DE102019117880B4 - Laser system - Google Patents
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Abstract
Lasersystem (100), insbesondere Festkörper-Scheibenlasersystem, umfassend wenigstens eine von einem Strahlungsfeld innerhalb eines Laserresonators oder eines Laserverstärkersystems durchsetzbare Festkörperscheibe (10), wobei die Festkörperscheibe (10) ein laseraktives Material umfasst und auf einer Trägerstruktur (22) mittels einem oder mehreren Kontaktierungselementen (16, 18, 20) flächig angeordnet ist, wobei die Trägerstruktur (22) Kompensationsmittel (32) zur Kompensation einer Verzerrung des Strahlungsfelds aufweisen,wobei die axiale Dicke der Trägerstruktur (22) über die radiale Ausdehnung (52) der Trägerstruktur (22) variiert undwobei die Trägerstruktur (22) in lateraler Ausdehnung axial geschlitzt ist, um sowohl den radialen Wärmetransport als auch die Verformung der Festkörperscheibe (10) durch Modifikation der Steifigkeit zu beeinflussen.Laser system (100), in particular a solid-state disk laser system, comprising at least one solid-state disk (10) through which a radiation field within a laser resonator or a laser amplifier system can pass, wherein the solid-state disk (10) comprises a laser-active material and is arranged flat on a carrier structure (22) by means of one or more contacting elements (16, 18, 20), wherein the carrier structure (22) has compensation means (32) for compensating for a distortion of the radiation field, wherein the axial thickness of the carrier structure (22) varies over the radial extent (52) of the carrier structure (22) and wherein the carrier structure (22) is axially slotted in a lateral extent in order to influence both the radial heat transport and the deformation of the solid-state disk (10) by modifying the rigidity.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem, insbesondere Festkörper-Scheibenlasersystem, umfassend wenigstens eine von einem Strahlungsfeld innerhalb eines Laserresonators oder eines Laserverstärkersystems durchsetzbare Festkörperscheibe, insbesondere eine Halbleiterscheibe, wobei die Festkörperscheibe ein laseraktives Material umfasst und auf einer Trägerstruktur mittels einem oder mehreren Kontaktierungselementen flächig angeordnet ist.The invention relates to a laser system, in particular a solid-state disk laser system, comprising at least one solid-state disk, in particular a semiconductor disk, through which a radiation field within a laser resonator or a laser amplifier system can pass, wherein the solid-state disk comprises a laser-active material and is arranged flatly on a carrier structure by means of one or more contacting elements.
Derartige Lasersysteme sind übliche Lasersysteme mit einem Resonator oder Laserverstärkersysteme, wobei bei der Auslegung der Lasersysteme oder Laserverstärkersysteme das optische Verhalten des laseraktiven Mediums zu berücksichtigen ist und das sich ergebende Strahlungsfeld von dem optischen Verhalten des laseraktiven Mediums abhängig ist.Such laser systems are conventional laser systems with a resonator or laser amplifier systems, whereby the optical behavior of the laser-active medium must be taken into account when designing the laser systems or laser amplifier systems and the resulting radiation field depends on the optical behavior of the laser-active medium.
Wenn Lasersysteme entsprechend des Konzepts des Scheibenlasers realisiert werden, so sind zwar aufgrund der typischen Eigenschaften dieses Konzepts thermisch induzierte Phasenstörungen des Strahlungsfeld sehr klein.When laser systems are implemented according to the disk laser concept, thermally induced phase disturbances of the radiation field are very small due to the typical properties of this concept.
Trotzdem kann es aufgrund der Kombination aus Verformung des Verbundes aus Festkörperscheibe und Wärmesenke aufgrund des Temperaturgradienten sowie der thermischen Ausdehnung des Laserkristalls und der temperaturbedingten Änderung des Brechungsindex des Laserkristalls zu einem nicht vernachlässigbaren thermischen Linseneffekt kommen.Nevertheless, due to the combination of deformation of the solid-state disk/heat sink composite due to the temperature gradient as well as the thermal expansion of the laser crystal and the temperature-induced change in the refractive index of the laser crystal, a non-negligible thermal lensing effect can occur.
Die
Damit kann die Zahl der ersten adaptiv-optischen Spiegeleinheiten möglichst gering gehalten werden. Die erste adaptiv-optische Spiegeleinheit ist eine thermisch adaptiv-optische Spiegeleinheit, deren Reflexionsverhalten thermisch einstellbar ist. Eine Möglichkeit sieht vor, die thermische Einstellbarkeit aufgrund von Wärmeausdehnungen in der Spiegeleinheit durch Heizwendeln zu realisieren, die beispielsweise elektrisch aufheizbar sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die thermisch adaptiv-optische Spiegeleinheit derart einzustellen, dass die lokale thermische unterschiedliche Aufheizung durch ein einfallendes Strahlungsfeld, beispielsweise Infrarotstrahlung erfolgt.This means that the number of the first adaptive optical mirror units can be kept as low as possible. The first adaptive optical mirror unit is a thermally adaptive optical mirror unit whose reflection behavior can be thermally adjusted. One possibility is to realize the thermal adjustability due to thermal expansion in the mirror unit using heating coils that can be heated electrically, for example. Another possibility is to adjust the thermally adaptive optical mirror unit in such a way that the local thermal differential heating is achieved by an incident radiation field, for example infrared radiation.
