DE19510713A1 - Solid state laser device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaservorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a solid-state laser device the type specified in the preamble of claim 1.
Festkörperlaser, die als laseraktives Medium Kristalle oder Gläser enthalten, gehören wegen ihres relativ einfa chen Aufbaus und der hohen erzielbaren Impulsleistung zu den in der Praxis wichtigsten Lasertypen.Solid-state lasers, which act as crystals as a laser-active medium or contain glasses, because of their relatively simple Chen construction and the high achievable pulse power the most important laser types in practice.
Sie werden mit Lampen verschiedener Gasfüllung und Bauart, Leuchtdioden oder mit Lasern - etwa Halbleiterlasern - ge pumpt, 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) emit tierenden, 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 un ten) von 70 bis weit über 90% erreicht. Diese Pumplicht quellen finden daher in den sogenannten DPSS (Diode Pumped Solid-State)-Laseranordnungen zunehmende Verbreitung.They come with lamps of different gas filling and construction, LEDs or with lasers - such as semiconductor lasers - ge pumps, the pumping light source being selected so that the Most of the radiation emitted in the spectral range the absorption bands of the laser medium. For this Reason can be the use of near infrared (NIR) emit appropriate, by appropriate doping exactly on the Main absorption bands tunable, semiconductor lasers for Pumping YAG (yttrium aluminum garnet solid state lasers be very efficient from an energy perspective. Hereby will a pump light exploitation (expressed by the so-called "slope efficiency" - cf. the explanations continue un ten) from 70 to well over 90%. This pump light sources are therefore found in the so-called DPSS (Diode Pumped Solid-state) laser arrays are becoming increasingly common.
Der zunehmende Einsatz und die künftig zu erwartenden aus gezeichneten Marktchancen des miniaturisierten DPSS-YAG- Lasers resultieren auch aus der Möglichkeit, damit bei einfachem Aufbau hohe Leistungen im Impulsbetrieb bei ho her Folgefrequenz wie auch im kontinuierlichen Betrieb und ein nahezu ideal Gauß′sches Strahlprofil zu erreichen.The increasing use and expected in the future market opportunities of the miniaturized DPSS-YAG Lasers also result from the possibility of using it simple construction high performance in impulse mode at ho forth repetition frequency as well as in continuous operation and to achieve an almost ideal Gaussian beam profile.
Hier tritt jedoch mit dem sogenannten "thermal lensing", der unkontrollierten Bildung von linsenartig wirkender Brechzahlgradienten-Bereichen und ggfs. (bei infolge hoher volumenspezifischer Pumpleistung) auch von doppelbrechen den Bereichen im Laserkörper ein ernstes Problem auf, das zu einer unkontrollierten Brechung des Laserstrahls und damit zu einer starken Verschlechterung der Strahlqualität führt.Here, however, occurs with the so-called "thermal lensing", the uncontrolled formation of lenticular Refractive index gradient ranges and, if necessary (due to high volume-specific pumping capacity) also of double breaking areas in the laser body a serious problem that to an uncontrolled refraction of the laser beam and thus a severe deterioration in the beam quality leads.
Die Auswirkungen des "thermal lensing" sind insbesondere im Zusammenhang mit einer Frequenzvervielfachung (speziell -verdopplung) der erzeugten Laserstrahlung durch nichtli neare Effekte nicht hinnehmbar, weil die Frequenzverdopp lungseffizienz und damit die erzielbare Ausgangsleistung mit abnehmender Strahlqualität bei der gewünschten Endfre quenz stark absinkt.The effects of thermal lensing are particular in connection with frequency multiplication (specifically doubling) of the laser radiation generated by non-li neare unacceptable effects because of the frequency doubling efficiency and thus the achievable output power with decreasing beam quality at the desired end frequency quenz drops sharply.
Es wurde versucht, durch Einsatz von Laserkristallen mit trapezförmiger Längsschnittgestalt (sogenannter Slab- Geometrie), bei denen der Strahl nicht geradlinig längs einer Kristall-Längsachse, sondern nach Eintritt in den Kristall unter dem Brewster-Winkel zickzackartig in einer Ebene zwischen zwei gegenüberliegenden Umfangsflächen ver läuft, den störenden Einfluß des "thermal lensing" zu kom pensieren. Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips ist in EP 0 301 526 B1 beschrieben, wonach sich der Strahl im Kristall schraubenartig unter jeweils sequentieller Refle xion an allen Umfangsflächen ausbreitet. Die Bearbeitung der Kristalle ist hierbei jedoch sehr aufwendig, der Kompensationseffekt hat sich als unbefriedigend erwiesen und die Laserschwelle erhöht sich merklich.It was tried using laser crystals trapezoidal longitudinal section (so-called slab Geometry) where the beam is not straight along a crystal longitudinal axis, but after entering the Crystal zigzag in one at the Brewster angle Ver ver level between two opposite peripheral surfaces runs to the disturbing influence of the "thermal lensing" retire. A further development of this principle is in EP 0 301 526 B1 describes, according to which the beam in the Crystal screw-like under sequential refle xion spreads on all peripheral surfaces. The editing However, the crystals are very expensive The compensation effect has proven to be unsatisfactory and the laser threshold increases noticeably.
In der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Az. P 44 02 688.4 hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen, bei einem transversal gepumpten DPSS-Laser das Pumplicht in Richtung der Längsachse eines stabförmi gen Laserkristalls in seiner Intensität zu modulieren, wo durch abwechselnd angeordnete Bereiche mit hoher und mit niedriger Energiedichte im Kristall erzeugt werden sollen. Dieses Vorgehen ist bei front-end-gepumpten Anordnungen nicht durchführbar und erfordert zur zuverlässigen Reali sierung über längere Betriebsdauer (während derer mit Pa rameteränderungen oder auch Ausfällen von Pumplichtquellen gerechnet werden muß) eine aufwendige Ansteuer- und Kon trollelektronik.In the unpublished German patent application Az. P 44 02 688.4 has the inventor of the present application proposed for a transversely pumped DPSS laser the pump light in the direction of the longitudinal axis of a rod-shaped to modulate the intensity of the laser crystal where through alternately arranged areas with high and with low energy density to be generated in the crystal. This procedure is with front-end pumped arrangements not feasible and requires reliable reali over a longer period of operation (during which Pa Parameter changes or failures of pump light sources must be expected) a complex control and con troll electronics.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fest körperlaservorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der eine vereinfachte und flexibel auf ver schiedene Vorrichtungs-Konfigurationen anpaßbare Unter drückung des unkontrollierten "thermal lensing" erreicht wird.The invention is therefore based on the object of a fixed Body laser device of the type mentioned at the beginning create with which a simplified and flexible on ver Different Device Configurations Customizable Sub pressure of uncontrolled "thermal lensing" reached becomes.
Diese Aufgabe wird durch eine Festkörperlaservorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by a solid state laser device solved with the features of claim 1.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, durch gezielte lokale Steuerung einer effizienten Wärmeableitung aus dem Lasermedium und/oder lokale Kühlung und/oder Zusatzheizung im Laserkörper (Stab bzw. Platte) in Längsrichtung, d. h. in Strahllaufrichtung, abwechselnd Bereiche mit höherer und mit niedrigerer Temperatur zu erzeugen. Dadurch werden in dem Material alternierend Brechzahlgradienten mit un terschiedlichem Vorzeichen aufgebaut. Nach deren Durchlau fen weist die Strahlform eines sich in Längsrichtung des Kristalls ausbreitenden Strahls gegenüber der Strahlform eines Strahls, wie er ohne thermische Effekte im Material vorläge, keine wesentlichen Unterschiede auf, weil die "lensing"-bedingten Strahlablenkungen bzw. -verformungen an den einzelnen Brechzahlgradienten sich über die Gesamt länge des Laserkörpers im wesentlichen aufheben.The invention includes the idea through targeted local control of efficient heat dissipation from the Laser medium and / or local cooling and / or additional heating in the laser body (rod or plate) in the longitudinal direction, d. H. in the direction of the beam, alternating areas with higher and produce at a lower temperature. This will alternating refractive index gradients in the material with un different sign. After their passage fen has the beam shape of a in the longitudinal direction of the Crystal spreading beam compared to the beam shape of a beam like that without thermal effects in the material there were no significant differences because the "Lensing" beam deflections or deformations at the individual refractive index gradients over the total essentially cancel the length of the laser body.
Dieser Gedanke hat vielgestaltige Ausprägungsmöglichkeiten in speziellen Festkörperlaser-Konfigurationen, auch über den transversal gepumpten miniaturisierten DPSS-Laser hin aus.This idea has many different forms of expression in special solid-state laser configurations, also via the transversely pumped miniaturized DPSS laser out.
Als Mittel zur Einstellung eines vorbestimmten Temperatur profils kann zum einen- eine an mindestens einer Umfangs fläche des Laserkörpers vorgesehene Anordnung zur hoch wirksamen Wärmeableitung vom Laserkörper an die Umgebung (speziell die Luft) vorgesehen sein, die in Richtung der Längsachse des Laserstabes periodisch abwechselnd Ab schnitte mit höherem und niedrigerem Wärmeübergangswider stand aufweist.As a means of setting a predetermined temperature On the one hand, profiles can be on at least one circumference Surface of the laser body intended for high effective heat dissipation from the laser body to the environment (specifically the air) provided in the direction of the Longitudinal axis of the laser rod alternating periodically Ab cuts with higher and lower heat transfer resistance boasted.
Diese Anordnung kann auf einfache und kostengünstig her stellbare Weise im wesentlichen durch mindestens einen me tallischen Wärmeleitkörper mit sich periodisch abwechseln den Vorsprüngen und Aussparungen gebildet sein, bei dem die Vorsprünge dem Laserkörper zugewandt sind und in gutem thermischen Kontakt an dessen Umfangsfläche anliegen, wäh rend die Aussparungen jeweils einen Abstandsbereich mit schlechtem thermischen Kontakt zum Laserkörper bilden. An stelle der Abstandsbereiche können zwischen den Bereichen mit hoher Wärmeleitfähigkeit auch wärmeisolierende Berei che vorgesehen sein. This arrangement can be simple and inexpensive adjustable manner essentially by at least one me alternate periodically with the metallic heat sink the projections and recesses are formed in which the projections face the laser body and in good condition thermal contact on the peripheral surface, wäh rend the recesses each with a distance range form poor thermal contact with the laser body. On Place the distance areas between the areas with high thermal conductivity also heat-insulating area che be provided.
