DE3522443A1 - Festkoerperlaser oder festkoerperlaserverstaerker mit einem slab als aktives medium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser oder Festkörperlaserverstärker mit einem Slab als aktives Medium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Festkörperlaser mit hohen Ausgangssleistungen benötigen Entladungslampen als Pumplichtquellen. Bedingt durch den niedrigen Wirkungsgrad von einigen Prozent mit dem das Pumplicht die laseraktiven Atome im Lasermedium anregt, wird der größte Teil der Pumpenergie als Wärme im gesamten Laserkopf deponiert. Als Folge davon heizt sich auch das aktive Medium der Pumpleistung entsprechend stark auf und muß gekühlt werden. Die durch den Aufheizungs- und Kühlvorgang entstehenden Temperaturgradienten verursachen Brechungsindexänderungen und mechanische Spannungen. Bei herkömmlichen Festkörperlasern deren aktives Medium die Form eines zylindrischen Stabes hat, führt dies zu einer Beeinträchtigung der Laserstrahl-Qualität sowie zu einer Begrenzung der Laserausgangsleistung.

Fig. 1
Bei einem Slab Laser hat das aktive Medium, der Slab 1, die Form eines Quaders. Gepumpt wird der Slab mit zwei Lampen 3,4, die sich in polierten Reflektoren 5,6 befinden. Der Laserstrahl 2 läuft zwischen den beiden Resonatorspiegeln 7,8 hin und her, wobei er durch die polierten Eintrittsflächen in das aktive Medium eintritt und es unter Ausnutzung der Totalreflexion an den optisch polierten Seitenflächen durchläuft. Bei einem direkt verspiegelten Slab sowie bei einem Slab Laserverstärker entfallen die Resonatorspiegel.

Wenn man erreicht, daß der Wärmeaustausch im aktiven Medium nur durch die polierten Seitenflächen stattfindet, stellen sich nur Temperaturgradienten senkrecht zu diesen Seitenflächen ein und es ergibt sich ein parabolisches Temperaturprofil über der Slab Dicke. Da der Laserstrahl beim Durchqueren des aktiven Mediums zwischen zwei Totalreflexionen jeweils das gesamte Temperaturprofil durchlaufen muß, können thermische Störungen in erster Näherung kompensiert werden. Als Folge davon ergibt sich eine hohe Strahlqualität des Slab Lasers bzgl. örtlicher Struktur und Strahldivergenz unabhängig von der Pumpleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Slab in einem Slab Halter spannungsfrei zu befestigen und ein homogenes Pumpen und Kühlen durch die polierten Seitenflächen des Slabs zu erreichen, ohne die Totalreflexionsbedingung an den Seitenflächen des Slabs zu verletzen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 2 und 3 gelöst.

Fig. 2
Der Slablaserkopf besteht aus drei Bauteilgruppen, dem Slab Halter 15 sowie den beiden Pumpkammern 9,10 mit den Reflektoren 5,6, den Führungsscheiben 11,12 sowie den Entladungslampen 3,4. Umlaufende O-Ringe 13,14 in den Kammern erlauben die drei Gruppen flüssigkeitsdicht miteinander zu verschrauben.

Zur Kühlung des Slabs wird eine kombinierte Gas-Flüssigkeitskühlung verwendet, wobei der Slab Halter die Gaskühlung beinhaltet, während die beiden Pumpkammern 9,10 sowie die Außenseiten der Seitenfenster 19,20 des Slab Halters mit einer Flüssigkeit gekühlt werden. Die Kühlkreisläufe der Flüssigkeitskühlung in den Pumpkammern sind unabhängig voneinander, können jedoch außerhalb des Laserkopfes parallel geschaltet werden.

Die Aufteilung des Laserkopfes in seine wesentlichen Funktionselemente, das aktive Medium sowie die beiden Pumpanordnungen ist der Geometrie des Slabs angepaßt und ermöglicht ein wirksames, homogenes Pumpen und Kühlen von beiden Seiten. Ferner erlaubt diese Sandwichbauweise eine hohe Flexibilität und Servicefreundlichkeit, da wartungsbedürftige Bauteile, d.h. das aktive Medium mit Slab Halter und die Entladungslampen leicht ausgetauscht werden können. Die einzelnen Baugruppen sind in ihrer Funktionsweise weitgehend voneinander entkoppelt, so daß Modifikationen an einem Element ohne Beeinflussung des anderen leicht möglich sind.