Verschiedene Festkörperlasersysteme sind aus
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lasersystem zu schaffen, bei dem Effekte eines thermischen Linseneffekts des Strahlungsfelds reduziert sind.The object of the invention is to provide a laser system in which effects of a thermal lens effect of the radiation field are reduced.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.The objects are achieved by the features of the independent claims. Favorable embodiments and advantages of the invention emerge from the further claims, the description and the drawing.
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem, insbesondere Festkörper-Scheibenlasersystem, umfassend wenigstens eine von einem Strahlungsfeld innerhalb eines Laserresonators oder eines Laserverstärkersystems durchsetzbare Festkörperscheibe, wobei die Festkörperscheibe ein laseraktives Material umfasst und auf einer Trägerstruktur mittels einem oder mehreren Kontaktierungselementen flächig angeordnet ist.The invention relates to a laser system, in particular a solid-state disk laser system, comprising at least one solid-state disk through which a radiation field within a laser resonator or a laser amplifier system can pass, wherein the solid-state disk comprises a laser-active material and is arranged flatly on a carrier structure by means of one or more contacting elements.
Erfindungsgemäß weist die Trägerstruktur Kompensationsmittel zur Kompensation einer Verzerrung des Strahlungsfelds auf. Die axiale Dicke der Trägerstruktur variiert über die radiale Ausdehnung der Trägerstruktur, und die Trägerstruktur ist in lateraler Ausdehnung axial geschlitzt, um sowohl den radialen Wärmetransport als auch die Verformung der Festkörperscheibe durch Modifikation der Steifigkeit zu beeinflussen.According to the invention, the support structure has compensation means for compensating a distortion of the radiation field. The axial thickness of the support structure varies over the radial extent of the support structure, and the support structure is axially slotted in the lateral extent in order to influence both the radial heat transport and the deformation of the solid-state disk by modifying the stiffness.
Die Festkörperscheibe kann insbesondere auch eine Halbleiterscheibe sein. Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lasersystems kann insbesondere auch ein optisch gepumpter Halbleiterlaserverstärker sein.The solid-state disk can also be a semiconductor disk. An embodiment of the laser system according to the invention can also be an optically pumped semiconductor laser amplifier.
Optional kann wenigstens die Festkörperscheibe und/oder die einen oder mehreren Kontaktierungselemente Kompensationsmittel zur Kompensation einer Verzerrung des Strahlungsfelds aufweisen.Optionally, at least the solid-state disk and/or the one or more contacting elements can have compensation means for compensating a distortion of the radiation field.
Dadurch, dass die axiale Dicke der Trägerstruktur über eine radiale Ausdehnung der Trägerstruktur variiert ist auf diese Weise eine zweckmäßige Anpassung der Kühlung der Festkörperscheibe durch die Trägerstruktur zu erreichen. Auch kann so eine mechanische Verformung der Festkörperscheibe durch eine inhomogene Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe reduziert werden.By varying the axial thickness of the support structure over a radial extension of the support structure, a suitable adjustment of the cooling of the solid-state disk by the support structure can be achieved. Mechanical deformation of the solid-state disk due to an inhomogeneous temperature distribution in the solid-state disk can also be reduced.
Weiterhin kann so ein bekanntes Verfahren, nämlich eine Wärmesenke mit nicht konstanter Dicke vorzusehen, eingesetzt werden, dessen Nutzung bisher nicht für die Kompensation von asphärischen Anteilen der thermischen Linse bekannt ist, um einen weiteren asphärischen Anteil deutlich außerhalb des aktiven Bereichs zu kompensieren.Furthermore, a known method, namely providing a heat sink with a non-constant thickness, can be used, the use of which is not previously known for the compensation of aspherical parts of the thermal lens, in order to compensate for a further aspherical part clearly outside the active region.