Anstelle einer speziell gestalteten Wärmableitanordnung oder zusätzlich zu dieser kann weiterhin eine an der Um fangsfläche des Laserkörpers angeordnete aktive Heiz und/oder Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die so ausge führt ist, daß sie in Richtung der Längsachse des Laser körpers periodisch abwechselnd Bereiche mit höherer und niedrigerer Umfangstemperatur und damit auch Temperatur gradienten im Inneren des Materials erzeugt.Instead of a specially designed heat dissipation arrangement or in addition to this may still be one at the order active heat arranged on the front surface of the laser body and / or cooling device can be provided, which so out is that it leads in the direction of the longitudinal axis of the laser body periodically alternating areas with higher and lower peripheral temperature and therefore also temperature gradient generated inside the material.
Hierfür kann einerseits eine aktive, insbesondere elek trisch betriebene, Kühlvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laserkörpers in Abständen angeordneten Kühl elementen oder -bereichen vorgesehen sein. Dies kann etwa eine Zeilenanordnung von Peltierelementen sein.On the one hand, an active, in particular elec trisch operated, cooling device with in the direction of Longitudinal axis of the laser body arranged at intervals cooling elements or areas can be provided. This can be about be a row arrangement of Peltier elements.
Andererseits können die alternierenden T-Gradienten auch durch eine, insbesondere elektrisch betriebene, Zusatz- Heizvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laser stabes in Abständen angeordneten Heizelementen oder -bereichen erzeugt werden - natürlich im Kombination mit einer wirksamen Wärmeableitvorrichtung.On the other hand, the alternating T gradients can also through an, in particular electrically operated, additional Heating device with in the direction of the longitudinal axis of the laser heating elements arranged at intervals or - areas are generated - in combination with, of course an effective heat dissipation device.
Auch eine Kombination einer Heiz- mit einer Kühlvorrich tung mit alternierend angeordneten Kontaktbereichen zum Laserkörper ist möglich.Also a combination of a heating and cooling device device with alternately arranged contact areas for Laser body is possible.
Schließlich kann als besonders einfache, wirkungsvolle und kostengünstig verfügbare Anordnung eine elektrisch betrie bene, nach dem Peltier-Effekt arbeitende, kombinierte Heiz-/Kühlvorrichtung mit in Richtung der Längsachse des Laserstabes abwechselnd angeordneten Kühl-und Heizberei chen vorgesehen sein. Finally, can be as simple, effective and an electrically operated arrangement available at low cost combined, working according to the Peltier effect Heating / cooling device with in the direction of the longitudinal axis of the Laser rod alternately arranged cooling and heating area Chen be provided.
Die genannten speziellen Anordnungen können jeweils - einzeln oder in Kombination - an zwei einander gegenüber liegenden Seitenflächen des Laserkörpers angeordnet sein.The special arrangements mentioned can each - individually or in combination - on two opposite each other lying side surfaces of the laser body.
Der Laserkörper ist insbesondere ein Miniatur-Laserkri stall aus Nd- oder Yb-dotiertem YAG mit quaderförmiger Ge stalt oder mindestens einer dem Wärmeableitkörper bzw. dem Kühl- und/oder Heizelement zugewandten ebenen Fläche. Bei einem quaderförmiger Kristall können die Abmessungen bei spielsweise ca. 20 × 20 × 5 mm sein.The laser body is in particular a miniature laser crane stall made of Nd- or Yb-doped YAG with cuboid Ge stalt or at least one of the heat sink or Cooling and / or heating element facing flat surface. At a cuboid crystal can have the dimensions for example, be about 20 × 20 × 5 mm.
In einer - praktisch bevorzugten - transversal gepumpten Anordnung ist mindestens eine seitlich vom Laserkörper (transversal) angeordnete Pumplichtquelle vorgesehen, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Längsachse in diesen einstrahlt. Vorzugsweise sind aber mehrere, insbe sondere beidseitig des Laserkörpers, angeordnete NIR- Halbleiterlaser als Pumplichtquellen vorgesehen. Zwischen den Lichtaustrittsflächen der Laserdioden und dem Festkör perlaserkörper sind bevorzugt Lichtleitfasern zur Führung des Pumplichtes vorgesehen. Dadurch ist eine sehr kompakte Ausbildung der Pumpeinheit als Laserdioden-Lichtleitfaser- Block möglich.In a - practically preferred - transversely pumped The arrangement is at least one to the side of the laser body (Transversely) arranged pump light source provided substantially perpendicular to the direction of the longitudinal axis in shines in this. Preferably, however, several, in particular special NIR arranged on both sides of the laser body Semiconductor lasers are provided as pump light sources. Between the light emitting surfaces of the laser diodes and the solid laser bodies are preferred optical fibers for guidance the pump light provided. This makes it very compact Design of the pump unit as a laser diode optical fiber Block possible.
Zur Realisierung einer kompakten und gleichzeitig geome trisch hochstabilen Laservorrichtung und zur technologi schen Vereinfachung sind vorzugsweise mindestens der La serkörper und der Resonator mit der Anordnung zur Wärme ableitung und/oder der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung als zusammenhängende kompakte Einheit aufgebaut. Unter Verwen dung kommerziell verfügbarer Kühlarrays sind der Laserkör per und der Resonator vorteilhaft auf einer - insbesondere zweifach kaskadierten - Peltierelementanordnung mit Al₂O₃- Grundplatte, als Träger mittels der SMD (Oberflächenmon tage)-Technologie montiert, speziell auf den Träger aufge lötet oder wärmeleitfähig aufgeklebt.To realize a compact and at the same time geome highly stable laser device and for technology simplification are preferably at least La body and the resonator with the arrangement to heat derivation and / or the heating and / or cooling device as coherent compact unit built. Under use The commercially available cooling arrays are the laser body per and the resonator advantageous on one - in particular double cascaded - Peltier element arrangement with Al₂O₃- Base plate, as a carrier using the SMD (surface mon days) technology mounted, specially applied to the carrier soldered or glued on thermally conductive.
Die Seitenflächen des Laserkörpers, an denen kein Pump licht eingekoppelt wird, sind zur effizienten Ausnutzung des Pumplichtes metallisiert, zur Unterdrückung parasitä rer Moden jedoch nicht poliert. Das über die andere(n) Seitenfläche(n) eingekoppelte Pumplicht kann hier mehrfach diffus reflektiert werden, parasitäre Moden können jedoch nicht reflektiert und verstärkt werden. Die Anordnung kann daher durch den Fortfall einer Modenblende (die zudem in nachteiliger Weise einen Teil der erzeugten Strahllei stung ausblenden und damit vernichten würde) vereinfacht gestaltet sein.The side surfaces of the laser body on which no pump light is coupled in, are used efficiently of the pump light metallized, to suppress parasitic rer fashions not polished. That about the other Side surface (s) of coupled pump light can be used multiple times can be diffusely reflected, but parasitic modes can not be reflected and amplified. The arrangement can therefore by the elimination of a fashion aperture (which also in disadvantageously a part of the generated beam hide and destroy it) simplified be designed.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders vorteilhaft für Festkörperlaservorrichtungen mit Frequenzverviel fachung, speziell -verdopplung, einsetzbar, bei denen zu sätzlich in der Laserkavität (d. h. zwischen den Resonator spiegeln) ein Frequenzvervielfacherelement, insbesondere ein Frequenzverdopplerkristall (KDP = Kaliumdiposphat, KTP = Kaliumtitanylphosphat, Lithiumniobat o. ä.) mit nichtlin earen optischen Eigenschaften, vorgesehen ist.The arrangement according to the invention is particularly advantageous for solid-state laser devices with frequency amplification fold, special -duplication, can be used for which too additionally in the laser cavity (i.e. between the resonator mirror) a frequency multiplier element, in particular a frequency doubler crystal (KDP = potassium diposphate, KTP = Potassium titanyl phosphate, lithium niobate or similar) with nonlin earen optical properties, is provided.
Da es bei einer solchen Anordnung besonders auf die Stabi lität der Abmessungen und der relativen Lage der Komponen ten ankommt, ist hier speziell die oben bereits erwähnte Ausführung als kompakte Einheit vorteilhaft, wobei der Frequenzverdopplerkristall in die zusammenhängende kompak te Einheit integriert ist. Dabei kann die dem Laserkörper abgewandte Stirnfläche des Frequenzverdopplerkristalls insbesondere zugleich als vollreflektierende Resonator spiegelfläche und die dem Frequenzverdopplerkristall abge wandte Stirnfläche des Laserkörpers als Auskoppelspiegel ausgebildet sein. Diese Anordnung ist - obzwar sie hohe Anforderungen an die Qualität der Oberflächenbearbeitung der Kristall-Stirnflächen stellt - technologisch relativ einfach realisierbar, und der Umfang aufwendiger Justier arbeiten wird minimiert.Since it is particularly in the case of such an arrangement on the stabilizer dimension and the relative position of the components ten arrives, here is the one already mentioned above Execution as a compact unit advantageous, the Frequency doubler crystal in the coherent compact te unit is integrated. The laser body end face of the frequency doubler crystal especially at the same time as a fully reflective resonator mirror surface and the abge the frequency doubler crystal turned end face of the laser body as a coupling mirror be trained. This arrangement is - although high Requirements for the quality of the surface treatment the crystal faces represents - technologically relative easy to implement, and the scope of complex adjustments work is minimized.
Die als kompakte Baugruppe aufgebaute Laservorrichtung weist zweckmäßigerweise einen Temperaturfühler zur Erfas sung der Temperatur, eine mit dessen Ausgang verbundene Regeleinheit und eine mit deren Ausgang verbundene Heiz und/oder Kühleinrichtung zur Konstanthaltung der Tempera tur der Baugruppe auf, um temperaturschwankungsbedingte Geometrieänderungen, die zu einer Verschlechterung der La serparameter führen würden, zu minimieren.The laser device built as a compact assembly expediently has a temperature sensor for sensing solution of the temperature, one connected to its output Control unit and a heater connected to its output and / or cooling device for keeping the tempera constant door of the module to avoid temperature fluctuations Geometric changes that worsen the La would minimize this parameter.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann in zweckmäßiger Weise im Zusammenhang mit einer Pumpanordnung realisiert sein, mit der der Laserkristall möglichst homogen ausgeleuchtet wird. Hierzu können in den Laserkristall an den Seiten flächen, über die das Pumplicht eingekoppelt wird, zusätz lich Diffusorelemente eingearbeitet sein, die in Art der Ulbricht-Kugel wirken.The arrangement according to the invention can be expedient be realized in connection with a pump arrangement, with which the laser crystal is illuminated as homogeneously as possible becomes. This can be done in the laser crystal on the sides areas over which the pump light is coupled, additional Lich diffuser elements incorporated in the manner of Ulbricht sphere.
