DE19521943C2 - Festkörperlaservorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaservorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Festkörperlaser, die als laseraktives Medium Kristalle oder Gläser enthalten, gehö­ ren wegen ihres relativ einfachen Aufbaus und der hohen erzielbaren Leistung zu den in der Praxis wichtigsten Lasertypen.

Sie werden mit Lampen verschiedener Gasfüllung und Bauart, Leuchtdioden oder mit Lasern - etwa Halbleiterlasern - gepumpt, wobei die Pumplichtquelle so zu wählen ist, daß der Hauptanteil der emittierten Strahlung im Spektralbereich der Absorptionsbanden des Lasermediums liegt. Aus diesem Grund kann der Einsatz von im nahen Infrarot (NIR) emittierenden, durch entsprechende Dotierung exakt auf die Haupt-Absorptionsbanden abstimmbaren Halbleiterlasern zum Pumpen von YAG(Yttrium-Aluminium-Granat)-Festkörperlasern aus energetischer Sicht sehr effizient sein: Hiermit wird eine Pumplichtausnutzung (ausgedrückt durch die sogenannte "slope efficiency" - vgl. dazu die Ausführungen weiter unten) von 70 bis weit über 90% erreicht. Diese Pumplichtquellen finden daher in den sogenann­ ten DPSS(Diode Pumped Solid-State)-Laseranordnungen zunehmende Verbreitung.

Der zunehmende Einsatz und die künftig zu erwartenden ausgezeichneten Markt­ chancen des miniaturisierten DPSS-YAG-Lasers resultieren auch aus der grundsätz­ lich bestehenden Möglichkeit, damit bei einfachem Aufbau hohe Leistungen im Impulsbetrieb bei hoher Folgefrequenz wie auch im kontinuierlichen Betrieb und ein nahezu ideales Gauß'sches Strahlprofil zu erreichen.

Bei longitudinal gepumpten DPSS-Lasern wird die Pumpstrahlung aus einem Lei­ stungs-Laserdiodenarray kollinear zur optischen Resonatorachse des Festkörperla­ sers durch den hinteren Resonatorspiegel in das aktive Verstärkungsmedium bzw. den Festkörperlaserkristall eingekoppelt.

Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze den Aufbau eines solchen longitudinal gepump­ ten DPSS-Lasers. Die Strahlung P einer (beispielsweise im nahen Infrarot = NIR arbeitenden) Pump-Laserdiode 1 wird über eine (hier aus zwei Bikonvexlinsen 2a, 2b bestehende) Kollimationsoptik 2, die ebenso wie die Laserdiode 1 jenseits des hinteren Resonatorspiegels 3.1 eines Festkörperlasers angeordnet ist, durch diesen hindurch in einen im Emissionsbereich der Laserdiode 1 absorbierenden Festkörper­ laserkristall (Verstärkungs- oder Lasermedium) 4 eingekoppelt. Dieser besteht bei den meisten praktisch eingesetzten DPSS-Anordnungen aus seltenerd-dotiertem YAG (Yttrium-Aluminium-Granat). Die NIR-Pumpstrahlung erzeugt dort eine Fest­ körperlaserstrahlung L, die zwischen dem hinteren Resonatorspiegel 3 und einem vorderen, teildurchlässigen Resonatorspiegel 3.2 mehrfach reflektiert und schließ­ lich durch den letzteren ausgekoppelt wird.

Derartige longitudinal gepumpte DPSS-Laser sind beispielsweise - in verschiedenen Modifikationen des oben beschriebenen Prinzips, speziell hinsichtlich der Einkopp­ lung der Pumpstrahlung - aus EP 0 358 410 A2, DE 41 01 403 A1 oder US 5 022 043 bekannt. Es ist - etwa aus der erstgenannten Druckschrift - auch bekannt, aus der ebenfalls im nahen Infrarot liegenden Festkörperlaserstrahlung durch einen intrakavitär angeordneten Frequenzverdopplerkristall sichtbares Licht zu erzeugen.

Die Transferoptik der Pumplichtquelle(n) ist so auszulegen, daß eine weitgehende Kongruenz zwischen der Pumpmode und der zwischen den Resonatorspiegeln schwingenden transversalen Grundmode (TEM₀₀) des Festkörperlasers erreicht wird.

Mit solchen Anordnungen lassen sich mit geringem Aufwand und niedriger Pump­ leistung hohe Pumpleistungsdichten im laseraktiven Material erzeugen, woraus sich eine niedrige Schwelleistung und ein hoher Gesamtwirkungsgrad ergeben.

Bereits bei geringen Pumpleistungsdichten treten jedoch thermische Effekte auf, insbesondere das sogenannte "thermal lensing", die unkontrollierte Bildung von linsenartig wirkenden Brechzahlgradienten-Bereichen, und ggf. auch die Ausbildung von doppelbrechenden Bereichen im Laserkörper. Diese Effekte können zu einer starken Verschlechterung der Strahlqualität (insbesondere der Geometrie des Strahlquerschnitts) führen und den Einsatzbereich einer vorgegebenen Resonator­ geometrie stark einschränken.