Das Kontaktierungsverfahren, mittels dessen die Festkörperscheibe auf der Trägerstruktur angeordnet ist, kann beispielsweise Kleben, Löten und/oder optisches Bonden umfassen. Die Kontaktierungselemente können demzufolge beispielsweise als Klebefilme, Lotfilme oder Bondlagen ausgebildet sein. Über die Struktur der Kontaktierungselemente können thermische und mechanische Eigenschaften der Kontaktierungselemente zweckmäßig eingestellt werden. Die Festkörperscheibe ist für Lasersysteme rückseitig hochreflektiv beschichtet. Die Kontaktierung zwischen Festkörperscheibe und Trägerstruktur kann auf Wärmeleitfähigkeit und mechanische/thermische Festigkeit günstig ausgebildet werden.The contacting method by which the solid-state disk is arranged on the carrier structure can include, for example, gluing, soldering and/or optical bonding. The contacting elements can therefore be designed as adhesive films, solder films or bonding layers, for example. The thermal and mechanical properties of the contacting elements can be suitably adjusted via the structure of the contacting elements. The solid-state disk has a highly reflective coating on the back for laser systems. The contact between the solid-state disk and the carrier structure can be designed to be advantageous for thermal conductivity and mechanical/thermal strength.
Bevorzugt kann die Festkörperscheibe, welche beispielsweise aus einem Ytterbium-dotierten laseraktivem Kristallmaterial oder Laserkristall, wie beispielsweise Yttrium-Aluminiumgranat, gebildet ist, rotationssymmetrisch ausgebildet sein, um einem runden Strahlquerschnitt eine günstige Ausnutzung des Festkörpermaterials zu bieten. Vorteilhaft kann wenigstens die Festkörperscheibe und/oder wenigstens die Trägerstruktur und/oder wenigstens die einen oder mehreren Kontaktierungselemente zur Kompensation einer Verzerrung des Strahlungsfelds ausgebildet sein, insbesondere können geometrische Abmessungen günstig eingestellt sein.Preferably, the solid-state disk, which is formed for example from an ytterbium-doped laser-active crystal material or laser crystal, such as yttrium aluminum garnet, can be rotationally symmetrical in order to offer a round beam cross-section a favorable utilization of the solid-state material. Advantageously, at least the solid-state disk and/or at least the carrier structure and/or at least the one or more contacting elements can be designed to compensate for a distortion of the radiation field, in particular geometric dimensions can be set favorably.
Bevorzugt kann die Trägerstruktur an ein Kühlelement angebunden sein oder selbst als Kühlelement ausgebildet sein, dessen Wärmeleitfähigkeit wesentlich höher als diejenige der Festkörperscheibe ist, sodass in der Festkörperscheibe durch das Strahlungsfeld entstehende Wärme abgeführt werden kann.Preferably, the support structure can be connected to a cooling element or can itself be designed as a cooling element whose thermal conductivity is significantly higher than that of the solid-state disk, so that heat generated in the solid-state disk by the radiation field can be dissipated.
Kompensationsmittel zur Kompensation einer Verzerrung des Strahlungsfelds, wie sie durch einen thermischen Linseneffekt auf Grund der durch das Strahlungsfeld entstehenden Wärme in der Festkörperscheibe auftreten kann, können vorteilhaft in dem Lasersystem selbst vorgesehen werden, da auf diese Weise eine hohe Flexibilität herrscht, um eine entsprechende Phasenkompensation zur Reduzierung des thermischen Linseneffekts durchzuführen.Compensation means for compensating for a distortion of the radiation field, such as can occur due to a thermal lens effect in the solid-state disk due to the heat generated by the radiation field, can advantageously be provided in the laser system itself, since this provides a high degree of flexibility in order to carry out an appropriate phase compensation to reduce the thermal lens effect.
Insbesondere zur Erhöhung des Wirkungsgrads und zur Reduktion einer eventuell zusätzlich eingebrachten Wärmeleistung ist die Nutzung einer in der Festkörperscheibe vorhandenen Quelle von Strahlungsleistung als Kompensationsmittel besonders vorteilhaft. Eine solche Quelle liegt vor in Form von inkohärenter Fluoreszenzstrahlung, die in einem vergleichbaren Leistungslevel wie die Wärmeerzeugung in der Festkörperscheibe anfällt und normalerweise zu einem Teil emittiert wird. Der Rest der Fluoreszenzstrahlung wird an der Rückseite der Festkörperscheibe bzw. in der Trägerstruktur absorbiert oder reflektiert. Diese Fluoreszenzstrahlung kann durch geeignete absorbierende Strukturen als wesentliche Wärmequelle genutzt werden, um eine homogenere Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe und damit eine Reduzierung insbesondere von sogenannten asphärischen Anteilen des thermischen Linseneffekts zu erreichen. Dabei ist die gesamte Fluoreszenzleistung im Falle eines beispielsweise mit 1 kHz betrieben Pulsverstärkers deutlich höher als bei einem kontinuierlich betriebenen Laserresonator, somit auch die benötigte Heizleistung.In particular, to increase efficiency and reduce any additional heat input, it is particularly advantageous to use a source of radiation power in the solid-state disk as a compensation agent. Such a source is in the form of incoherent fluorescence radiation, which is generated at a comparable power level to the heat generated in the solid-state disk and is normally partially emitted. The rest of the fluorescence radiation is absorbed or reflected on the back of the solid-state disk or in the support structure. This fluorescence radiation can be used as a significant heat source by means of suitable absorbing structures in order to achieve a more homogeneous temperature distribution in the solid-state disk and thus a reduction in particular of so-called aspherical components of the thermal lens effect. The total fluorescence power in the case of a pulse amplifier operated at 1 kHz, for example, is significantly higher than in the case of a continuously operated laser resonator, and thus also the required heating power.