Fig. 3
Der Slab Halter bildet eine gasdichte Kammer, in welcher der Slab spannungsfrei aufgehängt ist. Der Slab Halter besteht aus dem Rahmen 16 mit den beiden Strahlröhren 17,18 und vier optischen Fenstern 19-22, die den Halter gasdicht verschließen. Der Laserstrahl 2 tritt durch die beiden Eintrittsfenster 21, 22 in den Halter ein, durchläuft die beiden Strahlröhren 17, 18 und durchquert anschließend den Slab 1, der sich zwischen den beiden Seitenfenstern 19,20 befindet. Der Querschnitt der Strahlröhren muß dabei mindestens die gleichen Abmessungen wie der Slab Querschnitt haben, um das aktive Medium ganz ausnützen zu können. Um Justierungenauigkeiten zu erlauben, wird der Querschnitt jedoch in beiden Dimensionen mindestens 20% größer gewählt.

Durch die beiden optischen Seitenfester des Slab Halters, wird der Slab gleichzeitig gepumpt und gekühlt, wobei die Fenster an der Außenseite von der Kühlflüssigkeit umströmt werden. Im Innenraum des Halters wird eine statische Gasatmosphäre benützt, um die Wärme von den polieren Slaboberflächen zu den Fenstern zu übertragen.

Fig. 4
Die Halterung des Slabs im Rahmen des Slab Halters wird mit mehreren Komponenten erreicht. Der Slab ist zwischen den beiden Stegen 23,24 durch zwei UV-beständige, elastische Bänder 25,26 auf ganzer Länge leicht eingespannt. Gleichzeitig bilden diese Bänder die thermische Isolation der unpolierten Seitenflächen des Slabs. Die Gasschichten 27,28 zwischen den polierten Seitenflächen und den optischen Seitenfenstern 19,20 müssen möglichst dünn (ca. 0.2 mm), jedoch über der gesamten Länge des Slabs konstant sein, um eine wirksame homogene Kühlung der Seitenflächen zu gewährleisten. Dies wird durch u-Profile 29-32 erreicht, die sowohl auf die beiden Stege 23,24, als auch auf den Slab 1 aufgesteckt werden. Die beiden Seitenfenster 19,20 sind um die Materialstärke der Profile 29,30 entfernt auf den Stegen 23,24 aufgeklebt, wobei durch die Stärke der u-Profile 29,30 die Dicke des Klebstoffs 33 festgelegt ist. Die Stege 23,24 haben die gleiche Breite wie der Slab, so daß der Abstand zwischen den Slab Seitenflächen und den Seitenfenstern 19,20, und damit die Dicke der Gasschichten 27,28, ebenfalls durch die Materialstärke der u-Profile festgelegt ist. Die auf den Slab aufgesteckten u-Profile 31, 32 fixieren den Slab in seitlicher Richtung genau in der Mitte zwischen den beiden Seitenfenstern 19,20 und garantieren gleichzeitig die konstante Dicke der Kühlgasschichten 27,28. Dabei reichen sie nur wenig auf die optisch polierten Seitenflächen des Slabs, so daß die Änderung der Totalreflexionsbedingung an den Seitenflächen auf einen minimalen Bereich beschränkt wird.

Durch diese Halterung wied eine kombinierte Gas-Flüssigkeitskühlung ermöglicht, wodurch sich folgende Vorteile ergeben:
i) Es wird vermieden, daß Verunreinigungen und Ablagerungen, die bei einer reinen Flüssigkeitskühlung unvermeidbar sind, auf die Seitenflächen des Slabs gelangen und dort zu thermischen Störungen und zu einer Änderung der Totalreflexionsbedingung führen.
ii) Eine dünne Gasschicht garantiert eine viel homogenere Kühlung der Seitenflächen als dies mit einer strömenden Flüssigkeit möglich ist, wo unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und Kühlmittelaufheizungen keinen definierten Wärmeaustausch ermöglichen.
iii) Bei dieser Kühlanordnung sind keine umlaufenden Dichtungen am Slab selbst erforderlich. Insbesondere auf den Seitenflächen werden somit thermische Störungen sowie Änderungen der Totalreflexionsbedingung durch Dichtflächen vermieden.

Die große Wärmeentwicklung im Laserkopf erfordert eine effiziente Flüssigkeitskühlung. Daher müssen zum Teil gegenläufige Parameter wie große Kühlmengen und hohe Durchflußgeschwindigkeiten bei maximalem Wirkungsgrad und homogener Kühlung des aktiven Mediums optimiert werden.