Speziell bei der longitudinal gepumpten Konfiguration wirft auch die Geometrie des Laserdioden-Pumpstrahls, dessen Querschnitt eine Höhe um 1 µm und eine Breite im Bereich von 50 bis 500 µm hat, Probleme auf. Diese Strahlung läßt sich schlecht über größere Abstände in den Festkörperlaserkristall abbilden - was jedoch zur Erzielung einer geringen Pumpstrahldivergenz und damit eines hohen Wirkungs­ grades des Pumplichtes und eines geringen Anteils höherer Moden wünschenswert wäre.

In DE 41 01 403 wird vorgeschlagen, die Pump-Laserdiode sehr nahe am Festkör­ perlaserkristall anzuordnen und diesem einen sehr geringen Querschnitt zu geben, so daß das Pumplicht (mindestens in Richtung einer Achse) zwischen den Begren­ zungsflächen des Festkörperlasermediums mit geringer Strahldivergenz geführt wird. Hierdurch wird jedoch das nutzbare Volumen des aktiven Lasermediums zwangsläufig verkleinert, und die erzielbare Laserleistung ist begrenzt. Zudem zeigen sich im kleinen Wirkvolumen die oben erwähnten thermischen Effekte in aller Deutlichkeit.

Bei US 5 022 043 wird die Pumpstrahlung über ein Lichtleitfaserbündel eingekop­ pelt, bei dem sich verjüngende Fasern mit an den Lichtaustrittsquerschnitt des Pumplasers angepaßtem Lichteintrittsquerschnitt eingesetzt werden.

Dies ist eine aufwendige und kostspielige Lösung, die für breite Anwendungen von DPSS-Lasern nicht in Frage kommt.

Dasselbe gilt für langbrennweitige Kollimationsoptiken, die zudem die Realisierung miniaturisierter Anordnungen erheblich erschweren.

Eine sehr einfache Lösung zur Beeinflussung des Pumpstrahlquerschnitts stellen die herkömmlichen Modenblenden dar - bei ihrem Einsatz geht jedoch unvermeidlich ein Anteil von 20-50% des Pumplichtes verloren, was natürlich den Gesamtwir­ kungsgrad entsprechend verschlechtert bzw. - bei vorgegebener Ausgangsleistung - die Kosten für die Pumplichtquellen erhöht.

Aus US 5 410 559 (vgl. Fig. 3) ist es bekannt, das "thermal lensing" und damit die Strahlqualität über eine jochartig geformte passive Kühlanordnung zu beein­ flussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperlaservorrichtung der eingangs genannten Gattung anzugeben, die eine verbesserte Steuerung der thermischen Bedingungen erlaubt und eine gute Strahlqualität auch im Bereich hoher Leistungen liefert.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, im Festkörperlaserkristall aktiv eine intrinsische "Kollimationsoptik" (speziell eine konkave torische oder annähernde Zylinderlinse) zu erzeugen, die den Pumpstrahlquerschnitt im laseraktiven Medium mit ähnlichem Effekt wie eine passive Kühlung beeinflußt, ohne daß sie deren Nachteile hätte.

Dieser Effekt wird durch gezielte aktive lokale Steuerung der Wärmeableitung über den Umfang des Laserkristalls über aktive lokale Kühlung und/oder Zusatzheizung erreicht, wodurch im Querschnitt des Laserkörpers, d. h. senkrecht zur Strahl­ laufrichtung, ein Brechzahlfeld in Gestalt der gewünschten Optik, d. h. einer toni­ schen bzw. Zylinderlinse mit negativer Brechkraft, aufgebaut wird.

Infolge der Wirkung der genannten Temperatureinstellmittel, durch die sich im Laserkörper im Betriebszustand ein linsenförmiges Brechzahlfeld mit vorbestimmter Geometrie ausbildet, wird eine im Laserkörper beim Pumpen mittels einer Licht­ quelle mit langgestrecktem Strahlquerschnitt spontan und unkontrolliert auf thermi­ schem Wege ausgebildete konvexe torische oder Zylinderlinse derart kompensiert, daß sich resultierend ein im wesentlichen rotationssymmetrisches Brechzahlfeld ausbildet. Dieses führt dann auch zu einem im wesentlichen rotationssymmetri­ schen und Gauß'schen Strahlprofil der im Festkörperlaserstab generierten Laser­ strahlung.

Ein Wärmediffusor bzw. die Kühlung (und/oder die ggf. vorgesehene Steuerhei­ zung) sind in Anpassung an die üblicherweise als Pumplichtquellen eingesetzten Halbleiterlaser mit langgestreckter, annähernd rechteckförmiger Strahlaustritts­ fläche bevorzugt wie folgt ausgebildet: In einer senkrecht zur Längsachse des Laserkristalls liegenden Ebene sind in Umfangsrichtung abwechselnd zwei Ab­ schnitte mit höherem und zwei Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswider­ stand bzw. mit höherer/niedrigerer Umfangstemperatur vorgesehen. Die Abschnitte mit höherem und diejenigen mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand (bzw. mit höherer/niedrigerer Umfangstemperatur) liegen einander jeweils gegenüber, wobei die Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bzw. niedrigerer Tem­ peratur senkrecht zur Richtung der längeren Erstreckung des Pumplichtquerschnitts der Pumplichtquelle angeordnet sind.