Vorteilhaft kann sie andererseits jedoch auch mit einer Pumpanordnung realisiert sein, mit der in Richtung der Laserkörper-Längsachse periodisch abwechselnd Bereiche hö herer und niedrigerer Leuchtdichte erzeugt werden. Wichtig ist in jedem Falle, daß das Temperaturfeld im Laserkris tall langzeitstabil eingestellt werden kann.On the other hand, it can also be advantageous with a Pump arrangement can be realized with the in the direction of Laser body longitudinal axis periodically alternating areas height higher and lower luminance are generated. Important is in any case that the temperature field in the laser crisis tall long-term stable can be set.
Ein optimierter Betrieb einer solchen Laservorrichtung wird möglich, wenn eine Verarbeitungseinrichtung vorgese hen ist, die ausgangsseitig mit einem Steuereingang der Heiz- und/oder Kühlvorrichtung und/oder der Steuereinrich tung für die Pumplichtquelle(n) verbunden ist und über die ein vorbestimmtes Temperaturprofil und/oder eine vorbe stimmte Leuchtdichteverteilung in Richtung der Längsachse des Laserkörpers eingestellt bzw. aufrechterhalten wird.An optimized operation of such a laser device becomes possible if a processing device is provided hen, the output side with a control input Heating and / or cooling device and / or the Steuereinrich device for the pump light source (s) is connected and via the a predetermined temperature profile and / or a pre agreed luminance distribution in the direction of the longitudinal axis of the laser body is adjusted or maintained.
In einer vorteilhaften Ausbildung können im Laserresonator Mittel zur Formung des Strahlquerschnittes vorgesehen sein, mit denen sich aus dem üblicherweise beim YAG-Laser nicht a priori kreisförmigen Strahlquerschnitt ein im we sentlichen kreisförmiger Querschnitt bilden läßt. Dies kann im einfachsten Falle eine sogenannte Modenblende sein (bei der die Optimierung des Strahlquerschnitts allerdings mit einem Verlust an auskoppelbarer Ausgangsleistung erkauft wird), oder es kann ein geeignet geformtes Refraktorele ment verwendet werden.In an advantageous embodiment, the laser resonator Means are provided for shaping the beam cross section with which it usually comes from the YAG laser not a priori circular beam cross section in the we can form a substantial circular cross-section. This can in the simplest case be a so-called fashion aperture (at who also optimizes the beam cross-section bought a loss of output power that can be extracted ) or it can be a suitably shaped refractor element ment can be used.
Eine noch verbesserte Frequenz- bzw. Modencharakteristik kann durch das zusätzliche Vorsehen eines sogenannten "Seeders", d. h. einer Laserdiode mit optischer Anordnung zur longitudinalen Einkopplung der Strahlung in den (Festkörper-)Laserkörper durch den Rückseitenspiegel des Resonators hindurch, erreicht werden. Damit kann die Strahlung des Festkörperlasers, die ohne eine solche Anordnung mehrere Moden innerhalb einer Bandbreite von et wa 4.4 GHz aufweist, im wesentlichen auf eine Mode bzw. Frequenz verriegelt werden ("injection locking").An even better frequency or mode characteristic can be provided by the additional provision of a so-called "Seeders", i.e. H. a laser diode with an optical arrangement for the longitudinal coupling of the radiation into the (Solid state) laser body through the rear mirror of the Resonators can be achieved. So that Radiation of the solid-state laser without such Arrangement of several modes within a bandwidth of et wa has 4.4 GHz, essentially in one mode or Frequency locking ("injection locking").
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Advantageous developments of the invention are in the Un claims marked or become below together with the description of the preferred embodiment of the Invention illustrated with reference to the figures. Show it:
Fig. 1a eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und Wärmeableitkörper gemäß ei ner Ausführungsform der Erfindung, FIG. 1a is a schematic representation (in longitudinal section) an array of laser body and heat-dissipating device according ei ner embodiment of the invention,
Fig. 1b eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und Kühlanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, FIG. 1b shows a schematic representation (in longitudinal section) an array of laser body and cooling arrangement according to a further embodiment of the invention,
Fig. 1c eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper, Zusatzheizung und Wärmeableit körper gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1c shows a schematic representation (in longitudinal section) an array of laser body, additional heating and heat dissipating body according to another embodiment of the invention,
Fig. 1d eine Prinzipdarstellung (im Längsschnitt) einer Anordnung aus Laserkörper und kombinierter Heiz- und Kühl anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung, Fig. 1d shows a schematic representation (in longitudinal section) an array of laser body and combined heating and cooling of the dung OF INVENTION arrangement according to another embodiment,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des "thermal lensing"-Effekts beim Stand der Technik, Fig. 2 is a schematic diagram for explaining the "thermal lensing" effect in the prior art,
Fig. 3a eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer Bauform der Anordnung gemäß Fig. 1a, Fig. 3a is a simplified longitudinal sectional view of a construction of the arrangement according to Fig. 1a,
Fig. 3b eine vereinfachte Draufsicht der Bauform nach Fig. 2a, FIG. 3b shows a simplified plan view of the design according to Fig. 2a,
Fig. 3c eine vereinfachte Querschnittsdarstellung der Bauform nach Fig. 2a, Fig. 3c is a simplified cross-sectional view of the design according to Fig. 2a,
Fig. 4 eine vereinfachte perspektivische Gesamtansicht einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer Ausführungs form der Erfindung, Fig. 4 is a simplified overall perspective view of a solid laser device according to one embodiment of the invention,
Fig. 4a eine Detaildarstellung einer Abwandlung der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung, FIG. 4a is a detail view of a modification of the apparatus shown in Fig. 4,
Fig. 5 eine vereinfachte perspektivische Gesamtansicht einer Festkörperlaservorrichtung gemäß einer weiteren Aus führungsform der Erfindung (mit Frequenzverdopplung), Fig. 5 is a simplified overall perspective view of a solid laser device according to another execution form of the invention (with frequency doubling),
Fig. 5a eine Detaildarstellung einer Abwandlung der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung, FIG. 5a is a detail view of a modification of the apparatus shown in Fig. 5,
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer Modifizierung der in Fig. 4 bzw. Fig. 5 gezeigten Ausführungsformen, Fig. 6 is a schematic diagram of a modification shown in FIG. 4 or FIG. 5 embodiments shown,
Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Meß- und Steuerschaltung für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 7 is a simplified block diagram of a measuring and control circuit for a solid-state laser device according to an embodiment of the invention and
Fig. 8 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung ei ner vorteilhaften Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrich tung. Fig. 8 is a graphical representation to illustrate an advantageous effect of the device according to the invention.
Fig. 1a zeigt in einer Prinzipdarstellung (im Längs schnitt) einen in der Längsschnittgestalt rechteckigen Nd- dotierten YAG-Laserkristall 1 mit je einem auf der Ober seite 1a und der Unterseite 1b angeordneten - in der Figur nur ausschnittweise gezeigten - Metallkörper 2 und 3 aus massivem Aluminium zur Wärmeableitung aus dem Laserkri stall an die umgebende Atmosphäre. Fig. 1a shows in a schematic diagram (in longitudinal section) a rectangular in longitudinal section Nd-doped YAG laser crystal 1 with one each on the top side 1 a and the bottom 1 b arranged - shown in the figure only in part - metal body 2 and 3 made of solid aluminum for heat dissipation from the laser terminal to the surrounding atmosphere.
Die gleichartig aufgebauten Wärmeableitkörper 2, 3 haben jeweils in den Laserkristallflächen 1a bzw. 1b zugewandter Lage eine profilierte Oberfläche mit im Querschnitt recht eckigen Schlitzen 2a bzw. 3a, zwischen denen jeweils mit dem Laserkristall in Kontakt stehende Bereiche 2b bzw. 3b der Wärmeableitkörper 2 bzw. 3 angeordnet sind. In den Kontaktbereichen 2a′, 3a′ der Schlitze 2a, 3a besteht kein körperlicher Kontakt und damit eine gegenüber den Kontakt bereichen 2b′, 3b′ der vorspringenden Abschnitte 2b, 3b mit dem Laserkristall 1 stark verringerte Wärmeleitung zwi schen dem Laserkristall und den Wärmeableitkörpern 2, 3.The heat dissipation bodies 2 , 3 constructed in the same way each have a profiled surface in the laser crystal surfaces 1 a or 1 b facing the surface with slots 2 a or 3 a which are rectangular in cross section, between which areas 2 b or in contact with the laser crystal 3 b of the heat sink 2 and 3 are arranged. In the contact areas 2 a ', 3 a' of the slots 2 a, 3 a there is no physical contact and thus a compared to the contact areas 2 b ', 3 b' of the projecting sections 2 b, 3 b with the laser crystal 1 greatly reduced heat conduction between the laser crystal and the heat dissipation bodies 2 , 3 .
Zwischen der hinteren (in der Figur linken), mit einer vollständig reflektierenden Beschichtung - dem ersten Re sonatorspiegel - 4 versehenen Stirnfläche 1c und der vor deren (in der Figur rechten), mit einer teilweise reflek tierenden - den zweiten Resonatorspiegel bildenden - Be schichtung 5 versehenen Stirnfläche 1d des Laserkristalls bildet sich bei Einstrahlung von Pumplicht - etwa von seitlich des Laserkristalls 1 angeordneten (in dieser Figur nicht dargestellten) InAlAs-Halbleiterlaserdioden - oberhalb einer Schwelleistung in bekannter Weise ein Laserstrahl(bündel) mit einer Wellenlänge von 1064 nm aus. Between the rear (left in the figure), provided with a fully reflective coating - the first resonator mirror - 4 end face 1 c and the front (right in the figure), with a partially reflective coating - forming the second resonator mirror - Be 5 provided end face 1 d of the laser crystal forms a laser beam (bundle) with a wavelength of 1064 nm in a known manner above a threshold power when pump light is irradiated - for example by InAlAs semiconductor laser diodes (not shown in this figure ) arranged laterally of the laser crystal 1 .