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung mit Kompensationsmitteln in der Festkörperscheibe und/oder in der Trägerstruktur liegen in einer Unabhängigkeit vom optischen Design des Resonators bzw. Lasersystems, da die Kompensation der Verzerrung des Strahlungsfelds direkt an der Festkörperscheibe stattfindet. Da die Strahlqualität nur geringfügig oder nicht beeinflusst wird, kann der optische Aufbau des Resonators oder Lasersystems vereinfacht werden.The advantages of the solution according to the invention with compensation means in the solid-state disk and/or in the carrier structure are that it is independent of the optical design of the resonator or laser system, since the compensation of the distortion of the radiation field takes place directly on the solid-state disk. Since the beam quality is only slightly or not at all influenced, the optical structure of the resonator or laser system can be simplified.
Auf diese Weise ist es auch möglich, ungewollte Leistungsspitzen der Strahlung, die die Zerstörschwellen von optischen Elementen und/oder der Festkörperscheibe überschreiten könnten, zu vermeiden oder mindestens zu reduzieren.In this way, it is also possible to avoid or at least reduce unwanted radiation power peaks that could exceed the damage thresholds of optical elements and/or the solid-state disk.
Weiter erhöht sich so die Gesamteffizienz des Lasersystems, da die wesentliche Heizleistung zur Kompensation nicht zusätzlich eingebracht werden muss. Auch kann durch die günstige Verteilung der Anregungsenergie ein höherer Wirkungsgrad bei einfacherem optischem Aufbau erreicht werden.This also increases the overall efficiency of the laser system, as the essential heating power does not have to be added additionally for compensation. The favorable distribution of the excitation energy also allows a higher efficiency to be achieved with a simpler optical structure.
Die Komplexität des Lasersystems kann reduziert werden, da soweit überhaupt noch ein zusätzlicher Heizlaser eingesetzt wird, dies ein relativ kleines, kompaktes System sein kann. Damit kann der Vorteil eines Festkörper-Scheibenlaser-Verstärkungssystem, die besonders effiziente Abfuhr von Wärme, um eine niedrige Temperatur des Lasermaterials sicherzustellen, günstig ausgenutzt werden. Effizient kann die Einbringung von Heizleistung an der Vorderseite der Festkörperscheibe sein, da dadurch über die ganze Dicke geheizt wird und der thermische Widerstand der von der Rückseite der Festkörperscheibe bis zur Kühlung deutlich kleiner ist als der thermische Widerstand durch die Festkörperscheibe hindurch.The complexity of the laser system can be reduced because, if an additional heating laser is used at all, this can be a relatively small, compact system. This allows the advantage of a solid-state disk laser amplification system, the particularly efficient dissipation of heat to ensure a low temperature of the laser material, to be exploited favorably. The introduction of heating power at the front of the solid-state disk can be efficient because this heats the entire thickness and the thermal resistance from the back of the solid-state disk to the cooling is significantly smaller than the thermal resistance through the solid-state disk.
Ein weiterer Vorteil besteht in der verringerten Abstrahlung von Fluoreszenzstrahlung. Da die Fluoreszenzstrahlung teilweise in Wärme umgewandelt wird, sinkt die von der Festkörperscheibe in die Umgebung abgestrahlte Fluoreszenz. Diese Fluoreszenz könnte möglicherweise sonst von verschiedenen Komponenten des Pumpaufbaus um die Festkörperscheibe herum absorbiert werden und dort zu lokaler Erwärmung, Deformation und ggf. Beschädigungen führen.Another advantage is the reduced emission of fluorescence radiation. Since the fluorescence radiation is partially converted into heat, the fluorescence emitted by the solid-state disk into the environment decreases. This fluorescence could otherwise be absorbed by various components of the pump structure around the solid-state disk and lead to local heating, deformation and possibly damage.