Bei den genannten Halbleiterlasern (oder anderen Pumplichtquellen mit nicht rotationssymmetrischem Strahlquerschnitt) bildet sich bei gleichmäßiger Wärme­ abführung über die Umfangsfläche des Laserkristalls ein Isothermenfeld und in dessen Folge ein Brechzahlfeld heraus, das annähernd die Gestalt einer bikonvexen torischen oder Zylinderlinse hat. Die aktive Kühlung/Steuerheizung gegebenenfalls mit dem o. g. Wärmediffusor (Kühlkörper) führt nun zu einer in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Wärmeabführung derart, daß eine gezielte Verformung des Iso­ thermen- und damit Brechzahlfeldes erfolgt.

Insbesondere kann damit einer intrinsischen bikonvexen Zylinderlinse eine - eben­ falls thermische - konkave Zylinderlinse mit gleicher Achsenrichtung oder (alterna­ tiv) eine weitere konvexe Zylinderlinse mit zur "primären" Linse senkrechter Ach­ senorientierung überlagert werden. Bei idealisierter Betrachtung würde sich im ersteren Falle die Brechwirkung einer planparallelen Platte und im letzteren Falle diejenige einer sphärischen Linse ergeben - in der Praxis wird sich in beiden Fällen annähernd die Wirkung einer sphärischen Linse einstellen.

Eine bevorzugte Anordnung zur Wärmeableitung umfaßt mindestens einen metalli­ schen Wärmeleitkörper mit Vorsprüngen und Aussparungen, wobei die Vorsprünge dem Laserkristall zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, so daß sie die Abschnitte mit niedrigerem Wärmeüber­ gangswiderstand bilden, während die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper und somit die Abschnitte mit höherem Wärmeübergangswiderstand bilden.

Hierzu weisen die Vorsprünge jeweils eine dem Laserkörper zugewandte Fläche auf, die zur Umfangsfläche des Laserkörpers korrespondierend geformt ist; speziell bei einem zylindrischen Laserstab haben die Vorsprünge jeweils eine der zylin­ drischen Gestalt des Laserkörpers angepaßte Zylinderabschnittsfläche.

Weiter ist bevorzugt eine insbesondere elektrisch betriebene Kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers in Abständen angeordneten Kühlelementen oder -bereichen vorgesehen oder es kann - in quasi umgekehrter Positionszuordnung zum Laserkristall - eine elektrisch betriebene Steuerheizung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (1) in Abständen angeordneten Heizelementen oder -bereichen vorgesehen sein.

Als eine besonders zweckmäßige und leicht steuerbare Anordnung bietet sich eine elektrisch betriebene, nach dem Peltier-Effekt arbeitende Heiz-kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizbe­ reichen an.

Zur Steuerung ist eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der aktiven Steuerheiz- und/oder Kühlvorrichtung verbunden ist und über die ein vorbestimtes Temperaturprofil senkrecht zur Richtung der Längsachse des Laserkristalls eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.

Zur selbsttätigen Optimierung des Laserstrahlprofils kann eine mit einem Eingang der Verarbeitungseinrichtung verbundene Lichtaufnehmereinheit zur Erfassung des Strahlprofils des erzeugten Laserstrahls als Steuergröße für das Temperaturprofil vorgesehen sein. Hier hat die Verarbeitungseinrichtung natürlich auch die Verarbei­ tung der Strahlprofildaten - konkret als Vergleich mit einem vorgegegeben Sollprofil - zu leisten.

In einem kostengünstig realisierbaren Gesamtaufbau sind mindestens der Laser­ kristall mit dem Resonator und die Anordnung zur Wärmeableitung und/oder die aktive Kühlvorrichtung bzw. Steuerheizung als zusammenhängende, kompakte Baugruppe auf einem Trägerelement aufgebaut. Ein in Bezug auf die mechanische Langzeitstabilität und im Hinblick auf die thermischen Belastungen im Betrieb des Lasers vorteilhafter und aus kommerziell verfügbaren Bauteilen kostengünstig realisierbarer Aufbau zeichnet sich dadurch aus, daß der Laserkörper mit dem Resonator auf einer zweifach kaskadierten Peltierelementanordnung, speziell mit Al₂O₃-Grundplatte als Trägerelement, montiert ist. Die Montage kann - bei ent­ sprechender konstruktiver Gestaltung des Laserkristalls und der optischen Bauteile - durch Auflöten oder wärmeleitfähiges Aufkleben erfolgen.