In der Figur ist hiervon ein etwas oberhalb der Längsachse A des Kristalls liegender, d. h. einen sogenannten Offset aufweisender, Teilstrahl R₀ gezeigt.In the figure, there is a little above the longitudinal axis A of the crystal lying, d. H. a so-called offset having, partial beam R₀ shown.
Durch das eingestrahlte Pumplicht erwärmt sich der Laser kristall 1 über die Umgebungstemperatur, so daß über die obere und untere Seitenfläche 1a, 1b und die diesen be nachbarten Wärmeableitkörper 2, 3 eine Wärmeableitung an die Umgebung erfolgt.The irradiated pump light heats the laser crystal 1 above the ambient temperature, so that heat is dissipated to the environment via the upper and lower side surfaces 1 a, 1 b and the heat dissipation bodies 2 , 3 adjacent to them.
Infolge der stark unterschiedlichen Wärmeleitung zwischen dem Laserkristall und den Wärmeableitkörpern in den Berei chen 2a′, 3a′ einerseits und 2b′, 3b′ andererseits erfolgt eine entsprechend der geometrischen Gestalt der Oberflä chen der Wärmeableitkörper in Richtung der Längsachse A des Laserkristalls 1 modulierte Abführung der Wärmeener gie. Im Ergebnis dessen bildet sich im Laserkristall 1 ein Temperaturfeld der in der Figur gestrichelt gezeigten Ge stalt aus, das durch eine Periodizität von im Querschnitt annähernd elliptisch Isothermen I₁, I₂, I₃ in Richtung der Längsachse A gekennzeichnet ist.As a result of the very different heat conduction between the laser crystal and the heat dissipation bodies in the areas 2 a ', 3 a' on the one hand and 2 b ', 3 b' on the other hand, there is a corresponding to the geometric shape of the surface of the heat dissipation bodies in the direction of the longitudinal axis A of the laser crystal 1 modulated dissipation of the heat energy. As a result of this, a temperature field of the shape shown in dashed lines in the figure forms in the laser crystal 1 , which is characterized by a periodicity of approximately elliptical isotherms I 1, I 2, I 3 in cross section in the direction of the longitudinal axis A.
Infolge der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Lasermediums sowie - zumindest bei höheren Pumpleistungen - des Auftretens von Doppelbrechungseffekten bildet sich zugleich eine der Gestalt des Temperaturfeldes entspre chende, Flächen R₁, R₂, R₃ gleicher Brechzahl aufweisende, räumliche Verteilung der Brechungsindizes (gewissermaßen ein "Brechzahlfeld") im Laserkristall aus.Due to the temperature dependence of the refractive index of the Laser medium and - at least with higher pump powers - The occurrence of birefringence effects is formed at the same time correspond to the shape of the temperature field chende, surfaces R₁, R₂, R₃ having the same refractive index, spatial distribution of the refractive indices (to a certain extent a "refractive index field") in the laser crystal.
Wie am Verlauf des Strahls R₀ in der Figur schematisch verdeutlicht, bewirkt die dargestellte räumliche Vertei lung der Brechungsindizes periodisch abwechselnd Ablenkun gen des Strahls in wechselnde Richtungen gegenüber der Längsachse A, so daß sich bei entsprechender Gestalt des Brechzahlfeldes innerhalb des Laserkristalls 1 an den Stirnflächen 1c, 1d jeweils eine zur Längsachse A paralle le Strahlorientierung ergibt. Dies führt - betrachtet man die achsenversetzten Strahlen in ihrer Gesamtheit - zur Ausbildung eines Strahlbündels mit hohem Grad an Paralle lität und Phasenkohärenz und einer in vorteilhafter Weise nahezu ideal Gauß′schen Energieverteilung im Strahlquer schnitt.As shown schematically on the course of the beam R₀ in the figure, the spatial distribution of the refractive indices shown periodically causes alternating deflections of the beam in alternating directions with respect to the longitudinal axis A, so that with a corresponding shape of the refractive index field within the laser crystal 1 on the end faces 1 c, 1 d each result in a beam orientation parallel to the longitudinal axis A. This leads - if you consider the off-axis beams in their entirety - to form a beam with a high degree of parallelism and phase coherence and an advantageously almost ideal Gaussian energy distribution in the beam cross section.
Durch die angegebene Anordnung wird somit der nachteilige Effekt des "thermal lensing" bei herkömmlichen Festkörper laseranordnungen, wie er in Fig. 2 skizziert ist, unter drückt.The specified arrangement thus suppresses the disadvantageous effect of “thermal lensing” in conventional solid-state laser arrangements, as is sketched in FIG. 2.
Fig. 2 zeigt einen Laserkristall 1′ mit konventioneller, längs der Seitenflächen 1a′, 1b′ im wesentlichen gleichmä ßiger Wärmeabführung und den Verlauf des Mittelstrahles Rm′ und eines achsenversetzten Strahles R₀′ an Isothermen I₁′, I₂′, I₃′, denen auch hier Flächen R₁′, R₂′, R₃′ glei cher Brechzahl entsprechen. Der schematisch dargestellte Strahlverlauf verdeutlicht die Abweichung des Verlaufes des achsenversetzten Strahles von der Richtung der Längs achse A′ des Laserkristalls infolge der unkontrolliert ge bildeten thermischen Linse, der auch mit Phasenverschie bungen und somit einer Verschlechterung der Kohärenz der Laserstrahlung einhergeht. Fig. 2 shows a laser crystal 1 'with conventional, along the side surfaces 1 a', 1 b 'substantially uniform heat dissipation and the course of the central beam R m ' and an off-axis beam R₀ 'on isotherms I₁', I₂ ', I₃' , which also correspond to areas R₁ ', R₂', R₃ 'same cher refractive index. The schematically illustrated beam course illustrates the deviation of the course of the off-axis beam from the direction of the longitudinal axis A 'of the laser crystal as a result of the uncontrolled ge formed thermal lens, which also involves phase shifts and thus a deterioration in the coherence of the laser radiation.
Fig. 1b zeigt (wiederum im Längsschnitt) eine Prinzipdar stellung einer weiteren Anordnung aus einem Laserkristall 1 und einer Kühlanordnung, die hier aus je einer Zeile von in vorbestimmten Abständen angeordneten Peltierelementen 6.1 bis 6.4 bzw. 6.5 bis 6.8 oberhalb und unterhalb des Laserkristalls gebildet ist. Fig. 1b shows (again in longitudinal section) a Prinzipdar position of a further arrangement of a laser crystal 1 and a cooling arrangement, which is formed here from a row of Peltier elements 6.1 to 6.4 or 6.5 to 6.8 arranged at predetermined intervals above and below the laser crystal .
Die Peltierelemente kühlen den Laserkristall an den Berüh rungsflächen mit dessen oberer bzw. unterer Seitenfläche 1a bzw. 1b, treten also funktionell im Grunde an die Stel le der dem Laserkristall zugewandten Vorsprünge der Wär meableitkörper 2, 3 in Fig. 1a. In der Figur ist verein fachend angenommen, daß auch das resultierende Temperatur feld und damit die räumliche Verteilung des Brechungsindex den Verhältnissen in Fig. 1a entspricht. Bei der Vorrich tung nach Fig. 1b kann aber selbstverständlich bei separa ter Ansteuerung der Kühlelemente 6.1 bis 6.8 im Bedarfs fall durch geeignete Wahl der Spannungen der einzelnen Kühlelemente eine differenziertere und vor allem zeitab hängig veränderbare Steuerung der Gestalt des T-Feldes und damit des Strahlverlaufes des off-axis-Laserstrahles R₀ erfolgen.The Peltier elements cool the laser crystal at the contact surfaces with its upper or lower side surface 1 a or 1 b, so basically they functionally take the place of the protrusions of the heat-dissipating bodies 2 , 3 facing the laser crystal in FIG. 1 a. In the figure it is assumed simplifying that the resulting temperature field and thus the spatial distribution of the refractive index corresponds to the conditions in Fig. 1a. In the Vorrich device according to Fig. 1b, of course, with separate control of the cooling elements 6.1 to 6.8, if necessary, by a suitable choice of the voltages of the individual cooling elements, a more differentiated and, above all, time-dependent variable control of the shape of the T-field and thus the beam path of the off-axis laser beam R₀.
Damit ist auf elektrisch-thermischem Wege eine Nachjustie rung des Strahlverlaufes und der Phasenverhältnisse bei der Laservorrichtung ohne Änderungen am Aufbau möglich. Die ermöglicht in technologisch vorteilhafter Weise eine Fixierung des Elemente sofort bei der Herstellung der Vor richtung.This is a readjustment in an electrical-thermal way tion of the beam path and the phase relationships the laser device possible without changes to the structure. This enables a technologically advantageous Fixation of the elements immediately when producing the pre direction.
Diesen Vorteil hat auch die in Fig. 1c - wiederum als Prinzipdarstellung im Längsschnitt - gezeigte Anordnung aus Laserkörper 1, Wärmeableitkörpern 2′ und 3′ und einer Zusatzheizung aus fünf im Wärmeableitkörper 2′ und fünf im Wärmeableitkörper 3′ angeordneten elektrischen Heizelemen ten 7.1 bis 7.10 gemäß einer weiteren Ausführungsform, so fern hier die Heizelemente einzeln ansteuerbar sind.This advantage also has the arrangement shown in Fig. 1c - again in principle in longitudinal section - arrangement of laser body 1 , heat dissipation bodies 2 'and 3 ' and an additional heater from five in the heat dissipation body 2 'and five in the heat dissipation body 3 ' arranged electrical Heizelemen th 7.1 to 7.10 According to a further embodiment, as far as the heating elements can be individually controlled here.
Die Oberfläche der Wärmeableitkörper 2′ und 3′ ist bei dieser Ausführungsform auf der dem Laserkristall zugewand ten Seite nicht profiliert, sondern kann völlig eben sein, wobei die Heizelemente von der dem Laserkristall abgewand ten Seite aus eingesetzt sein können.The surface of the heat sink 2 'and 3 ' is not profiled in this embodiment on the side facing the laser crystal th, but can be completely flat, the heating elements can be used from the side facing away from the laser crystal.
