DE3745125C2 - Kompakt aufgebauter Festkörperlaser - Google Patents

Kompakt aufgebauter Festkörperlaser

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Description

Die Erfindung betrifft kompakte Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der älteren DE 36 14 401 A1 ist ein Festkörperlaser beschrieben, welcher einen Laserstab aufweist, der endseitig durch eine eingebaute Laserdiode gepumpt wird. Das Pumpvolumen der Laserdiode ist an den Laserstab angepaßt, um den Pumpwirkungsgrad zu optimieren. Der Laserresonator ist so ausgebildet, daß innerhalb des Resonators eine Strahltaille bereitgestellt wird, an der ein Frequenzverdopplerkristall angeordnet werden kann. Jeder Laser ist so ausgelegt, daß er eine bestimmte Ausgangsfrequenz erzeugt, welche von dem Material des Laserstabs und der Gegenwart oder der Abwesenheit des Verdopplerkristalls abhängt.
Eine entsprechende Anordnung ist aus der älteren DE 36 43 648 A1 bekannt, bei der das Pumpvolumen im wesentlichen das gleiche sein soll wie das Laservolumen.
Für eine größtmögliche Anwendungsbreite und einfachsten Gebrauch ist es jedoch erwünscht, einen Laser mit der höchstmöglichen Packungsdichte und mit untereinander austauschbaren Komponenten zu erhalten, so daß mehrere unterschiedliche Ausgangscharakteristiken von demselben Lasersystem erhalten werden könnten.
In der US 4 383 318 ist ein Laserpumpsystem beschrieben, in welchem optische Fasern in einer zusammengeführten Anordnung die Energie eines Feldes von LED's oder Diodenlasern auf Punkte entlang der Längserstreckung eines Laserstabs konzentrieren.
Die US 4 035 742 beschreibt eine Vorrichtung zum optischen Pumpen von Festkörperlasern mit einem Wellenleiter zwischen der Pumpquelle und dem Laserstab, der in einem Winkel zur Oberfläche des Stabs angeordnet ist, welcher von dem Brechungsindex des Wellenleiters festgelegt wird.
Aus der US 3 982 201 ist ein endseitig gepumpter Festkörperlaser bekannt, in welchem ein Feld von Diodenlasern in einer solchen Rate und mit einem solchen Schaltverhältnis gepulst wird, daß kontinuierlicher (cw-) Betrieb erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser mit einem kompakten Laserkopf bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Laserkopfes ist so klein wie möglich ausgebildet und sämtliche darin enthaltenen Komponenten sind kompakt aufgebaut. Die Komponenten sind erfindungsgemäß so angeordnet, daß sie an das Pumpvolumen der Laserdiodenpumpquelle angepaßt sind, welches inbesondere über eine Faseroptik an den Laserkopf übertragen und in den Laserstab ins Laservolumen des Stabs abgebildet wird. Durch geeignete Lage und Geometrie der den Laserresonator ausbildenden optischen Elemente kann ein gewünschtes Strahlprofil in dem Resonator erzeugt werden, wodurch gemäß der Erfindung ein TEM00-Ausgangssignal bereitgestellt wird. Ein Frequenzverdopplerkristall kann ebenfalls in dem Laserkopf in dem optischen Resonator, vorzugsweise in einer Strahltaille, angeordnet werden, um ein frequenzverdoppeltes Ausgangssignal bereitzustellen. Jeder Kopf kann zur Erzeugung bestimmter Ausgangscharakteristiken ausgelegt werden. Daher wird ein äußerst vielseitiges System bereitgestellt, bei welchem nur die Laserköpfe ausgetauscht werden. Die geringen Abmessungen des Laserkopfes und die Möglichkeit, den Laserkopf in einer Entfernung von der Energiequelle zu betreiben, sind äußerst vorteilhaft für eine Vielzahl von Anwendungen. Darüber hinaus kann die Laserdiode, wenn nötig, ausgetauscht werden, ohne daß eine Justierung oder neue Anpassung der Komponenten des Laserkopfes erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines kompakten Schnellanschluß-Laserkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Kugel- und Röhrenhalterung, welche einen Verdopplerkristall in dem Laserkopf hält, und
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Lasersystems mit einem über eine Faseroptik mit einer Energiequelle verbundenen Laserkopf.