Die kompakte Baugruppe umfaßt zweckmäßigerweise zugleich einen Temperatur­ fühler zur Erfassung ihrer jeweiligen Betriebstemperatur und ggf. eine mit dessen Ausgang verbundene Regeleinheit (die jedoch auch separat angeordnet sein kann), mit deren Ausgang die oben erwähnte oder auch eine einfach nur der Grund- Temperierung der Baugruppe dienende Kühl- und ggf. auch Steuerheizvorrichtung zur Steuerung des Temperaturprofils der Baugruppe verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzug­ ten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Detailskizze zu einer Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Festkörperlaservorrichtung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze des Aufbaus eines longitudinal gepumpten DPSS-Lasers in Längsschnittdarstellung,

Fig. 3a und 3b Skizzen des Pumpstrahlverlaufes in einem mit einer Laser­ diode mit langgestreckter Lichtaustrittsfläche longitudinal gepumpten DPSS-Laser im Längsschnitt in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen,

Fig. 4a und 4b Skizzen der Querschnittsgestalt des Isothermenfeldes (annä­ hernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung) in einem herkömmlichen DPSS-Laser bzw. einem solchen mit einer Kühlanordnung nach Fig. 1,

Fig. 5a bis 5c schematische Darstellungen zu weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Festkörperlaservorrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Gesamtansicht einer longitudinal gepumpten Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Meß- und Steuer­ schaltung für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung und

Fig. 8 eine (qualitative) grafische Darstellung der Leistungsdyna­ mik- und Strahldivergenzeigenschaften einer erfindungs­ gemäß aufgebauten gegenüber einer herkömmlichen DPSS- Laservorrichtung.

Fig. 1 ist eine Detailskizze des zylindrischen Nd:YAG-Laserstabes 4 einer DPSS- Laservorrichtung in Art der in Fig. 2 gezeigten und oben beschriebenen Grund­ anordnung mit einem metallischen Kühlkörper 5, der aus zwei den Laserstab umschließenden Teilen 5.1 und 5.2 besteht und mit einer (hier nicht gezeigten) aktiven Kühlung und/oder Heizung eingesetzt wird.

Wie in der Figur gut zu erkennen ist, hat der untere Teil 5.1 des Kühlkörpers im Querschnitt annähernd die Gestalt eines auf dem Kopf stehenden "T" und eine konkav ausgearbeitete, nach oben weisende Fläche 5.1a, deren Krümmung derjeni­ gen des Laserstabes 4 angepaßt ist. Auf dieser Fläche liegt der Laserstab in gutem thermischem Kontakt auf. Der obere Teil 5.2 des Kühlkörpers hat eine annähernd M-förmige Querschnittsgestalt und eine konkav ausgearbeitete, nach unten weisen­ de Fläche 5.2a, deren Krümmung ebenfalls derjenigen des Laserstabes angepaßt ist. Mit dieser Fläche liegt das Teil 5.2 in gutem thermischem Kontakt auf dem Laserstab 4 auf. Weiterhin liegt das Teil 5.2 mit den Innenseiten 5.2b und der Basis 5.2c der Schenkel des "M" auf dem Teil 5.1 auf und steht hier auch in gutem thermischem Kontakt mit diesem.

Fig. 3a und 3b zeigen skizzenartig den Pumpstrahlverlauf in einem mit einer Laserdiode 1 mit langgestreckter Lichtaustrittsfläche 1a longitudinal gepumpten DPSS-Laser mit Nd:YAG-Laserstab 4 im Längsschnitt in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen, und zwar Fig. 3a in der Ebene der größeren Längserstreckung der Lichtaustrittsfläche 1a (xy-Ebene) und Fig. 3b in der Ebene der kleineren Längserstreckung (xz-Ebene). Zwei Plankonvexlinsen 2a', 2b' symbolisieren hier die optischen Elemente zur Fokussierung des Pumpstrahls. Die Längsachse bzw. optische Achse A der Anordnung (x-Achse) ist strichpunktiert gezeichnet, die - idealisierten - Strahlbegrenzungslinien sind als dünne Linien gezeichnet. Es ist zu erkennen, daß die Lichtaustrittsfläche 1a der im objektseitigen Brennpunkt der Plankonvexlinse 2a angeordneten Pumpstrahlquelle 1 im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Plankonvexlinse 2b' ein entsprechend langgestrecktes Abbild I im Inneren des Laserstabes 4 hat. In praxi liegt die Strahltaille einige Millimeter vor der hinteren Stirnfläche des Laserstabes und hat Abmessungen von beispielsweise 12 × 125 µm.

Das einfallende und großenteils absorbierte Pumplicht bewirkt eine Erwärmung des Lasermediums, die im Bereich der größten Strahldichte - d. h. in dem dem Abbild I entsprechenden Bereich des Laserstabes - am stärksten ist.

Fig. 4a und 4b sind Skizzen der Querschnittsgestalt des sich demgemäß ergeben­ den Isothermenfeldes IT_a bzw. IT_b (annähernd in der Fokussierungsebene der Pumpstrahlung, mithin der Ebene des Abbildes 1) in einem herkömmlichen DPSS- Laser bzw. einem solchen mit der vorgeschlagenen Kühlanordnung. In der waa­ gerechten Mittenebene des Laserstabes 4 befindet sich jeweils das Abbild I des Lichtaustrittsquerschnitts der Pumpdiode bzw. des Pumplasers, und um dieses herum sind jeweils vier Isothermenlinien skizziert.