Ansonsten ist in Fig. 1c angenommen, daß die Ausdehnung und die Abstände der Heizelemente denen der Schlitze bei Fig. 1a entsprechen und die thermische Wirkung der Heize lemente, d. h. der Einfluß auf das Temperaturfeld im Laser kristall, der der Schlitze der Wärmeableitkörper 2, 3 äquivalent ist. Diese vereinfachenden Annahmen wurden na türlich nur im Hinblick auf die Übersichtlichkeit der Dar stellungen getroffen. Die konkrete Ausführung hinsichtlich der Geometrie und der thermischen Parameter wird der Ent werfer der Laservorrichtung nach deren angestrebten Lei stungsparametern vornehmen. Dabei müssen die Abmessungen und Abstände der Bereiche mit höherer und derer mit gerin gerer Kühlwirkung auch keineswegs alle gleich sein.Otherwise, it is assumed in Fig. 1c that the expansion and spacing of the heating elements correspond to those of the slots in Fig. 1a and the thermal effect of the heating elements, ie the influence on the temperature field in the laser crystal, that of the slots of the heat dissipation body 2 , 3rd is equivalent. Of course, these simplifying assumptions were only made with a view to clarity of presentation. The designer of the laser device will undertake the specific design with regard to the geometry and the thermal parameters according to the desired performance parameters. The dimensions and distances of the areas with higher and those with less cooling effect do not all have to be the same.
Fig. 1d zeigt in einer weiteren Prinzipdarstellung eine Anordnung aus einem Laserkörper 1 und einer kombinierten Heiz- und Kühlanordnung aus je vier Kühlelementen 6.1 bis 6.4 bzw. 6.5 bis 6.8 und je fünf Heizelementen 7.1 bis 7.5 bzw. 7.6 bis 7.10 in einem oberen bzw. einem unteren Wär meableitkörper 2′′ bzw. 3′′. Auch hier ist in der Zeichnung vorausgesetzt, daß die sich durch den Einsatz der Kühl- und Heizelemente ergebenden thermischen Verhältnisse im Laserkristall denen bei der Anordnung nach Fig. 1a ent sprechen. Fig. 1d shows a further schematic diagram of an arrangement of a laser body 1 and a combined heating and cooling arrangement of four cooling elements 6.1 to 6.4 or 5.6 to 8.6 and five heating elements 7.1 to 7.5 or 7.6 top in a to 7.10 or a lower heat dissipator 2 '' or 3 ''. Here, too, it is assumed in the drawing that the thermal conditions in the laser crystal resulting from the use of the cooling and heating elements correspond to those in the arrangement according to FIG. 1a.
Es ist indes klar, daß insbesondere diese Anordnung mit aktiven Kühl- und Heizelementen eine weit ausgeprägtere Differenzierung des T-Feldes, d. h. die Realisierung von wesentlich größeren T-Gradienten, als die Anordnung nach Fig. 1a ermöglichen kann. Auch hierbei ist durch einzelne Ansteuerung der aktiven Elemente eine geeignete Formung des T- und damit des Brechzahlfeldes und somit auch auf elektrisch-thermischem Wege eine Nachjustierung möglich.However, it is clear that in particular this arrangement with active cooling and heating elements can enable a far more pronounced differentiation of the T field, ie the realization of substantially larger T gradients than the arrangement according to FIG. 1a. Here, too, individual control of the active elements enables a suitable shaping of the T field and thus of the refractive index field and thus also readjustment in an electrical-thermal way.
Bei den Vorrichtungen nach Fig. 1b bis 1d können die akti ven Elemente jedoch auch gruppenweise oder alle zusammen angesteuert - etwa in Reihenschaltung betrieben - werden. Dies vereinfacht die Ansteuerung und reduziert die Her stellungskosten, verringert jedoch die Variationsmöglich keiten bei der Formung des Brechzahlfeldes im Laserkri stall.In the devices according to FIGS . 1b to 1d, however, the active elements can also be controlled in groups or all together - operated in series, for example. This simplifies the control and reduces the manufacturing costs, but reduces the possible variations in the formation of the refractive index field in the laser terminal.
Fig. 3a zeigt eine vereinfachte Längsschnittdarstellung einer technologisch vorteilhaft realisierbaren Bauform der grundsätzlichen Anordnung gemäß Fig. 1a, Fig. 3b eine vereinfachte Draufsicht und Fig. 3c eine vereinfachte Querschnittsdarstellung (senkrecht zur Längsachse des La serkristalls) dieser Bauform. Fig. 3a shows a simplified longitudinal sectional view of a technologically advantageous realizable design of the basic arrangement according to Fig. 1a, Fig. 3b shows a simplified top view and Fig. 3c shows a simplified cross-sectional view (perpendicular to the longitudinal axis of the laser crystal) of this design.
Als Träger dient ein Aluminiumoxidsubstrat 10 mit Oberflä chenmetallisierung (In-Plattierung) 10a, auf das ein unte rer (passiver) Kühlkörper 11 und ein oberer (passiver) Kühlkörper 12, jeweils aus massivem Kupfer, aufgelötet sind. Die Kühlkörper 11, 12 schließen zwischen sich den flach quaderförmigen Nd:YAG- oder Yb:YAG-Laserkristall 1′′ ein. Die dem Laserkristall zugewandten Flächen der Kühl körper 11, 12 sind in der oben erläuterten Weise mit in Längsachsenrichtung des Kristalls (x-Richtung) aufeinan derfolgenden und sich senkrecht hierzu (in y-Richtung) er streckenden Schlitzen 11a bzw. 12a und Vorsprüngen 11b bzw. 12b profiliert. Sie weisen auf dieser Fläche jeweils eine In-Beschichtung 11c bzw. 12c auf, die zur Verringe rung des Wärmeübergangswiderstandes dient. Die Schlitze 12a des oberen Kühlkörpers 12 haben hier geringere Tiefe als die des unteren Kühlkörpers 11.An aluminum oxide substrate 10 with surface metallization (in-plating) 10 a serves as a carrier, onto which an lower (passive) heat sink 11 and an upper (passive) heat sink 12 , each made of solid copper, are soldered. The heat sink 11 , 12 include between them the flat cuboid Nd: YAG or Yb: YAG laser crystal 1 ''. The laser crystal facing surfaces of the cooling body 11 , 12 are in the manner explained above with in the longitudinal axis direction of the crystal (x-direction) on the following and perpendicular to it (in the y-direction) he extending slots 11 a and 12 a and projections 11 b or 12 b profiled. They each have an In coating 11 c or 12 c on this surface, which serves to reduce the heat transfer resistance. The slots 12 a of the upper heat sink 12 here have a smaller depth than that of the lower heat sink 11 .
Bei der Anordnung nach Fig. 3a bis 3c sind die Resonator spiegel nicht auf den Stirnflächen des Laserkristalls 1′′ angebracht, sondern es wird vom Vorhandensein extern ange ordneter (in diesen Figuren nicht dargestellter) Spiegel ausgegangen. Dementsprechend ist ein beide Stirnflächen des Laserkristalls durchsetzender achsenversetzter Strahl R₀′′ dargestellt, der durch spezielle Öffnungen 12d und 12e des oberen Kühlkörpers 12 ein- bzw. austritt.In the arrangement of Fig. 3a to 3c, the resonator are not mirror on the end faces of the laser crystal 1 mounted '', but it is believed the presence externally arranged (not shown in these figures) mirror. Accordingly, an axially offset beam R₀ '' penetrating both end faces of the laser crystal is shown, which enters and exits through special openings 12 d and 12 e of the upper heat sink 12 .
Die obere und untere Umfangsfläche 1a′′ bzw. 1b′′ des Laser kristalls 1′′ sind nicht poliert, jedoch mit einer reflek tierenden Metallisierung 1a/M′′ bzw. 1b/M′′ versehen.The upper and lower peripheral surface 1 a '' and 1 b '' of the laser crystal 1 '' are not polished, but with a reflective metallization 1 a / M '' or 1 b / M '' provided.
In Fig. 3b und 3c sind auch die dem Laserkristall 1′′ zuge wandten Enden von Lichtleitfasern zweier seitlicher Pumplicht-Zuführungsanordnungen 13 bzw. 14 dargestellt, und der Strahlverlauf der einzelnen Pumplichtstrahlen ist (mit gestrichelten Linien) skizziert. In Fig. 3c ist hier bei gut zu erkennen, daß das Pumplicht zwischen der Ober- und Unterseitenmetallisierung 1a/M′′ bzw. 1b/M′′ des Laser kristalls vielfach reflektiert und daher äußerst effizient ausgenutzt wird. Wie oben erwähnt, verhindert die nicht polierte, optisch somit nicht perfekte Oberfläche jedoch zugleich, daß Moden höherer Ordnung und insbesondere para sitäre Moden verstärkt werden und die Strahlqualität be einträchtigen können.In Fig. 3b and 3c, the laser crystal 1 '' facing ends of optical fibers of two side pump light supply arrangements 13 and 14 are shown, and the beam path of the individual pump light beams is outlined (with dashed lines). In Fig. 3c can be seen here at good that the pump light between the top and bottom metallization 1 a / M '' or 1 b / M '' of the laser crystal is reflected many times and is therefore used extremely efficiently. As mentioned above, the non-polished, optically imperfect surface prevents at the same time that higher-order modes and in particular parasitic modes are amplified and can impair the beam quality.
Im dargestellten Beispiel betragen die Abmessungen des YAG-Kristalls 1′′ ca. (L/B/H) 5/4/0,5 mm, die des unteren Kühlkörpers 11 ca. 7/5/1,5 mm, die des oberen Kühlkörpers 12 (im gebogenen Zustand) ca. 13/6/1,5 mm und die Schlitz breiten in den Kühlkörpern ca. 0,5 mm.In the example shown, the dimensions of the YAG crystal 1 '' approx. (L / W / H) 5/4 / 0.5 mm, that of the lower heat sink 11 approx. 7/5 / 1.5 mm, that of the upper Heatsink 12 (in the bent state) approx. 13/6 / 1.5 mm and the slot widths in the heat sinks approx. 0.5 mm.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte perspektivische Gesamt ansicht einer Festkörperlaservorrichtung, bei der die Kühlanordnung in der Bauform gemäß Fig. 3a bis 3c reali siert ist. Die in diesen Figuren verwendeten Bezugsziffern für die dort gezeigten Teile werden auch in Fig. 4 benutzt und diese Elemente werden hier nicht nochmals beschrieben. Fig. 4 shows a simplified overall perspective view of a solid-state laser device in which the cooling arrangement in the design according to FIGS . 3a to 3c is realized. The reference numerals used in these figures for the parts shown there are also used in FIG. 4 and these elements are not described again here.