Für eine effektive Kühlung des Laserkopfes unter Berücksichtigung der homogenen Kühlung der optischen Seitenfenster wurde daher folgendes Kühlprinzip für die beiden Pumpkammern gewählt:

Fig. 5 und 6
Durch einen Einlaßkanal 34 wird die Kühlflüssigkeit zuerst in den Führungskanal 35 zur Kühlung der Entladungslampe 3 geleitet, wo die Kühlflüssigkeit längs der gesamten Lampe fließt, anschließend umkehrt und in entgegengesetzter Strömungsrichtung durch den Führungskanal 36 zur Kühlung des Slabs fließt (die Strömungsrichtung wird in Fig. 6 durch ┤ und ⚫ gekennzeichnet). Dabei werden beide Kanäle 35 und 36 von einer für das Pumplicht durchlässigen Führungsscheibe 11 getrennt, die in den Reflektor 5 integriert ist. Diese optische Scheibe 11 bildet einerseits mit einem Teil des Reflektors 5 den Führungskanal 35 zur Entladungslampenkühlung und andererseits mit dem Reflektor 5 und dem Seitenfenster 19 des Slab Halters den Führungskanal 36 zur Kühlung des Slabs. Über und unter dem Führungskanal 35 zur Entladungslampenkühlung wird das Kühlmedium anschließend zum Kühlkanal 37 für Reflektor- und Pumpgehäusekühlung geführt, durch den es in ursprünglicher Strömungsrichtung zum Auslaßlanal 38 der Kühlflüssigkeit fließt.

Folgende Vorteile ergeben sich aus dieser Kühlanordnung: Die Pumpkammer wird sehr effektiv unter Vermeidung von Wärmesenken im Kühlkreislauf gekühlt, wobei die Entladungslampen als größte Wärmequellen am wirksamsten gekühlt werden. Durch die Trennung des Kühlflüssigkeitslaufs in einen Kanal zur Entladungslampenkühlung und einen Kanal zur Slabkühlung wird eine inhomogene Aufheizung des Kühlmittels an den Seitenflächen des Slab Halters durch die Entladungslampen am Slab möglich. Als Folge davon gelangt das Pumplicht auf kürzestem Weg zum Slab, wobei in der Pumpkammer nur die plane optische Führungsscheibe durchquert wirt und Verlust durch Streuung und Absorption reduziert werden.

Komponenten des Slab Laserkopfes

Slab 1
Laserstrahl 2
Entladungslampen 3,4
Reflektoren 5,6
Spiegel 7,8
Pumpkammern 9,10
Führungsscheiben 11,12
O-Ringe 13,14
Slab Halter 15
Rahmen 16
Strahlröhren 17,18
Seitenfenster 19,20
Eintrittsfenster 21,22
Stege 23,24
Elastische Bänder 25,26
Kühlgasschichten 27,28
u-Profile 29,30,31,32
Klebstoff 33
Einlaßkanal der Kühlflüssigkeit 34
Führungskanal zur Entladunslampenkühlung 35
Führungskanal zur Slabkühlung 36
Führungskanal zur Gehäusekühlung 37
Auslaßkanal der Kühlflüssigkeit 38

Claims (3)

1. Festkörperlaser oder Festkörperlaserverstärker mit einem durch eine oder beide Seitenflächen gepumpten Slab 1 als aktives Medium, wobei der Laserstrahl 2 unter Ausnutzung der Totalreflexion an den optisch polierten Seitenflächen durch das aktive Medium läuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Slab 1 in einem gasdichten Slab Halter 15, der aus einem Rahmen 16 mit zwei Stegen 23,24, zwei Strahlröhren 17,18, zwei Eintrittsfenstern 21,21 und zwei optischen Seitenfenstern 19,20 besteht, mittels u-Profilen 29-32 und elastischen Bändern 25,26 spannungsfrei befestigt ist, derart, daß minimale Kühlgasschichten 27,28 konstanter Dicke an den Seitenflächen des Slabs erreicht werden, so daß eine kombinierte Gas-Flüssigkeitskühlung des Slab Laserkopfes möglich ist,

2. Festkörperlaser oder-verstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Slab Laserkopf in einer Sandwichbauweise sich aus drei Bauteilgruppen zusammengesetzt, dem Slab Halter 15, sowie den beiden Pumpkammern 9,10, wobei die Bauteilgruppen flüssigkeitsdicht zusammengefügt sind,

3. Festkörperlaser oder-verstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit in jeder Pumpkammer in Führungskanälen 35-37 nacheinander an der Entladungslampe, dem Seitenfenster des Slab Halters zur Kühlung des Slabs sowie am Pump- und Reflektorgehäuse vorbeigeführt wird, wobei die Führungskanäle 35,36 für Entladungslampenkühlung und Slabkühlung in jeder Kammer jeweils durch den Reflektor 5 gebildet werden, in den eine optische Führungsscheibe 11 integriert ist.