In Fig. 1 ist ein kompakter Schnellanschluß-Laserkopf 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Laserkopf 10 weist ein hohles Gehäuse 12 auf, welches vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch oder röhrenförmig ausgebildet ist und typischerweise aus Edelstahl hergestellt ist. An einem Ende des Gehäuses 12 befindet sich eine Endkappe 14, typischerweise aus Plastik, beispielsweise aus teflongetränktem Delrin, und die Kappe ist aufgeschraubt auf das Gehäuse 12 oder sonstwie daran befestigt. Ein Spiegel 16 ist am Ende des Gehäuses 12 innerhalb der Endkappe 14 angebracht. Der Spiegel 16 weist vorzugsweise eine konkave innere Oberfläche und eine im wesentlichen ebene äußere Oberfläche auf. Der Spiegel 16 bildet einen Teil des optischen Laserresonators und ist das Ausgangskoppelglied für den Laserresonator. Der Spiegel 16 ist in einer Kugelhalterung 18 gehaltert, welche drehbar in der Endkappe 14 zwischen einer abgeschrägten Kante 20 des Gehäuses 12 und einer abgeschrägten Kante 22 der Endkappe 14 angebracht ist. Die Kugelhalterung 18 weist ein Hohlrohr 24 auf, welches sich von der Kugelhalterung 18 ins Innere des Gehäuses 12 erstreckt. Justierschrauben 26 erstrecken sich durch das Gehäuse 12 und berühren das Rohr 24, so daß die Winkellage der Kugelhalterung 18 eingestellt werden kann; typischerweise sind drei oder vier Justierschrauben 26 beabstandet um den Außendurchmesser des Gehäuses vorgesehen.
In der Nähe des gegenüberliegenden Endes des Gehäuses 12 ist ein Festkörperlaserstab 28 angebracht, welcher in einem Träger oder einer Halterung 30 gehalten wird, welche in das Gehäuse 12 eingepaßt ist; der Stab 28 kann in seiner Lage mittels einer Justierschraube (nicht dargestellt) gehalten werden, welche eine mechanische Spannung auf den Stab ausübt, um das Ausgangssignal zu polarisieren. Alternativ hierzu kann der Laserstab 28 in einer Kugelhalterung aufgenommen sein, um eine Winkellage einzustellen. Die Halterung 30 hält ebenfalls eine Kugellinse oder Fokussierkugel 32 im Abstand zum Laserstab 28; die Linse 32 kann durch einen Kleber in ihrer Lage gehalten werden. Die Kugellinse 32 ist gegen eine abgeschrägte Kante 34 im Endabschnitt 36 der Halterung 30 gehaltert; der Endabschnitt 36 ist weiter als der Abschnitt der Halterung 30, welcher den Laserstab 28 hält. Am Ende des Gehäuses 12 ist eine Endkappe 38 angeordnet und enthält den, Endabschnitt 36 der Halterung 30. Die Endkappe 38 ist typischerweise aus teflonimprägniertem Delrin hergestellt. Die Endkappe 38 weist ebenfalls eine Kupplungsvorrichtung 40 auf, welche eine Verbindung einer Faseroptik 42 zum Laserkopf 10 ermöglicht. Die Kupplungsvorrichtung 40 ist vorzugsweise ein standardisierter Faseroptikverbinder entweder vom Bajonett- oder SMA (aufschraubbar)-Typ, beispielsweise Amphenol 905 und 906-Serienverbinder der Allied Corporation, oder irgendeine andere Kupplungsvorrichtung, welche für eine Ausrichtung der Faser und ein schnelles Anschließen und Trennen sorgt. Die Kupplungsvorrichtung 40 hält die Faseroptik 42, so daß deren Ende 44 sich nahe bei der Kugellinse 32 befindet. Der Laserstab 28, die Kugellinse 32 und das Ende der Faseroptik 42 sind so angeordnet, daß das Ausgangssignal der Faseroptik 42 auf den Laserstab 28 abgebildet wird, um ein wirksames longitudinales endseitiges Pumpen des Laserstabs 28 zu bewerkstelligen. Die Kupplungsvorrichtung 40 sorgt für eine richtige Justierung der Faser 42, die jedesmal nach Verbindung der Faser mit dem Laserkopf verläßlich ist.
Ein Frequenzverdopplerkristall 46 kann ebenfalls in dem Gehäuse 12 angebracht sein, um ein frequenzverdoppeltes Ausgangssignal bereitzustellen. Der Verdopplerkristall 46 ist in einer Kugelhalterung 48 montiert, welche sich gegen eine abgeschrägte Kante 50 im Inneren des Gehäuses 12 durch einen Kugelhaltering 52 abstützt, welcher mittels einer Feder 54 federbeaufschlagt ist, die durch einen Federhalter 56 gehalten wird, der im Gehäuse 12 angebracht ist.
Die Kugelhalterung 48 ist mit einem sich hiervon in Längsrichtung des Gehäuses 12 erstreckenden hohlen Rohr 58 versehen. Justierschrauben 60 erstrecken sich durch das Gehäuse 12 und berühren das Rohr 58, so daß die Winkellage der Kugelhalterung 48 eingestellt werden kann; typischerweise werden drei oder vier Justierschrauben 60 verwendet.
