilator, etc. zur Verbesserung des Wärmeübergangs auszustatten.

In beiden Betriebsarten bewirkt die Verwendung passiv wellenlängenstabilisierter Laserdioden als Pumplichtquellen eine Minimierung des Temperieraufwandes und eine Erhöhung der Betriebsstabilität. Die Zuverlässigkeit der Laseremission ist, auch bei bzw. während signifikanten Lastwechseln, beispielsweise in Folge einer Änderung der Pulsrate, oder sonstigen Änderungen des thermischen Zustands voll gewährleistet.

Der erfindungsgemäß verwendete monolithische Laserresonator 1 besteht aus dem eigentlichen Lasermedium 11, in dem die Pumpenergie in Laserenergie umgesetzt wird, einem damit, vorzugsweise durch Bonding auf molekularer Ebene (Interface I), fest verbundenen sättigbaren Absorber (passiver Q-Switch, 12) sowie zwei Resonatorspiegeln 13, 14. Als Resonatorspiegel werden vorzugsweise auf die jeweilige Laser-Emissionswellenlänge ausgelegte dielektrische, besonders vorzugsweise mehrschichtige dielektrische, Spiegel verwendet, die direkt auf die Endflächen des Lasermediums bzw. des daran gebondeten sättigbaren Absorbers aufgebracht werden. Der Spiegel an der emittierenden Seite 13 wird dabei partiell reflektierend, mit einem Reflexionsgrad von beispielsweise 50% ausgeführt, der zweite Spiegel hochreflektierend, mit einem typischen Reflexionsgrad von > 99% bei der Emissionswellenlänge des Festkörperlasers.

Ergänzend ist es möglich und vorteilhaft, die beiden verspiegelten Endflächen 13, 14 des monolithischen Laserresonators geometrisch an den Laserbetrieb anzupassen. Neben planer Endflächen sind für bestimmte Anwendungen insbesonders axialsymmetrisch gekrümmte, konvexe oder konkave Flächen vorteilhaft, um damit beispielsweise das Auftreten von Temperaturgradienten und dadurch entstehenden thermischen Linsen zu kompensieren, die Modenverteilung im Laser zu beeinflussen oder den emittierten Strahl zur Übergabe an eine externe Strahloptik zu konditionieren.

Für die beschriebene Anordnung ist die Verwendung eines zylindrischen Laserresonators 1 sowohl in Hinblick auf die Kompaktheit als auch die Minimierung des Aufwandes für Einbau, Befestigung und Justierung besonders vorteilhaft, es sind aber auch quaderförmige Ausführungen mit viereckigem, quadratischem oder sonstigem polygonalen Querschnitt für besondere Anwendungen möglich und realisierbar. Bei derartigen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, Form, Anzahl und Ausrichtung der Flächen des polygonen Quaders und Anzahl und Anordnung der Laserdioden im verwendeten Pumpring aufeinander abzustimmen. Durch den monolithischen Aufbau des Laserresonators 1 ist der Einbau bzw. die Befestigung in der Laserlichtquelle, insbesonders bei Verwendung eines zylindrisch ausgeführten monolithischen Laserresonators 1 mit minimalem konstruktivem Aufwand möglich. Vorzugsweise wird der monolithische Laserresonator 1 mit zwei, beispielsweise als Klemmschrauben ausgeführten, Befestigungselementen 33, 34 in den Halteplatten 31, 32 fixiert. Dazu sind weder Justierelemente notwendig noch kann sich der Laserresonator 1 durch mechanische und/ oder thermische Belastungen dejustieren. In Kombination mit den passiv wellenlängenstabilisierten Laser-Pumpdioden 22 kann dadurch ein zuverlässiger Betrieb auch unter rauen Anwendungsbedingungen gewährleistet werden.

Die Befestigungselemente 33, 34 des Laserresonators 1 können anwendungsabhängig gestaltet werden. Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte mögliche Ausführung mit einem optisch zugänglichen hochreflektierenden Endspiegel 14 ermöglicht die Einkopplung der durch den Spiegel 14 transmittierten Laser-Restenergie beispielsweise in eine optische Faser und die Verwendung dieses Signals beispielsweise zur Laserüberwachung, als Trigger-Signal, etc., ohne in den Nutzstrahlengang des Lasers zusätzliche optische Komponenten einbauen zu müssen.

Zusätzlich zur erfindungsgemäß notwendigen Verwendung von passiv wellenlängenstabilisierten Laserdioden als Pumplichtquellen und eines monolithischen Laserresonators ist es zur Erhöhung des Wirkungsgrades häufig sinnvoll, weitere Maßnahmen zur Optimierung der Einkoppeleffizienz des Pumplichts in das Lasermedium zu treffen. Hiezu wird erfindungsgemäß, insbesonders bei Verwendung von Festkörper-Lasermedien mit kleinem Durchmesser und entsprechend geringerer Einkoppeleffizienz, die Verwendung einer Energiesammelnden Flow- Tube vorgeschlagen.