In Fig. 4a, d. h. in einem Laserstab ohne Kühlung (bzw. - was in der Figur nicht gezeigt ist - mit einer als rotationssymmetrisch anzusehenden Kühlung), haben diese annähernd die Gestalt relativ flacher Ellipsen. Das räumliche Isothermenfeld hat mithin langgestreckt ellipsoidale oder torusförmige Gestalt. Demgegenüber ist in Fig. 4b, d. h. bei Vorsehen einer Kühlungsanordnung der vorgeschlagenen Art, eine im Ergebnis der in vertikaler Richtung größeren Wärmeableitung als in horizon­ taler Richtung nahezu kreisförmig verformte Gestalt der Isothermen zu erkennen. Das T-Feld im Laserstab ist mithin annäherend rotationssymmetrisch zur Längs­ achse A.

Da das T-Feld aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex ein in etwa gestaltgleiches Brechzahlfeld erzeugt, liegt bei den Verhältnissen gemäß Fig. 4a im Laserstab 4 ein Brechzahlfeld vor, das auf einen in Richtung der Längsachse A verlaufenden Lichtstrahl wie eine torische Linse oder - in grober Näherung - wie eine Zylinderlinse wirkt, während das T-Feld gemäß Fig. 4b die optische Wirkung einer sphärischen Linse ausübt. Achsenversetzte Strahlen erfahren daher im Falle der Fig. 4a eine weit größere und vor allem stärker positionsabhängige Ablenkung als unter den thermischen Verhältnissen der Fig. 4b.

Dies betrifft natürlich auch die im Lasermedium generierten achsenversetzten Laserstrahlen, so daß bei der Anordnung nach Fig. 4b bzw. der vorgeschlagenen Kühlanordnung eine wesentliche verringerte Strahldivergenz und verringerter Astigmatismus der erzeugten Laserstrahlung auftritt und gleichzeitig ein effizienter Laserbetrieb auch noch bei höheren Pumpleistungen möglich ist.

Dies ist in den Kurven der grafischen Darstellung der Fig. 8 qualitativ gezeigt: Die obere durchgezogene Linie verdeutlicht den Verlauf der Strahldivergenz bzw. des Astigmatismus (DIV/AST) - in Abhängigkeit von der Pumpleistung - für eine Laser­ vorrichtung ohne die erfindungsgemäßen Merkmale, die obere gestrichelte Linie den mit der Erfindung erreichten Verlauf. Es ist zu erkennen, daß der Qualitätsgewinn gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung mit der Pumpleistung zunimmt; die meßbaren Divergenzen und resultierenden streng Gauß-förmigen, kreisrunden Strahlprofile sind kaum von denen eines - DPSS-Lasern ansonsten deutlich über­ legenen - HeNe-Lasers unterscheidbar.

Die unteren Kurven (P_OUT) der Fig. 8 zeigen qualitativ die erreichbare Ausgangs­ leistung im Vergleich der erfindungsgemäßen (gestrichelte Linie) mit der herkömm­ lichen Anordnung (durchgezogene Linie). Im Ergebnis der Erfindung ist der Laser mit um bis zu 20 bis 50% höheren Werten der Pumpleistung effizient betreibbar und eine höhere Ausgangsleistung und in der Folge ein erheblicher Kostenvorteil realisierbar.

Den optischen Effekt, der mit der erfindungsgemäßen Anordnung erreicht wird, kann man sich als denjenigen einer intrinsischen thermischen Zylinderlinse vor­ stellen, die bewußt dem stark asymmetrischen (ebenfalls als eine - ungewollte - Zylinderlinse wirkenden) Brechzahlfeld infolge des langgestreckten Pumpstrahlquer­ schnitts überlagert wird. Diese Zylinderlinsen haben in gewissem Umfang selbst­ regelnde Eigenschaften, da sich bei steigender eingetragener Leistung wegen der konstanten Wärmeleitfähigkeit des optischen Materials die Isothermen (und damit die Linien bzw. Flächen gleicher Brechzahl) verdichten und damit die Brennweite verringert wird.

Infolge der in gewissem Maße selbstregelnden Eigenschaften der intrinsischen thermischen Zylinderlinsen können miniaturisierte DPSS-Laser, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, in einem weiten Dynamikbereich effizient und mit guter Strahlqualität betrieben werden.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen in schematischen Darstellungen weitere Ausführungs­ formen der erfindungsgemäßen Festkörperlaservorrichtung, bei denen aktive Kühl- bzw. Heizelemente eingesetzt werden.

Fig. 5a zeigt den zylindrischen Laserstab 4 in einen Kühlkörper 5' eingebettet, der der Einfachheit halber als Körper mit der äußeren Form eines quadratischen Prismas gezeigt ist, das eine hohlzylindrische Ausnehmung 5a' für den Laserstab aufweist. Im oberen und unteren Bereich der Ausnehmung ist jeweils ein flächiges Kühl­ element 5b' und 5c' in den Kühlkörper eingebettet, das in den entsprechenden Bereichen an der Umfangsfläche des eingelegten Laserstabes 4 anliegt und dort im Betrieb eine aktive Kühlwirkung ausübt, die der (passiven) Wärmeableitwirkung des Kühlkörpers überlagert ist.

