DE3745125C2 - Kompakt aufgebauter Festkörperlaser - Google Patents
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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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