Auch ist vorteilhaft, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung parasitäre Effekte unterdrückt werden können. Die Fluoreszenz könnte sonst möglicherweise in der Festkörperscheibe mit den angeregten Ionen wechselwirken und ggf. verstärkt werden, was die effektiv erzielbare Verstärkung für den Laser verringern könnte. Dieser Effekt ist als „amplified spontaneous emission“ (ASE) bekannt. Durch vom Rand der Festkörperscheibe zurückreflektierte ASE kann dieser Effekt verstärkt werden. Da diese Rückreflektion i.d.R. unter mehrfacher Reflektion an Vorder- und Rückseite der Festkörperscheibe stattfindet, kann durch die teilweise Absorption der Fluoreszenzstrahlung an der Vorderseite auf Grund der Kompensationsmittel der Effekt vorteilhaft unterdrückt werden.It is also advantageous that parasitic effects can be suppressed with the solution according to the invention. Otherwise, the fluorescence could possibly interact with the excited ions in the solid-state disk and possibly be amplified, which could reduce the effective gain that can be achieved for the laser. This effect is known as "amplified spontaneous emission" (ASE). This effect can be amplified by ASE reflected back from the edge of the solid-state disk. Since this back reflection usually takes place with multiple reflections on the front and back of the solid-state disk, the effect can be advantageously suppressed by the partial absorption of the fluorescence radiation on the front due to the compensation means.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann als Kompensationsmittel auf der der Trägerstruktur abgewandten Seite der Festkörperscheibe wenigstens ein absorbierender Bereich für Fluoreszenzstrahlung vorgesehen sein. Insbesondere kann dabei ein als Anti-Reflex-Beschichtung ausgebildeter Bereich als absorbierender Bereich für Fluoreszenzstrahlung vorgesehen sein.According to an advantageous embodiment of the laser system, at least one absorbing region for fluorescence radiation can be provided as a compensation means on the side of the solid-state disk facing away from the carrier structure. In particular, an area designed as an anti-reflective coating can be provided as an absorbing region for fluorescence radiation.
Da die von der Trägerstruktur abgewandte Seite der Festkörperscheibe üblicherweise eine Anti-Reflex-Beschichtung aufweist, kann diese günstigerweise bei geeigneter Ausbildung als für die Fluoreszenzstrahlung absorbierend eingesetzt werden, um die Fluoreszenzstrahlung als Quelle für eine zusätzliche Erwärmung der Festkörperscheibe gezielt in einem bestimmten räumlichen Bereich der Festkörperscheibe einzusetzen.Since the side of the solid-state disk facing away from the carrier structure usually has an anti-reflective coating, this can advantageously be used, if suitably designed, to absorb the fluorescence radiation in order to use the fluorescence radiation as a source for additional heating of the solid-state disk in a targeted manner in a certain spatial region of the solid-state disk.
Vorteilhaft kann beispielsweise auf die Oberfläche der Festkörperscheibe eine nicht-reflektive Schicht, wie beispielsweise Chrom, aufgebracht werden, beispielsweise aufgedampft, und auf diese Schicht dann die eigentliche Anti-Reflex-Schicht mit interferometrischer Wirkung. Chrom absorbiert beispielsweise Infrarot-Strahlung gut, und weist dafür eine geringe Winkelabhängigkeit bei der Absorption auf. Die Beschichtung kann auch in radialer Richtung, d.h. parallel zur Oberfläche der Festkörperscheibe, modifizierte Eigenschaften aufweisen.It is advantageous to apply a non-reflective layer, such as chromium, to the surface of the solid-state disk, for example by vapor deposition, and then apply the actual anti-reflective layer with an interferometric effect to this layer. Chromium, for example, absorbs infrared radiation well and has a low angle dependence in absorption. The coating can also have modified properties in the radial direction, i.e. parallel to the surface of the solid-state disk.
Alternativ ist auch denkbar, als absorbierende Schicht ein oder mehrere Lagen von Graphen aufzubringen.Alternatively, it is also conceivable to apply one or more layers of graphene as an absorbing layer.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann ein Absorptionsgrad des für die Absorption der Fluoreszenzstrahlung absorbierenden Bereichs radial variierend ausgebildet sein, insbesondere in radialer Richtung einen im Wesentlichen gestuft veränderlichen Absorptionsgrad aufweisen. Je nach Art und Struktur der Verzerrung des Strahlungsfeldes auf Grund thermischer Linseneffekte kann die Beschichtung geeignet radial variierend als absorbierend für die Fluoreszenzstrahlung ausgebildet werden, um eine geeignete Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe als Kompensationsmittel zu erreichen.According to an advantageous embodiment of the laser system, an absorption level of the region absorbing the fluorescence radiation can be designed to vary radially, in particular to have an absorption level that changes essentially in stages in the radial direction. Depending on the type and structure of the distortion of the radiation field due to thermal lens effects, the coating can be designed to suitably vary radially as absorbing the fluorescence radiation in order to achieve a suitable temperature distribution in the solid-state disk as a compensation means.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann der absorbierende Bereich einen inneren Radius aufweisen, der wenigstens dem 1,5-fachen eines Grundmodenradius der Strahlung entspricht, bevorzugt wenigstens dem 1,7-fachen des Grundmodenradius, ganz besonders bevorzugt wenigstens dem 2-fachen des Grundmodenradius entspricht. Mit diesen Werten kann der Einfluss auf die Lasergrundmode gering gehalten werden, da die Lasergrundmode durch kleinere Radien auf Grund der Absorption und Streuung gedämpft wird.According to an advantageous embodiment of the laser system, the absorbing region can have an inner radius that corresponds to at least 1.5 times a fundamental mode radius of the radiation, preferably at least 1.7 times the fundamental mode radius, very particularly preferably at least twice the fundamental mode radius. With these values, the influence on the laser fundamental mode can be kept low, since the laser fundamental mode is dampened by smaller radii due to absorption and scattering.