In Fig. 5b ist als zur Anordnung nach Fig. 5a alternative Möglichkeit der aktiven Steuerung des Wärmeübergangs zwischen Laserstab und Kühlkörper in räumlicher Hinsicht eine Anordnung gezeigt, bei der funktional gewissermaßen komplementär zu aktiven Kühlementen in vertikaler Anordnung aktive flächige Steuerheizelemente 5d' und 5e' in horizontaler Anordnung vorgesehen sind. Die übrigen Elemente entsprechen Fig. 5a und werden hier nicht nochmals genannt.

Fig. 5c schließlich zeigt eine Anordnung, bei der beide Möglichkeiten - aktive Kühlung in der Vertikalen und aktive Steuerheizung in der Horizontalen - mitein­ ander kombiniert, d. h. Kühlelemente 5b', 5c' und Heizelemente 5d' und 5e' in in Umfangsrichtung des Laserstabes alternierender Folge vorgesehen sind. Dies bietet die Möglichkeit, die räumliche Verteilung des Wärmeübergangs aus dem Laserstab und damit die Gestalt des sich in seinem inneren ausbildenden T- und somit auch Brechzahlfeldes (der intrinsischen thermischen "Linse") noch differenzierter zu steuern.

Der Kühlkörper 5' kann in der praktischen Realisierung eine andere Gestalt haben, insbesondere auch verrippt und/oder zur Befestigung auf einem Substrat speziell ausgebildet sein.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer longitudinal gepumpten Festkör­ perlaservorrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung (die optischen Elemen­ te zur Pumpstrahlfokussierung sind in der Figur nicht gezeigt), die gemäß den Grundsätzen der Oberflächenmontagetechnologie (SMD) aufgebaut ist.

Die Anordnung von Pumpdiode bzw. -laser 11, Resonatorspiegeln 13.1 und 13.2 und Laserstab 4 entspricht der in Fig. 2 gezeigten und weiter oben beschriebenen longitudinalen Grundanordnung und der Aufbau des Kühlkörpers 15 - Fig. 1 - die gegenüber diesen Figuren veränderten Bezugsziffern sollen die spezielle Ausbildung der Elemente für die SMD-Technologie zum Ausdruck bringen.

So sind beide Resonatorspiegel 13.1, 13.2 über zweifach abgewinkelte, bei der Montage zur Justierung biegbare Anschlußflächen ("pads" oder "legs") , z. B. 13.2a, 13.2b mit der lokalen Metallisierung 10a eines Trägers 10 verlötet.

Da bei longitudinalen Systemen durch die Kongruenz zwischen Pump- und Laser­ mode eine erzwungene Verstärkungsführung vorliegt, bedarf es bei diesem Laser­ typ grundsätzlich keiner weiteren verstärkungsführenden Elemente. Das Gaußprofil wird direkt gebildet.

Der Träger 10 ist durch eine zweifach kaskadierte Kühlanordnung aus drei Al₂O₃- Trägerplatten 10.1, 10.2 und 10.3 und jeweils ein dazwischenliegendes Array 10.4 bzw. 10.5 aus Peltierelementen gebildet. Eine solche Anordnung ist bei sich ändern­ den Umgebungstemperaturen bzw. veränderlichem Energieeintrag geometrisch hochgradig stabil, da durch die Kaskadierung der Peltier-Anordnungen ein selbst­ tätiger Ausgleich von Temperaturgradienten erreicht wird. Auf der Oberfläche der oberen Platte 10.1 ist ein Temperaturfühler 16 angeordnet, über den die Tempera­ tur der Laservorrichtung abgefühlt und mit dessen Hilfe diese ggf. durch geeignete Ansteuerung der Peltierelemente zusätzlich geregelt werden kann.

Die Anordnung nach Fig. 6 kann in sehr ähnlichem Aufbau auch unter Einbezie­ hung eines Frequenzverdopplerkristalls ausgeführt sein, wobei dieser insbesondere auch mit dem vorderen Resonatorspiegel baulich integriert sein kann.

Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer elektrisch-thermischen Meß- und Steuerschaltung 100 zur Steuerung der Strahlparameter einer Festkörperlaservor­ richtung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung.

Ausgegangen wird von einer Kühlanordnung für den Laserkristall gemäß Fig. 5c mit zwei einzeln ansteuerbaren Peltierelementen 5b' und 5c' oberhalb bzw. un­ terhalb des Laserkristalls 4 und zwei ebenfalls einzeln ansteuerbaren Heizelementen 5d' und 5e' zu beiden Seiten des Laserstabes.