Vorbekannte Flow-Tubes bestehen aus einem für die Anregungswellenlänge transparenten Material, wie beispielsweise Glas, Quarzglas oder Saphir. In diesen Anordnungen tritt vom Lasermedium nicht absorbierte Pumpstrahlung durch die gegenüberliegende Wand der Flow-Tube aus und wird in Folge ungenutzt in Wärme umgewandelt.

Zur Abhilfe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, vorzugsweise die Außenfläche der Flow-Tube 42 mit einer die Anregungsstrahlung ins Innere der Flow-Tube zurückreflektierenden Beschichtung 42a zu versehen. Diese Beschichtung kann wahlweise eine Verspiegelung, beispielsweise mit Gold oder Aluminium, oder eine Beschichtung mit einem diffus reflektierenden Material, vorzugsweise auf Basis von Titandioxid und/oder Calciumcarbonat und/oder Bariumsulfat oder einem sonstigen, bei der Anregungswellenlänge hochreflektiven und gegen Photolyse unter den Einsatzbedingungen unempfindlichen Material sein. Zur Einkopplung der Pumpstrahlung sind in dieser Beschichtung transparente Bereiche 42b ausgespart, die geometrisch an Abstrahlcharakteristik und Anordnung der Pumpdioden 22 in der Laserlichtquelle angepasst sind.

Durch diese Anordnung ist es möglich, das in das Innere der Flow-Tube 42 eingestrahlte Licht dort zu konzentrieren, Strahlungsverluste zu minimieren und somit den Laserwirkungsgrad zu optimieren. Dies ermöglicht, den geringeren geometrischen Absorptions-Querschnitt bei Verwendung von Festkörper-Lasermedien mit kleinerem Durchmesser zumindest teilweise zu kompensieren und somit kompakte Laserlichtquellen mit hoher Pulsleistung und guter Strahlqualität zu bauen.

Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, die weitgehend der der Fig. 2 und Fig. 3 entspricht, wobei jedoch keine Flow- Tube vorgesehen ist. Dementsprechend umströmt das isolierende Kühlmittel im Kreislauf 4 direkt den Laser-Resonator 1 und die Laserdioden 22.

Zusammenfassend ermöglicht die vorgestellte Anordnung durch die erfindungsgemäße Kombination der Verwendung eines monolithischen Laserresonators 1 in Kombination mit passiv wellenlängenstabilisierten Laser-Pumpdioden 22 und optional der Verwendung einer Energiesammelnden Flow-Tube 42 den Bau von, im Vergleich zu vorbekannten Systemen, überaus kompakten, betriebssicheren und wartungsarmen gepulsten Laserlichtquellen mit hoher Leistung und überdurchschnittlicher Strahlqualität.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Festkörperlaser mit einem monolithisch aufgebauten Resonator (1), bestehend aus einem Lasermedium, an dem ein passiver Q-Switch (12) und mindestens ein Resonatorspiegel direkt angeformt sind, sowie mit mehreren Laserdioden (22), die als Pumpmedium seitlich in den Resonator (1) einstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Resonator (1) an einem Ende in einer ersten Halteplatte (31) gehalten ist und an seinem anderen Ende in einer zweiten Halteplatte (32) gehalten ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Halteplatte (31, 32) mindestens ein Trägerring (21) eingespannt ist, der mehrere Laserdioden (22) trägt, die passiv wellenlängenstabilisiert sind.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (22) durch ein externes Reflexionelement wellenlängenstabilisiert sind.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Reflexionelement als holographisches Gitter ausgebildet ist.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Halteplatte (31, 32) mehrere Trägerringe (21) vorgesehen sind.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Trägerring (21) eine ungerade Anzahl von Laserdioden (22) in gleichmäßigen Abständen angeordnet ist.

6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Trägerring (21) eine Anzahl von mindestens drei Laserdioden (22) in gleichmäßigen Abständen angeordnet ist.

7. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkanäle vorgesehen sind, die sich durch die erste und die zweite Halteplatte (31, 32), sowie durch den mindestens einen Trägerring (21) hindurch erstrecken.

8. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten und in der zweiten Halteplatte (31, 32) ein Hüllrohr (42) eingespannt ist, das den Resonator (1) umgibt und dass zwischen dem Resonator (1) und dem Hüllrohr (42) ein Strömungsraum für ein flüssiges Kühlmedium vorgesehen ist.

9. Festkörperlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (42) reflektiv beschichtet ist, wobei die Verspiegelung im Bereich der Laserdioden (22) Fenster aufweist.

10. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen dem Resonator (1) und den Trägerringen (21) mit einem isolierenden Kühlmedium gefüllt ist.

11. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden (22) auf unterschiedlichen Trägerringen (21) getrennt voneinander ansteuerbar sind.