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann als Kompensationsmittel ein an und/oder in der Festkörperscheibe angeordnetes Segment zur Streuung und/oder Absorption der Fluoreszenzstrahlung vorgesehen sein. Mit Hilfe eines solchen Segments kann die Streuung und/oder Absorption der Fluoreszenzstrahlung gezielt räumlich strukturiert eingesetzt werden, um eine geeignete Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe zu erreichen.According to an advantageous embodiment of the laser system, a segment arranged on and/or in the solid-state disk for scattering and/or absorbing the fluorescence radiation can be provided as a compensation means. With the help of such a segment, the scattering and/or absorption of the fluorescence radiation can be specifically spaced. be used in a structured manner to achieve a suitable temperature distribution in the solid-state disk.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann das Segment auf oder in einer der Trägerstruktur zugewandten Seite oder abgewandten Seite der Festkörperscheibe angeordnet sein. Insbesondere kann das Segment oberflächennah angeordnet sein. So kann Streuung und/oder Absorption der Fluoreszenzstrahlung gezielt räumlich strukturiert, insbesondere auch oberflächennah eingesetzt werden, um eine geeignete Temperaturverteilung an der Oberfläche der Festkörperscheibe zu erreichen.According to an advantageous embodiment of the laser system, the segment can be arranged on or in a side of the solid-state disk facing the carrier structure or facing away from it. In particular, the segment can be arranged close to the surface. In this way, scattering and/or absorption of the fluorescence radiation can be spatially structured in a targeted manner, in particular also used close to the surface, in order to achieve a suitable temperature distribution on the surface of the solid-state disk.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann das Segment durch mechanische Materialbearbeitung der Seite und/oder mittels Ionenimplantation ausgebildet sein. Dadurch kann eine erhöhte Streuung und/oder Absorption für Fluoreszenzstrahlung erreicht werden. According to an advantageous embodiment of the laser system, the segment can be formed by mechanical material processing of the side and/or by means of ion implantation. This can achieve increased scattering and/or absorption for fluorescence radiation.
Als mechanische Bearbeitungsverfahren können beispielsweise in der Halbleitertechnik übliche Lithographieverfahren, oder ähnliche Mikrostrukturierungsverfahren eingesetzt werden, wobei für Laser-Wellenlängen im Mikrometerbereich auch die Strukturierung im Mikrometerbereich zweckmäßigerweise liegen kann.For example, lithography processes commonly used in semiconductor technology or similar microstructuring processes can be used as mechanical processing methods, whereby for laser wavelengths in the micrometer range, the structuring can also expediently be in the micrometer range.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann ein Bereich der Festkörperscheibe mittels Ionenimplantation zur Streuung und/oder Absorption der Fluoreszenzstrahlung ausgebildet sein. Als Bereich der Festkörperscheibe kann günstigerweise ein optisch nicht aktiver Bereich gewählt werden, der radial außerhalb des optisch aktiven Bereichs der Festkörperscheibe angeordnet ist. Ionenimplantation kann günstigerweise die Implantation von Ionen umfassen, welche bevorzugt mit der Fluoreszenzstrahlung wechselwirken, wie beispielsweise Ytterbium, Titan, Samarium oder andere Elemente, welche für die Fluoreszenzstrahlung Absorption aufweisen. Eine möglichst breitbandige Absorption der Fluoreszenzstrahlung durch die implantierten Ionen ist dabei vorteilhaft.According to an advantageous embodiment of the laser system, an area of the solid-state disk can be designed to scatter and/or absorb the fluorescent radiation by means of ion implantation. An optically inactive area that is arranged radially outside the optically active area of the solid-state disk can advantageously be selected as the area of the solid-state disk. Ion implantation can advantageously include the implantation of ions that preferentially interact with the fluorescent radiation, such as ytterbium, titanium, samarium or other elements that absorb the fluorescent radiation. The broadest possible absorption of the fluorescent radiation by the implanted ions is advantageous in this case.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann die Trägerstruktur als Kompensationsmittel eine lokal gezielt angepasste Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dadurch kann die Kühlung der Festkörperscheibe gezielt beeinflusst werden, um so eine gewünschte Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe zu erreichen, welche geeignet ist, den thermischen Linseneffekt zu kompensieren. Günstig kann auf diese Weise auch eine mögliche mechanische, beispielsweise asphärische, Verformung der Festkörperscheibe reduziert werden. According to an advantageous embodiment of the laser system, the carrier structure can have a locally specifically adjusted thermal conductivity as a compensation means. This allows the cooling of the solid-state disk to be influenced in a targeted manner in order to achieve a desired temperature distribution in the solid-state disk, which is suitable for compensating the thermal lens effect. In this way, a possible mechanical, for example aspherical, deformation of the solid-state disk can also be advantageously reduced.