In Fig. 4 ist - an drei Pumplichtquellen - genauer darge stellt, daß an das dem Laserkristall abgewandte Ende der Lichtleiter 13a, 13b, 13c bzw. 14a, 14b, 14c jeweils ein Laserdiodenarray 15a, 15b, 15c bzw. 16a, 16b, 16c mit je 1 bis 4 W Pumpleistung angekoppelt ist.In Fig. 4 is - at three pumping light sources - more precisely Darge provides that at the end facing away from the laser crystal of the light guide 13 a, 13 b, 13 c and 14 a, 14 b, 14 c, a laser diode array 15 a, 15 b, 15 c or 16 a, 16 b, 16 c each with 1 to 4 W pump power is coupled.
In dieser Figur sind auch ein hinterer, vollreflektieren der Resonatorspiegel 17 und ein vorderer, halbreflektie render Resonatorspiegel 18 gezeigt. Beide Spiegel sind über zweifach abgewinkelte, bei der Montage zur Justierung biegbare Anschlußflächen ("pads" oder "legs") 17a, 17b bzw. 18a, 18b mit der lokalen Metallisierung 10a′ des Trä gers 10′ verlötet. Weiter sind zwischen den Spiegeln 17, 18 und dem Laserkristall 1′′ je ein Element 19 bzw. 20 zur Strahlformung (z-Achsen-Dehnung) des erzeugten Laser strahls und zur Reduktion transversaler Moden höherer Ord nung vorgesehen, mit denen ein kreisförmiger Strahlquer schnitt erzeugt wird. Diese optischen Elemente sind eben falls auf Metallisierungsbereiche des Trägers 10′ aufgelö tet.This figure also shows a rear, fully reflective resonator mirror 17 and a front, semi-reflective render resonator mirror 18 . Both mirrors are angled twice, during assembly for adjustment bendable pads ("pads" or "legs") 17 a, 17 b or 18 a, 18 b with the local metallization 10 a 'of the carrier 10 ' soldered. Next, between the mirrors 17 , 18 and the laser crystal 1 '' each have an element 19 or 20 for beam shaping (z-axis expansion) of the laser beam generated and for reducing transverse modes of higher order, with which a circular beam cross-section is produced. These optical elements are just in case on metallization areas of the carrier 10 'tet.
Der Träger 10′ ist durch eine zweifach kaskadierte Kühlan ordnung 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 ändernden Umgebungstemperaturen bzw. veränderlichem Energieeintrag geometrisch hochgradig stabil, da durch die Kaskadierung der Peltier-Anordnungen ein selbsttätiger Ausgleich von Temperaturgradienten er reicht wird. Auf der Oberfläche der oberen Platte 10.1′ ist ein Temperaturfühler 21 angeordnet, über den die Tem peratur der Laservorrichtung abgefühlt und mit dessen Hil fe diese ggfs. durch geeignete Ansteuerung der Peltierele mente zusätzlich geregelt werden kann.The carrier 10 'is formed by a double cascaded Kühlan arrangement from three Al₂O₃ carrier plates 10.1 ', 10.2 'and 10.3 ' and an intermediate array 10.4 'and 10.5 ' of Peltier elements. Such an arrangement is geometrically highly stable with changing ambient temperatures or changing energy input, since the cascading of the Peltier arrangements automatically compensates for temperature gradients. On the surface of the upper plate 10.1 ', a temperature sensor 21 is arranged, via which the tem perature of the laser device is sensed and with the help of which this can be additionally regulated by suitable control of the Peltier elements.
Fig. 4a ist eine Detaildarstellung einer hinsichtlich der Ausnutzung der Pumpstrahlung besonders vorteilhaften Aus bildung des Laserkristalls bei der Anordnung nach Fig. 4. FIG. 4a is a detailed representation of a with respect to the utilization of the pump radiation particularly advantageous from formation of the laser crystal in the arrangement of Fig. 4.
Hier weist der Laserkristall 1′′′ neben der Grund- und Deck flächenbeschichtung 1b/M′′′ bzw. 1a/M′′′ zur weiteren Homo genisierung der Pumplichtverteilung im Inneren des Kri stalls an den langen Seitenflächen 1c′′′ bzw. 1d′′′, die den Lichtleitfasergruppen 14 bzw. 13 zugewandt und parallel zur Richtung des Laserstrahls R sind, jeweils gegenüber den Enden der Lichtleitfasern annähernd halbkugelförmige Vertiefungen 1c/S′′′ bzw. 1d/S′′′ auf. Diese in des Laserme dium eingearbeiteten Vertiefungen wirken bezüglich der aus den Enden der benachbarten Lichtleitfasern austretenden Pumplichtstrahlbündel nach dem Prinzip der Ulbrichtkugel als Streuflächen. Zur Verringerung von Reflexionsverlusten der Pumpstrahlung an den Seitenflächen und somit zur Ver besserung der Einkopplung ist zusätzlich vorgesehen, die Vertiefungen mit einem Gel 13a bzw. 14a zur Anpassung der Brechzahl ("index matching gel") auszufüllen, in das die Enden der Lichtleitfasern 14 bzw. 13 eintauchen.Here, the laser crystal 1 '''in addition to the base and top surface coating 1 b / M''' or 1 a / M '''for further homogenization of the pump light distribution inside the Kri stall on the long side surfaces 1 c'''And 1 d''' facing the optical fiber groups 14 and 13 and parallel to the direction of the laser beam R, each approximately opposite the ends of the optical fibers hemispherical depressions 1 c / S '''and 1 d / S''' on. These recesses worked into the laser medium act with regard to the pumping light beams emerging from the ends of the adjacent optical fibers according to the principle of the integrating sphere as scattering surfaces. In order to reduce reflection losses of the pump radiation on the side surfaces and thus to improve the coupling, it is additionally provided to fill the depressions with a gel 13 a or 14 a to adjust the refractive index ("index matching gel") into which the ends of the optical fibers Immerse 14 or 13 .
Fig. 5 zeigt in einer (wiederum vereinfachten) perspekti vischen Gesamtansicht eine weitere Festkörperlaservorrich tung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, mit der zusätzlich eine Frequenzverdopplung des erzeugten Laser strahls vorgenommen wird. Die Ausbildung und Anordnung des Laserkristalls ist dieselbe wie bei der oben beschriebenen Vorrichtung, so daß diesbezüglich auch dieselben Bezugs ziffern verwendet werden. Fig. 5 shows in a (again simplified) perspective overall view of another solid-state laser device according to an embodiment of the invention, with which the frequency of the laser beam generated is additionally doubled. The formation and arrangement of the laser crystal is the same as in the device described above, so that the same reference numbers are used in this regard.
Ein wesentlicher Unterschied besteht im Aufbau der Pumpan ordnung, die hier mit zwei kompakten Baugruppen 22, 23 aus einer integrierten Laserdiodenanordnung mit Strahlfokus sierung ausgebildet ist. (Eine solche Anordnung ist in der eingangs erwähnten früheren Anmeldung des Erfinders näher beschrieben und wird hier durch Bezugnahme in den Gegen stand der vorliegenden Anmeldung eingeschlossen.) Die Strahlung der zeilenartig gereihten Laserdioden wird durch die Elemente zur Strahlfokussierung in einen Brennpunkt gebündelt; der Laserkristall 1′′ ist jedoch außerhalb der Brennweite der Pumpanordnungen 22, 23 plaziert, so daß die Pumplichteinstrahlung annähernd linienförmig über die Kris tallänge erfolgt.An essential difference is the structure of the Pumpan arrangement, which is formed here with two compact assemblies 22 , 23 from an integrated laser diode arrangement with beam focusing. (Such an arrangement is described in more detail in the earlier application of the inventor mentioned at the outset and is included here by reference in the subject matter of the present application.) The radiation from the line-like laser diodes is focused into a focal point by the elements for beam focusing; the laser crystal 1 '', however, is placed outside the focal length of the pump arrangements 22 , 23 , so that the pump light radiation is approximately linear over the length of the crystal.
Einen weiteren wesentlichen Unterschied zur Laservorrich tung nach Fig. 4 stellt das Vorhandensein eines KTP(Ka liumtitanylphosphat)-Frequenzverdopplerkristalls 24 dar, der bezüglich des Laserkristalls jenseits (in der Figur rechts) des hinteren Elements 20 zur Strahlformung angeord net ist. Auch der Frequenzverdoppler 24 ist über biegbare Anschlußflächen 24a, 24b, über die eine anfängliche Ju stierung der Lage relativ zu den übrigen optischen Kompo nenten möglich ist, auf die obere Trägerplatte 10.1′ auf gelötet. Seine dem Laserkristall abgewandte Stirnfläche 24c hat eine konvexe Gestalt mit sehr genau auf die spe zielle Laseranordnung angepaßter Geometrie und weist eine Verspiegelung 25 auf, so daß sie zugleich als hinterer Re sonatorspiegel wirkt.Another significant difference from the laser device according to FIG. 4 is the presence of a KTP (potassium titanyl phosphate) frequency doubler crystal 24 , which is arranged with respect to the laser crystal beyond (in the figure on the right) the rear element 20 for beam shaping. The frequency doubler 24 is on bendable pads 24 a, 24 b, through which an initial Ju stierung the location relative to the other optical components is possible, soldered onto the upper carrier plate 10.1 '. Its end face 24 c facing away from the laser crystal has a convex shape with geometry that is very precisely adapted to the specific laser arrangement and has a mirror coating 25 , so that it also acts as a rear resonator mirror.
Auf ähnliche Weise ist der vordere Resonatorspiegel hier durch eine teilreflektierende Verspiegelung 26 der vorde ren Stirnfläche des Laserkristalls 1′′ gebildet.In a similar way, the front resonator mirror is here formed by a partially reflecting mirror coating 26 of the front end face of the laser crystal 1 ''.