In Übereinstimmung mit den in der DE 36 14 401 A1 beschriebenen Grundlagen und der erfindungsgemäßen kompakten Anordnung wird ein äußerst kurzer optischer Resonator bereitgestellt. Der optische Resonator wird bestimmt durch die Oberfläche 62 des Spiegels 16 und die Oberfläche 64 des Laserstabs 28. Die Oberfläche 64 läßt Pumpstrahlung durch, reflektiert jedoch das Laserausgangssignal des Laserstabs 28 und die frequenzverdoppelte Strahlung in solchen Fällen, in denen der Verdopplerkristall 46 verwendet wird. Durch geeignete Auswahl der Krümmung der optischen Oberflächen und der Entfernungen zwischen den optischen Oberflächen wird das Strahlprofil innerhalb des Resonators eingestellt. Insbesondere wird innerhalb des Resonators eine Strahltaille ausgebildet, welche die optimale Lage zur Anordnung des Verdopplerkristalls 46 bereitstellt. Durch Modenanpassung des Strahlprofils an die Resonatorabmessungen kann ein Betrieb in einer einzelnen transversalen Mode, dem TEM00-Betrieb, erreicht werden.
Die optischen Elemente 16, 28 und 46 befinden sich im Gehäuse 12 in den für eine bestimmte Resonatorauslegung erforderlichen Lagen. Die Elemente sind entlang der Bohrung des Gehäuses 12 zentriert. Um eine Anfangsjustierung der optischen Elemente 16 und 46 bereitzustellen, werden die Kugelhalterungen 18 bzw. 48 gedreht. Die Winkeleinstellung des Verdopplerkristalls 46 in der Kugelhalterung 48 ist in Fig. 2 erläutert. Der Kristall 46 ist in einem Kanal durch eine Kugelhalterung 48 gehalten. Die Kugelhalterung 48 ist typischerweise aus teflongetränktem Aluminium hergestellt und ist drehbar zwischen einer abgeschrägten Kante 50 des Gehäuses 12 und einem Haltering 52 gehalten. Ein Rohr 58 springt von der Kugelhalterung 48 in die Bohrung des Gehäuses 12 vor. Mehrere Justierschrauben 60, typischerweise drei oder vier, erstrecken sich durch das Gehäuse 12 und berühren das Rohr 58. Durch Justierung der Justierschrauben 60 kann das Rohr 58 in unterschiedlichen Lagen ausgerichtet werden, wie dargestellt, wodurch die befestigte Kugelhalterung 48 gedreht und die Orientierung des Kristalls 46 geändert wird. Derartige Kugelhalterungen bieten einen sehr kompakten Aufbau und einfache Justierung; eine Kugelhalterung kann ebenfalls für den Laserstab verwendet werden.
Eine Ansicht des gesamten Lasersystems 66 ist in Fig. 3 dargestellt, in welcher der Laserkopf 10 über eine Faseroptik 42 mit einer Energiequelle 68 verbunden ist. Die Energiequelle 68 enthält eine Laserdiodenpumpquelle, die geeignet zum Pumpen des Festkörperlaserstabs im Laserkopf 10 ausgebildet ist. Die Pumpstrahlung wird von der Energiequelle 68 über eine Faseroptik 42 an der Laserkopf 10 übertragen. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird die über die Faseroptik 42 übertragene Pumpstrahlung mittels der Kugellinse 32 auf die Endfläche 64 des Laserstabs 28 abgebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die von der Faser abgebildete Größe an die Modengröße in dem Laserstab angepaßt. Die Bildgröße von der Faser wird durch den Faserdurchmesser und die Divergenz des Lichts von der Faser bestimmt. Die Entfernungen von der Kugellinse zur Faser und zum Laserstab bestimmen das Abbildungsverhältnis. Bevorzugt wird eine Kugellinse (Fokussierkugel) aufgrund ihrer einfachen Zentrierbarkeit im Gehäuse 12 und der Abwesenheit von Justierproblemen verwendet. Das Laservolumen in dem Stab ist durch die Resonatoranordnung festgelegt, also die Länge des Resonators und die Krümmung des Ausgangskoppelspiegels und der vorderen Oberfläche des Laserstabs. Daher kann für jede gewünschte Resonatoranordnung die Pumpstrahlung von der Faseroptik in das gewünschte Laservolumen des Stabs zur Erzielung einer maximalen Wirksamkeit abgebildet werden. Die Verwendung einer Faseroptikkupplung gestattet einen sehr kompakten Aufbau des Laserkopfes, der nur die optischen Elemente enthält, während sämtliche elektronischen und sonstigen Elemente, einschließlich der Pumpquelle, in einer getrennten, stationären Energiequelle angeordnet werden können. Da die Faseroptik recht lang sein kann, bietet diese Anordnung des Systems eine große Vielseitigkeit bei der Verwendung des Lasers und gestattet eine äußerst gute Transportierbarkeit