Die Meß- und Steuerschaltung 100 umfaßt eine flächige optische Sensoranordnung in Gestalt einer CCD-Matrix 101, die gegenüber der vorderen lichtaustrittsfläche des Laserstabes 4 angeordnet ist, derart, daß auf ihr beim Betrieb des Lasers ein Bild des Laserstrahls erzeugt wird. Die Anzahl der Bildaufnahmelemente der Matrix wird entsprechend den Qualitätsanforderungen an den Laserstrahl gewählt.

Der Ausgang der CCD-Matrix 101 ist mit dem Eingang einer Vorverarbeitungsein­ heit 102 zur Störbefreiung und Signalpegelanpassung verbunden. Deren Ausgang ist mit einem Eingang einer Vergleichereinheit 103 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Datenausgang eines Musterbildspeichers 104 verbunden ist, in dem mindestens ein vorgegebener Laserstrahlquerschnitt gespeichert ist, der bei der Steuerung bzw. Einstellung der Laservorrichtung zugrundegelegt werden soll. In der Vergleichereinheit 103 wird der reale, von der CCD-Matrix 101 aufgenom­ mene Strahlquerschnitt mit dem Muster-Strahlquerschnitt verglichen und am Ausgang eine das Vergleichsergebnis kennzeichende Signalfolge bereitgestellt. Verarbeitungsbreite und -geschwindigkeit der Einheiten 102 und 103 und die Speicherkapazität des Speichers 104 sind entsprechend der Anzahl der Bildauf­ nahmeelemente der CCD-Matrix 101 gewählt.

Die das Ergebnis des Strahlvergleiches spezifizierenden Signale werden dem Dateneingang einer - beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildeten - mit dem Ausgang der Vergleichereinheit 103 verbundenen Verarbeitungseinheit 105 zugeführt, die weiterhin in üblicher Weise mit einem Datenspeicher (RAM) 106 und einem Programmspeicher (etwa einem EPROM) 107 verbunden ist.

Die Verarbeitungseinheit kann optional - was durch gestrichelte Linien dargestellt ist - auch mit dem Ausgang eines Temperaturfühlers 16 verbunden sein, so daß auch die Temperatur der Laseranordnung in die Steuerung der Anordnung zur gezielten Wärmeabführung aus dem Laserstab eingeht.

In der Verarbeitungseinheit 105 wird unter Abruf eines Programms und von vor­ gespeicherten Daten zur Korrektur des T-Feldes im Laserkristall 1 durch Verände­ rung der Betriebsspannung der Kühlelemente 5b', 5c' und der Heizelemente 5d', 5e' ein Satz von Steuerdaten für die Spannungsversorgung der einzelnen Peltier­ elemente errechnet, der schließlich einer (mehrkanaligen) Spannungsversorgungs­ einheit 108 für die Kühl- und die Heizelemente zugeführt wird und eine entspre­ chende Einstellung der Betriebsspannungen und damit der Kühl- bzw. Heizleistun­ gen der Elemente bewirkt. Dies führt zu einer räumlich differenzierten Wärmeabfuhr über die Umfangsfläche des Laserstabes 4 und damit zu einer Einstellung der Gestalt des T-Feldes in diesem, mit der die gewünschten Laserstrahlparameter erzielt werden. Hierbei muß die Gestalt des T-Feldes (und damit des Brechzahlfel­ des) im Laserstab gar nicht erfaßt werden, da die Einstellung anhand der sich ergebenden Strahlform erfolgt. Die Einstellung der Spannungsversorgungseinheit kann nach Beendigung des Einstellvorganges verriegelt werden; eine Neueinstellung ist dann allenfalls erforderlich, wenn späterhin eine Verschlechterung der Strahlqua­ lität festgestellt werden sollte.

Das Verarbeitungsprogramm für die gemessenen Strahldaten kann bei der be­ schriebenen Anordnung ein iteratives Programm sein, wobei während der Ein­ stellung laufend die veränderten Strahlparamater erfaßt werden und einem näch­ sten Iterationsschritt zugrundegelegt werden können. Besonders vorteilhaft kann hier ein Fuzzy-Logic-Algorithmus angewendet werden.

Zur Darstellung der erfaßten Daten und Verarbeitungsergebnisse für einen Bediener und zur Beeinflussung des Verarbeitungsprozesses sind die genannten Komponen­ ten weiterhin jeweils mit einer Anzeige- und Eingabeeinheit 109 - etwa Bildschirm und Tastatur eines herkömmlichen PC - verbunden.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend ange­ gebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (15)