Dadurch, dass die axiale Dicke der Trägerstruktur über eine radiale Ausdehnung der Trägerstruktur variiert, ist auf diese Weise eine zweckmäßige Anpassung der Kühlung der Festkörperscheibe durch die Trägerstruktur zu erreichen. Auch kann so eine mechanische Verformung der Festkörperscheibe durch eine inhomogene Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe reduziert werden.By varying the axial thickness of the support structure over a radial extension of the support structure, a suitable adjustment of the cooling of the solid-state disk by the support structure can be achieved. Mechanical deformation of the solid-state disk due to an inhomogeneous temperature distribution in the solid-state disk can also be reduced.
Weiterhin kann so ein bekanntes Verfahren, nämlich eine Wärmesenke mit nicht konstanter Dicke vorzusehen, eingesetzt werden, dessen Nutzung bisher nicht für die Kompensation von asphärischen Anteilen der thermischen Linse bekannt ist, um einen weiteren asphärischen Anteil deutlich außerhalb des aktiven Bereichs zu kompensieren.Furthermore, a known method, namely providing a heat sink with a non-constant thickness, can be used, the use of which is not previously known for the compensation of aspherical parts of the thermal lens, in order to compensate for a further aspherical part clearly outside the active region.
Da die Trägerstruktur wenigstens eine gezielt ausgebildete Materialinhomogenität, insbesondere eine Schlitzstruktur, schräg oder senkrecht zu der radialen Ausdehnung aufweist kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems dabei die Trägerstruktur die Materialinhomogenität radial umlaufend ausgebildet sein.Since the carrier structure has at least one specifically formed material inhomogeneity, in particular a slot structure, obliquely or perpendicular to the radial extension, according to an advantageous embodiment of the laser system, the carrier structure can be formed radially around the material inhomogeneity.
Ein bekanntes Verfahren, nämlich das Unterbrechen der Kühlung der Festkörperscheibe, wird so modifiziert zu radial nicht homogener Kühlung, um die Effizienz der Kompensation der Verzerrung des Strahlungsfelds zu steigern. Weiterhin kann so trotzdem die Effizienz der Wärmeabfuhr aus der Festkörperscheibe auf dem üblichen Niveau gehalten werden.A known method, namely interrupting the cooling of the solid-state disk, is modified to radially non-homogeneous cooling in order to increase the efficiency of compensating the distortion of the radiation field. Furthermore, the efficiency of heat dissipation from the solid-state disk can still be kept at the usual level.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems können die einen oder mehreren Kontaktierungselemente als Kompensationsmittel, welche beispielsweise Klebefilme, Lotfilme oder Bondlagen umfassen können, zwischen Festkörperscheibe und Trägerstruktur unterschiedlich wärmeleitend ausgebildet sein. Auf diese Weise ist eine räumlich gezielt einsetzbare Variation des Wärmeübergangs zwischen Festkörperscheibe und Trägerstruktur für die Wärmeabfuhr aus der Festkörperscheibe möglich.According to an advantageous embodiment of the laser system, the one or more contacting elements can be designed as compensation means, which can include adhesive films, solder films or bonding layers, for example, between the solid-state disk and the carrier structure with different thermal conductivity. In this way, a spatially targeted variation of the heat transfer between the solid-state disk and the carrier structure is possible for the heat dissipation from the solid-state disk.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems können die Kontaktierungselemente unterschiedliche Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen. Die Kontaktierungselemente können beispielsweise unterschiedliche Klebermaterialien darstellen, mittels deren die Festkörperscheibe an die Trägerstruktur thermisch und mechanisch angebunden ist. Als Kleber können beispielsweise Epoxid-Kleber eingesetzt werden. Vorteilhaft können UV-aushärtbare Kleber eingesetzt werden, welche eine geringe Schrumpfung beim Aushärten bei hoher thermische Resistenz und mechanischer Steifigkeit aufweisen. Eine Dicke der Kleberstruktur kann zweckmäßigerweise variiert werden, um räumlich unterschiedliche Eigenschaften der Klebermaterialien zu erzielen.According to an advantageous embodiment of the laser system, the contacting elements can have different heat conduction coefficients. The contacting elements can, for example, be different adhesive materials by means of which the solid-state disk is thermally and mechanically bonded to the carrier structure. Epoxy adhesives can, for example, be used as adhesives. UV-curable adhesives can advantageously be used, which have low shrinkage when curing and high thermal resistance and mechanical rigidity. The thickness of the adhesive structure can can be suitably varied in order to achieve spatially different properties of the adhesive materials.