des Laserkopfes. Infolge der Schnellanschlußmöglichkeit können unterschiedliche Laserköpfe einfach ausgetauscht werden. Daher können mehrere unterschiedliche Laserköpfe, die unterschiedliche Ausgangssignaleigenschaften aufweisen, verwendet werden, wodurch einem Benutzer die wesentlichen Vorteile unterschiedlicher Systeme geboten werden, jedoch ohne die Kosten und die Redundanz insgesamt getrennter Systeme, da nur jeweils ein neuer Laserkopf für dieselbe Energiequelle erforderlich ist, um ein völlig neues System zu erhalten. Da der Laserkopf nur die optischen Komponenten enthält, wird die Verfügbarkeit unterschiedlicher Ausgangssignale relativ kostengünstig. Darüber hinaus sind Stillstandszeiten im Falle des Versagens eines Laserkopfes verringert, da auf einfache Weise ein Austauschkopf verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Ankupplung mittels Abbildung der Faseroptik zum Pumpen des Stabs liegt darin, daß im Falle eines erforderlichen Austausches der Pumpquelle die Laserdioden einfach ausgetauscht und den Fasern angepaßt werden können, ohne daß der Laserkopf neu justiert werden müßte, da die Abbildung der Faser in den Stab hiervon nicht betroffen wird.
Als Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine bevorzugte Anordnung eines Laserkopfes etwa 8,4 cm lang und weist einen Durchmesser von etwa 1,0 cm auf. Der Laserstab ist ein Nd : YAG-Kristall mit einer Länge von etwa 5 mm und einem Durchmesser von 3 mm. Der Durchmesser der Kugellinse beträgt 5 mm; zwischen dem Ende der Faser und der Kugellinse ist ein freier Raum von etwa 1,8 mm und zwischen der Linse und dem Ende des Laserstabs ein freier Raum von etwa 3 mm. Der Verdopplerkristall ist ein KTP-Kristall mit Maßen von etwa 5 mm × 3 mm × 3 mm; der Verdopplerkristall ist 2,2 cm von dem Laserstab und 3,1 cm von dem Ausgangskoppelspiegel entfernt. Zahlreiche unterschiedliche Faseroptiken können verwendet werden; je kleiner die Faser ist, desto höher ist die Lichtausbeute, jedoch steigt dann auch die Schwierigkeit bei der Justierung. Eine Faser mit 200 µm Durchmesser, beispielsweise NRC FC-PC, eine Faser mit 125 µm Durchmesser, beispielsweise Corning 1504, und eine Faser mit 100 µm Durchmesser, beispielsweise NRC FC-MLD, die sämtlich von der Newport Research Corporation, Fountain Valley, California, USA, erhältlich sind, können verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Faser mit einem Durchmesser von 200 µm verwendet mit einer 1 : 1-Abbildung zur Erzeugung eines Modenvolumens von 200 µm, und es wird reiner TEM00-Mode erreicht. Die Merkmale der Erfindung können zur Ausbildung sogar noch kleinerer Laserköpfe angewendet werden, bis herunter zu 4 cm Länge und 7 mm Durchmesser. Laserstäbe mit Längen von etwa 1 mm und Verdopplerkristalle mit Längen von etwa 2 mm können verwendet werden.

Claims (5)

1. Kompakt aufgebauter Festkörperlaser mit einem hohlen Gehäuse (12), einem in dem Gehäuse angebrachten Laserstab (28), einem in dem Gehäuse (12) angebrachten Ausgangskopplungsspiegel (16) und einem rückwärtigen Spiegel, wobei der Laserstab (28), der Ausgangskopplungsspiegel (16) und der rückwärtige Spiegel einen Laserresonator bilden und mit einer in dem Gehäuse (12) angebrachten Abbildungsvorrichtung (32) zum longitudinalen endseitigen Pumpen des Laserstabs (28) durch die Abbildung des von einer Laserdiode emittierten Pumplichts in den Laserstab (28), dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator an das aktive Volumen modenangepaßt ist, um im wesentlichen ein Ausgangssignal im TEM00-Mode zu erzeugen.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin in dem Gehäuse (12) ein in dem Laserresonator angebrachter Frequenzverdopplerkristall (46) vorgesehen ist.
3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator ein Strahlprofil mit einer Strahltaille erzeugt und der Frequenzverdoppler in der Strahltaille angeordnet ist.
4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsvorrichtung eine fokussierende Kugel (32) ist.
5. Laser nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab ein Nd : YAG-Kristall ist und der Laserkopf eine Länge von 4-8 cm und einen Durchmesser von 0,7-1 cm aufweist.
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