Mit einer Temperatursteuerung des KTP-Kristalls 24 läßt sich in einfacher Weise ohne mechanischen Eingriff eine Abstimmung der effektiven Resonatorlänge der Anordnung er reichen, ohne daß zusätzliche steuerbare Refraktionsele mente (wie etwa eine temperierbare Quarzplatte oder ein piezomechanisches Abstimmelement) erforderlich wären. Al ternativ kann aber auch - was in der Figur nicht darge stellt ist - ein derartiges Element eingesetzt werden. Je nach konkreter Ausführung ist zur thermischen oder piezo mechanischen Abstimmung der Laseranordnung eine entspre chende Steuereinheit vorzusehen.With a temperature control of the KTP crystal 24 , a tuning of the effective resonator length of the arrangement can be achieved in a simple manner without mechanical intervention, without additional controllable refraction elements (such as a temperable quartz plate or a piezomechanical tuning element) being required. Alternatively, however, such an element can also be used - which is not shown in the figure. Depending on the specific design, a corresponding control unit must be provided for thermal or piezo-mechanical tuning of the laser arrangement.
Fig. 5a ist eine Detaildarstellung einer hinsichtlich der Ausnutzung der Pumpstrahlung besonders vorteilhaften Aus bildung des Laserkristalls bei der Anordnung nach Fig. 5, wobei nachfolgend nur die sich von Fig. 3a bis 3c bzw. Fig. 5 unterscheidenden Details erläutert werden. FIG. 5a is a detailed illustration of a formation of the laser crystal which is particularly advantageous with regard to the use of the pump radiation in the arrangement according to FIG. 5, only the details which differ from FIGS . 3a to 3c or FIG. 5 being explained below.
Hier weist der Laserkristall 1′′′′ zur weiteren Homogenisie rung der Pumplichtverteilung im Inneren des Kristalls an den langen Seitenflächen 1c′′′′ bzw. 1d′′′′, die den Laserdio denblöcken 22 bzw. 23 (vgl. Fig. 5) zugewandt sind, je weils eine annähernd halbzylindrische Nut 1c/N′′′′ bzw. 1d/N′′′′ auf. Diese in des Lasermedium eingearbeiteten Ver tiefungen wirken - analog wie die halbkugeligen Vertie fungen nach Fig. 4 - bezüglich der (außerhalb der Seitenflä chen des Laserkristalls 1′′′′ fokussierten) Pumplichtstrahl bündel nach dem Prinzip der Ulbrichtkugel als Streuflä chen.Here, the laser crystal 1 '''' for further homogenization of the pump light distribution inside the crystal on the long side faces 1 c '''' and 1 d '''', the den Laser denio blocks 22 and 23 (see Fig face. 5) depending weils an approximately semi-cylindrical groove 1 c / N '''' or 1 d / N '''' on. These recesses incorporated in the laser medium act - analogously to the hemispherical indentations according to FIG. 4 - with respect to the (outside the side surfaces of the laser crystal 1 '''' focused) pumping light beam according to the principle of the integrating sphere as scattering surfaces.
Merkmale der in Fig. 4 und 5 als Beispiele gezeigten Anordnungen können auch miteinander kombiniert sein; so kann etwa eine Vorrichtung mit Frequenzverdoppler auch ei nen oder zwei separate Resonatorspiegel aufweisen, oder bei einer Vorrichtung ohne Frequenzverdopplung kann minde stens einer der Resonatorspiegel auf einer Stirnfläche des Laserkristalls gebildet sein. Sowohl der Laserkristall als auch der Frequenzverdoppler kann auch aus einem ande ren, für den jeweiligen Zweck bekannten, Material gefer tigt sein: als Lasermaterial können etwa Nd- oder Yb- dotiertes Glas und für den Frequenzverdoppler KDP (Kalium diphosphat) oder Lithiumniobat eingesetzt werden.Features of the arrangements shown as examples in FIGS. 4 and 5 can also be combined with one another; For example, a device with a frequency doubler can also have one or two separate resonator mirrors, or in the case of a device without frequency doubling, at least one of the resonator mirrors can be formed on an end face of the laser crystal. Both the laser crystal and the frequency doubler can also be made from another material known for the respective purpose: Nd- or Yb-doped glass can be used as the laser material and KDP (potassium diphosphate) or lithium niobate can be used for the frequency doubler.
Als Träger kann auch eine einfache Peltierelementanord nung oder ggfs. auch einfach eine gut wärmeleitende Träger platte - zur Erhöhung der Kühlwirkung auch mit Verrippung oder u. U. mit Flüssigkeitskühlung - dienen. Die Fixierung der Komponenten auf dem Träger kann beispielsweise durch einen wärmeleitenden Kleber vorgenommen sein.A simple Peltier element arrangement can also be used as the carrier or, if necessary, simply a good heat-conducting support plate - to increase the cooling effect also with ribbing or u. U. with liquid cooling - serve. The fixation of the components on the carrier can, for example, by be made of a thermally conductive adhesive.
Fig. 6 ist eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung einer weiteren Modifizierung der weiter oben erläuterten Ausfüh rungsformen einer Festkörperlaservorrichtung, mit der eine Verschmälerung der spektralen Bandbreite und eine Verein heitlichung der Phasenlage des erzeugten Laserstrahlbün dels erreichbar ist. Fig. 6 is a schematic diagram for explaining a further modification of the embodiments of a solid-state laser device explained above, with which a narrowing of the spectral bandwidth and a unification of the phase position of the generated laser beam bundle can be achieved.
Dem in dieser Figur mit YAG bezeichneten Festkörperlaser körper mit einer Laserwellenlänge von 1064 nm sind in üblicher Weise zwei Resonatorspiegel ML1 und ML2 zugeord net. Der vordere, halbdurchlässige Spiegel ML2 ist auf der dem Festkörperlaserkörper YAG abgewandten konvexen Stirn fläche eines - hier mit KTP bezeichneten - intrakavitären Frequenzverdopplerkristalls gebildet, der hintere Spiegel ML1 separat. Mit r1 und r2 sind die Spiegelradien der Re sonatorspiegel bezeichnet, mit r3 der Radius der vorderen KTP-Stirnfläche. Typischerweise liegt r1 im Bereich von 10 cm, r2 und r3 liegen bei einigen mm. An den Spiegel bzw. Stirnflächen ist jeweils mit "AR . . ." das Vorhanden sein einer Antireflexbeschichtung und mit "HR . . ." einer hochreflektierenden Beschichtung für eine bestimmte Wel lenlänge gekennzeichnet.The solid-state laser designated YAG in this figure Bodies with a laser wavelength of 1064 nm are in Usually assigned two resonator mirrors ML1 and ML2 net. The front, semi-transparent mirror ML2 is on the the convex forehead facing away from the solid-state laser body YAG area of an intracavitary area - referred to here as KTP Frequency doubler crystal formed, the rear mirror ML1 separately. With r1 and r2 the mirror radii are the Re designated sonator mirror, with r3 the radius of the front KTP face. Typically r1 is in the range of 10 cm, r2 and r3 are a few mm. To the mirror or end faces is in each case with "AR..." the existing its an anti-reflective coating and with "HR ..." one highly reflective coating for a certain world length marked.
Extrakavitär (in der Figur links vom vorderen Spiegel ML2) ist noch eine Kollimatorlinse COL2 gezeigt. Sonstige opti sche Elemente und die Pumpanordnung sind hier zur Verein fachung weggelassen. Die Verhältnisse hinsichtlich der Strahlfrequenzen sind durch Angabe der Wellenlängen (1064 nm = primäre Wellenlänge, 532 nm = Wellenlänge nach Fre quenzverdopplung) an verschiedenen Stellen der Anordnung verdeutlicht. Die Abstimmung nach der Justage erfolgt auf die weiter oben beschriebene Weise, also etwa durch T- Steuerung des Frequenzverdopplers, was in der Figur mit einem Pfeil mit dem Bezugszeichen TC verdeutlicht ist.Extra Cavity (in the figure on the left of the front mirror ML2) a collimator lens COL2 is shown. Other opti cal elements and the pump arrangement are here to the club fold omitted. The conditions regarding the Beam frequencies can be determined by specifying the wavelengths (1064 nm = primary wavelength, 532 nm = wavelength according to Fre doubling of the frequency) at various points in the arrangement clarifies. The adjustment after the adjustment takes place on the way described above, that is, by T- Control of the frequency doubler, what in the figure with an arrow with the reference symbol TC is illustrated.
Seitlich der Festkörperlaseranordnung ist eine InGaAs- Laserdiode LAD angeordnet, die ebenfalls bei einer Wellen länge von 1064 nm mit einer Ausgangsleistung von ca. 50 mW emittiert. Deren Strahlung wird nach Passieren einer Kol limatorlinse COL1 und zweier Umlenkspiegel M1 und M2 mit einem Transmissionskoeffizienten von ca. 1% longitudinal in die Festkörperlaseranordnung eingekoppelt. Dort be wirkt diese schmalbandige Strahlung eine Frequenz- und Phasenverriegelung ("injection locking") der vom Festkör perlaser YAG emittierten Strahlung auf die Strahlung des Halbleiterlasers LAD, des sogenannten "Seeders". On the side of the solid-state laser arrangement is an InGaAs LAD laser diode arranged, also at a wave length of 1064 nm with an output power of approx. 50 mW emitted. After passing through a col limator lens COL1 and two deflecting mirrors M1 and M2 with a transmission coefficient of approx. 1% longitudinal coupled into the solid-state laser arrangement. There be this narrow-band radiation has a frequency and Injection locking of the solid state perlaser YAG emitted radiation on the radiation of the Semiconductor laser LAD, the so-called "seeder".
Das in Fig. 6 anhand einer Linearresonator-Anordnung er läuterte Prinzip ist grundsätzlich analog auch bei einer (an sich bekannten und daher hier nicht gesondert gezeig ten) Ringresonatoranordnung realisierbar, wobei hier die Einkopplung der Laserdiodenstrahlung in den Festkörperla ser unter einem Winkel zu dessen Längsachse erfolgt, der auf die Geometrie des Ringresonators abgestimmt ist.The principle explained in FIG. 6 using a linear resonator arrangement is basically also analogous to a ring resonator arrangement (known per se and therefore not shown separately here), the coupling of the laser diode radiation into the solid body laser at an angle to its longitudinal axis takes place, which is matched to the geometry of the ring resonator.