1. Festkörperlaservorrichtung mit einem im wesentlichen stab- oder plattenför­ migen Laserkörper (4) mit einer Längsachse (A) aus einem laseraktiven Medium, einem achsparallel zur Längsachse angeordneten Resonator (3.1, 3.2; 13.1, 13.2) und einer im wesentlichen in Richtung der Längsachse einstrahlenden Pumplichtquelle (1), die eine langgestreckte Strahlaustritts­ fläche aufweist, zur Anregung des laseraktiven Mediums, wobei an der Umfangsfläche des Laserkörpers (4) Temperatureinstellmittel (5.1, 5.2; 5b', 5c', 5d', 5e') zur Einstellung eines vorbestimmten Temperaturfeldes (IT_b) senkrecht zur Richtung der Längsachse (A) im Betriebszustand der Fest­ körperlaservorrichtung derart vorgesehen sind, daß das sich im gepumpten Laserkörper (4) ausbildende resultierende Brechzahlfeld im wesentlichen die Gestalt einer sphärischen Linse mit einer zur Längsachse (A) parallelen optischen Austrittsstrahlebene aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinstellmittel eine aktive Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (5b', 5c', 5d', 5e'; 108) umfassen, die in einer senkrecht zur Längsachse (A) des Laserkörpers (4) liegenden Ebene in Umfangsrichtung je zwei alternierend aufeinanderfolgende Abschnitte mit höherer und mit niedrigerer Umfangs­ temperatur erzeugt, wobei die Abschnitte mit höherer und diejenigen mit niedrigerer Umfangstemperatur einander jeweils gegenüberliegen und die Abschnitte mit niedrigerer Umfangstemperatur senkrecht zur Richtung der längeren Erstreckung der Lichtaustrittsfläche (1a) der Pumplichtquelle (1) angeordnet sind.

2. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinstellmittel eine Anordnung (5) zur Wärmeableitung vom Laserkörper an die Umgebung umfassen, die in einer senkrecht zur Längs­ achse (A) des Laserkörpers liegenden Ebene in Umfangsrichtung abwech­ selnd zwei Abschnitte mit höherem und zwei Abschnitte (5.1a, 5.2a) mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand aufweist, wobei die Abschnitte mit höherem und diejenigen mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand ein­ ander jeweils gegenüberliegen und die Abschnitte mit niedrigerem Wärme­ übergangswiderstand senkrecht zur Richtung der längeren Erstreckung der Strahlaustrittsfläche (1a) der Pumplichtquelle (1) angeordnet sind.

3. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Wärmeableitung mindestens einen metallischen Wärme­ leitkörper (5) mit Vorsprüngen und Rücksprüngen umfaßt, wobei die Vor­ sprünge dem Laserkörper (4) zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, so daß sie die Abschnitte mit niedrigerem Wärmeübergangswiderstand bilden, während die Rücksprünge jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper (4) und somit die Abschnitte mit höherem Wärmeübergangs­ widerstand bilden.

4. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge jeweils eine dem Laserkörper (4) zugewandte Fläche (5.1a, 5.2a) aufweisen, die zur Umfangsfläche des Laserkörpers korrespondierend geformt ist.

5. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (4) als zylindrischer Stab ausgebildet ist und die Vorsprünge entsprechende Zylinderabschnittsflächen (5.1a, 5.2a) aufweisen.

6. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive, insbesondere elektrisch betriebene, Kühl­ vorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (4) in Abständen angeordeten Kühlelementen oder -bereichen (5b', 5c') vorgesehen ist.

7. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine, insbesondere elektrisch betriebene, Heizvor­ richtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers (4) in Abständen an­ geordneten Heizelementen oder -bereichen (5d', 5e') vorgesehen ist.

8. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch betriebene, insbesondere nach dem Peltier-Effekt arbeitende, Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Umfangsrichtung des Laserkörpers abwechselnd angeordneten Kühl- und Heizbereichen vorgese­ hen ist.

9. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (4) ein Miniatur-Laserkristall aus Nd- oder Yb-dotiertem YAG ist.

10. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein longitudinal zum Laserkörper einstrahlender Halbleiterlaser (1) oder eine Halbleiterdiode als Pumplicht­ quelle vorgesehen ist.

11. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Laserkörper (4) mit dem Resonator (13.1, 13.2) und der Anordnung zur Wärmeableitung (15) und der aktiven Heiz- und/oder Kühlvorrichtung als zusammenhängende kompakte Baugrup­ pe auf einem Trägerelement (10) aufgebaut ist.

12. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (4) mit dem Resonator (13.1, 13.2) auf einer zweifach kaskadierten Peltierelementanordnung (10), insbesondere mit Al₂O₃-Grund­ platte (10.1), als Trägerelement montiert, insbesondere aufgelötet oder wärmeleitfähig aufgeklebt, ist.

13. Festkörperlaservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitungseinrichtung (105) vorgese­ hen ist, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (5b', 5c', 5d', 5e') verbunden ist und über die ein vor­ bestimmtes Temperaturprofil senkrecht zur Richtung der Längsachse (A) des Laserkörpers (4) eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.

14. Festkörperlaservorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem Eingang der Verarbeitungseinrichtung (105) verbundene Lichtaufnehmereinheit (101) zur Erfassung des Strahlprofils des im Laserkör­ per (4) erzeugten Laserstrahls als Steuergröße für das Temperaturprofil vorgesehen ist.

15. Festkörperlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kompakte Baugruppe einen Temperaturfühler (16) zur Erfassung der Temperatur, eine mit dessen Ausgang verbundene Regel­ einheit (105) und eine mit deren Ausgang verbundene Heiz- und/oder Kühleinrichtung (5b', 5c', 5d', 5e') zur Aufrechterhaltung des Temperatur­ profils aufweist.