Bei dieser Anordnung läßt sich die Frequenz noch besser abstimmen, wobei zur gleichzeitigen Abstimmung von effek tiver Resonatorlänge und Phasenlange des Seeders insbeson dere eine einzelne (nicht gezeigte) piezomotorisch longi tudinal verschiebbare planparallele Quarzplatte in den Strahlengang eingefügt sein kann, die von der Seeder- und der Laserstrahlung jeweils unter einem kleinen Winkel schräg durchsetzt wird.With this arrangement, the frequency can be even better vote, with the simultaneous vote of effek tive resonator length and phase length of the seeder in particular a single piezomotor longi (not shown) tudinally displaceable plane-parallel quartz plate in the Beam path can be inserted by the Seeder and the laser radiation at a small angle is penetrated diagonally.
Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer elek trisch-thermischen Meß- und Steuerschaltung 100 für eine Festkörperlaservorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung zur Steuerung der Strahlparameter. Diese - im Sinne eines Beispiels für eine Vielzahl möglicher Steuer schaltungen zu verstehende - Schaltung ist insbesondere zum zeitweiligen Einsatz mit der Laseranordnung, etwa zur anfänglichen Einstellung oder Nachstellung nach längerem Betrieb, geeignet. Fig. 7 is a simplified block diagram of an electrical thermal measuring and control circuit 100 for a solid state laser device according to an embodiment of the invention for controlling the beam parameters. This - in the sense of an example for a variety of possible control circuits to be understood - circuit is particularly suitable for temporary use with the laser arrangement, such as for initial adjustment or readjustment after prolonged operation.
Ausgegangen wird von einer Kühlanordnung für den Laserkri stall gemäß Fig. 1b mit vier einzeln ansteuerbaren Pel tierelementen 6.1 bis 6.4 oberhalb des Laserkristalls 1 und vier ebenfalls einzeln ansteuerbaren Peltierelementen 6.5 bis 6.8 unterhalb des Kristalls. The starting point is a cooling arrangement for the Laserkri stall according to Fig. 1b individually addressable pel with four animal elements 6.1 to 6.4 above the laser crystal 1 and four also individually controllable elements Peltier 5.6 to 8.6 below the crystal.
Die Meß- und Steuerschaltung 100 umfaßt eine flächige op tische Sensoranordnung in Gestalt einer CCD-Matrix 101, die gegenüber der vorderen Lichtaustrittsfläche des Lasers 1 angeordnet ist derart, daß auf ihr beim Betrieb des La sers ein Bild des Laserstrahls erzeugt wird. Die Anzahl der Bildaufnahmelemente der Matrix wird entsprechend den Qualitätsanforderungen an den Laserstrahl gewählt.The measuring and control circuit 100 comprises a planar optical sensor arrangement in the form of a CCD matrix 101 , which is arranged opposite the front light exit surface of the laser 1 such that an image of the laser beam is generated on it during operation of the laser. The number of image recording elements in the matrix is selected in accordance with the quality requirements for the laser beam.
Der Ausgang der CCD-Matrix 101 ist mit dem Eingang einer Vorverarbeitungseinheit 102 zur Störbefreiung und Signal pegelanpassung verbunden. Deren Ausgang ist mit einem Ein gang einer Vergleichereinheit 103 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Datenausgang eines Musterbildspeichers 104 verbunden ist, in dem mindestens ein vorgegebener Laser strahlquerschnitt gespeichert ist, der bei der Steuerung bzw. Einstellung der Laservorrichtung zugrundegelegt wer den soll. In der Vergleichereinheit 103 wird der reale, von der CCD-Matrix 101 aufgenommene Strahlquerschnitt mit dem Muster-Strahlquerschnitt verglichen und am Ausgang eine das Vergleichsergebnis kennzeichnende Signalfolge be reitgestellt. Verarbeitungsbreite und -geschwindigkeit der Einheiten 102 und 103 und die Speicherkapazität des Speichers 104 sind entsprechend der Anzahl der Bildaufnah meelemente der CCD-Matrix 101 gewählt.The output of the CCD matrix 101 is connected to the input of a preprocessing unit 102 for interference suppression and signal level adjustment. Its output is connected to an input of a comparator unit 103 , the other input of which is connected to the data output of a sample image memory 104 , in which at least one predetermined laser beam cross section is stored, which should be used as the basis for the control or setting of the laser device. In the comparator unit 103 , the real beam cross section recorded by the CCD matrix 101 is compared with the pattern beam cross section and a signal sequence which characterizes the comparison result is provided at the output. Processing width and speed of the units 102 and 103 and the storage capacity of the memory 104 are selected in accordance with the number of image recording elements of the CCD matrix 101 .
Die das Ergebnis des Strahlvergleiches spezifizierenden Signale werden dem Dateneingang einer - beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildeten - mit dem Ausgang der Vergleichereinheit 103 verbundenen Verarbeitungsein heit 105 zugeführt, die weiterhin in üblicher Weise mit einem Datenspeicher (RAM) 106 und einem Programmspeicher (etwa einem EPROM) 107 verbunden ist. Die Verarbeitungs einheit kann optional - was durch gestrichelte Linien dar gestellt ist - auch mit dem Ausgang eines Temperaturfüh lers (gemäß der Figur des Fühlers 21 aus Fig. 4 oder 5) verbunden sein, so daß auch die Temperatur des Laseranord nung in die Steuerung der Kühlanordnung eingeht.The signals specifying the result of the beam comparison are fed to the data input of a processing unit 105 , which is formed, for example, by a microprocessor and is connected to the output of the comparator unit 103 and which furthermore has a data memory (RAM) 106 and a program memory (for example an EPROM) in the usual manner. 107 is connected. The processing unit can optionally - which is shown by dashed lines - be connected to the output of a temperature sensor (according to the figure of the sensor 21 from Fig. 4 or 5), so that the temperature of the Laseranord voltage in the control of Cooling arrangement arrives.
In der Verarbeitungseinheit 105 wird unter Abruf eines Programms und von vorgespeicherten Daten zur Korrektur des T-Feldes im Laserkristall 1 durch Veränderung der Be triebsspannung der Peltierelemente 6.1 bis 6.8 ein Satz von Steuerdaten für die Spannungsversorgung der einzelnen Peltierelemente errechnet, der schließlich einer Span nungsversorgungseinheit 108 für die Kühlelemente zugeführt wird und eine entsprechende Einstellung der Betriebsspan nungen und damit der Kühlleistungen der Peltierelemente bewirkt. Dies führt zu einer Gestalt des T-Feldes im La serkristall, mit der die gewünschten Laserstrahlparameter erzielt werden. Die Einstellung der Spannungsversorgungs einheit kann nach Beendigung des Einstellvorganges verrie gelt werden.In the processing unit 105 , a set of control data for the voltage supply of the individual Peltier elements is calculated by calling up a program and pre-stored data for correcting the T field in the laser crystal 1 by changing the operating voltage of the Peltier elements 6.1 to 6.8 , and finally a voltage supply unit 108 is supplied for the cooling elements and a corresponding setting of the operating voltages and thus the cooling capacities of the Peltier elements. This leads to a shape of the T-field in the laser crystal, with which the desired laser beam parameters are achieved. The setting of the voltage supply unit can be locked after completion of the setting process.
Das Verarbeitungsprogramm für die gemessenen Strahldaten kann bei der beschriebenen Anordnung ein iteratives Pro gramm sein, wobei während der Einstellung laufend die ver änderten Strahlparameter erfaßt werden und einem nächsten Iterationsschritt zugrundegelegt werden können. Besonders gut eignet sich hierfür ein Fuzzy-Logic-Algorithmus.The processing program for the measured beam data can be an iterative pro in the arrangement described be grams, with the ver changed beam parameters are recorded and a next one Iteration step can be used as a basis. Especially A fuzzy logic algorithm is well suited for this.
Zur Darstellung der erfaßten Daten und Verarbeitungsergeb nisse für einen Bediener und zur Beeinflussung des Verar beitungsprozesses sind die genannten Komponenten weiter hin jeweils mit einer Anzeige- und Eingabeeinheit 109 - etwa Bildschirm und Tastatur eines herkömmlichen PC - ver bunden.To display the recorded data and processing results for an operator and to influence the processing process, the components mentioned are each connected to a display and input unit 109 , such as the screen and keyboard of a conventional PC.
Eine grundsätzlich völlig analoge Schaltung kann zur Steuerung bzw. Einstellung einer aktiven Heizanordnung nach Fig. 1c oder auch einer kombinierten Kühl- und Heizan ordnung nach Fig. 1d eingesetzt werden. Weiterhin kann auf ähnliche Weise - alternativ oder ergänzend zur Steuerung des Temperaturfeldes - über die separate Ansteuerung meh rere Pumplichtquellen eine Steuerung der Leuchtdichtever teilung des Pumplichts im Festkörperlaser vorgenommen wer den.A basically completely analog circuit can be used to control or set an active heating arrangement according to FIG. 1c or a combined cooling and heating arrangement according to FIG. 1d. Furthermore, in a similar way - as an alternative or in addition to the control of the temperature field - the separate control of several pump light sources can be used to control the luminance distribution of the pump light in the solid-state laser.
In Fig. 8 ist eine grafische Darstellung zur Verdeutli chung einer vorteilhaften Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben.In FIG. 8 is a graphical representation for Verdeutli monitoring an advantageous effect of the apparatus according to the invention optionally.
Gezeigt ist in anhand von typischen Kurvenverläufen in logarithmischer Darstellung die Laserausgangsleistung Pout als Funktion der Pumpleistung Pin. Die gestrichelte Linie zeigt einen Kurvenverlauf für eine Yb-YAG-Laservorrichtung nach dem Stand der Technik, während die durchgezogene Kur ve die Kennlinie einer gemäß einer Ausführungsform der Er findung aufgebauten Vorrichtung ist. Es ist zu erkennen, daß bei letzterer sowohl der Anstieg im linearen Bereich ("slope") als auch die erreichbare maximale Ausgangslei stung (bezogen auf die Schwelleistung) wesentlich höher ist. The laser output power P out as a function of the pump power P in is shown in a logarithmic representation using typical curve profiles. The dashed line shows a curve for a Yb-YAG laser device according to the prior art, while the solid curve ve is the characteristic curve of a device constructed according to an embodiment of the invention. It can be seen that in the latter, both the increase in the linear region (“slope”) and the achievable maximum output power (based on the threshold power) are significantly higher.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.The invention is not restricted in its implementation to the preferred embodiment given above game. Rather, a number of variants are conceivable which of the solution shown also in principle use different types of designs.
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