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems können die Kontaktierungselemente eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Eine Dicke der Kontaktierungselemente kann zweckmäßigerweise variiert werden, um räumlich unterschiedliche Eigenschaften der Klebermaterialien zu erzielen. Auf diese Weise lässt sich eine räumlich unterschiedliche thermische Leitfähigkeit zwischen der Festkörperscheibe und der Trägerstruktur erreichen.According to an advantageous embodiment of the laser system, the contacting elements can have different thicknesses. The thickness of the contacting elements can be suitably varied in order to achieve spatially different properties of the adhesive materials. In this way, a spatially different thermal conductivity can be achieved between the solid-state disk and the carrier structure.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems können die einen oder mehreren Kontaktierungselemente thermisch unterschiedlich an die Festkörperscheibe und die Trägerstruktur angebunden sein. Es lassen sich beispielsweise unterschiedliche Kleber für die Anbindung der Kontaktierungselemente an die Festkörperscheibe und/oder die Trägerstruktur verwenden, welche unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten aufweisen und so eine gezielte räumliche Wärmeabfuhr aus der Festkörperscheibe ermöglichen. Als Kleber können beispielsweise Epoxid-Kleber eingesetzt werden, welche eine geringe Schrumpfung beim Aushärten aufweisen. Auch ist möglich, eine Anbindung über Löten oder optisches Bonden vorzusehen.According to an advantageous embodiment of the laser system, the one or more contacting elements can be thermally connected to the solid-state disk and the carrier structure in different ways. For example, different adhesives can be used to connect the contacting elements to the solid-state disk and/or the carrier structure, which have different thermal conductivity coefficients and thus enable targeted spatial heat dissipation from the solid-state disk. Epoxy adhesives, for example, can be used as adhesives, which have little shrinkage when curing. It is also possible to provide a connection via soldering or optical bonding.
Für eine effiziente Wärmeabfuhr und damit einen effizienten Laserbetrieb ist es vorteilhaft, wenn der thermische Widerstand der Kontaktierung im Bereich eines radial inneren Kontaktierungselements niedrig ist. Die Effizienz der Kompensation der asphärischen Anteile des thermischen Linseneffekts durch zusätzliche Heizleistung aus der Absorption der Fluoreszenz kann verbessert werden, wenn der thermische Widerstand im Bereich eines radial mittleren Kontaktierungselements sehr hoch ist, wobei die optimalen Werte für den inneren und äußeren Radius des Kontaktierungselements sowie der optimale Wert für den thermischen Widerstand an die jeweiligen Betriebsbedingungen vorteilhaft auf der Grundlage von FEM-Rechnungen bestimmt werden können. Dabei ist die gesamte Fluoreszenzleistung im Falle eines mit 1 kHz betrieben Pulsverstärkers deutlich höher als bei einem kontinuierlich betriebenen Laserresonator, somit auch die Heizleistung.For efficient heat dissipation and thus efficient laser operation, it is advantageous if the thermal resistance of the contact in the area of a radially inner contact element is low. The efficiency of compensating the aspherical components of the thermal lens effect by additional heating power from the absorption of fluorescence can be improved if the thermal resistance in the area of a radially middle contact element is very high, whereby the optimal values for the inner and outer radius of the contact element and the optimal value for the thermal resistance for the respective operating conditions can be advantageously determined on the basis of FEM calculations. The total fluorescence power in the case of a pulse amplifier operated at 1 kHz is significantly higher than in a continuously operated laser resonator, and thus also the heating power.
Ob in einem radial äußeren Kontaktierungselement ein hoher oder besser ein mittlerer thermischer Widerstand realisiert wird, ist ebenfalls abhängig von den Betriebsbedingungen. Im Falle sehr hoher mittlerer Laserleistungen und dann insbesondere im Betrieb als Pulsverstärker ist mit einer durch ASE-Effekte deutlich erhöhten Fluoreszenzleistung zu rechnen. Hier kann ein relativ niedriger thermischer Widerstand in einem radial äußeren Kontaktierungselement vorteilhaft sein, um eine Überhitzung am radial äußeren Rand der Festkörperscheibe zu vermeiden.Whether a high or, better, a medium thermal resistance is achieved in a radially outer contacting element also depends on the operating conditions. In the case of very high average laser powers and especially when used as a pulse amplifier, a significantly increased fluorescence output can be expected due to ASE effects. In this case, a relatively low thermal resistance in a radially outer contacting element can be advantageous in order to avoid overheating at the radially outer edge of the solid-state disk.
Bekannte Verfahren, wie beispielsweise Heizen durch Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung sowie elektrisches Heizen, können eingesetzt werden, um eine Feinabstimmung zu erreichen. Zweckmäßigerweise kann durch elektrische Heizelemente, welche vorteilhaft an der der Trägerstruktur abgewandten Seite der Festkörperscheibe angeordnet werden, eine Wechselwirkung mit der Laserstrahlung reduziert werden.Known methods, such as heating by irradiating electromagnetic radiation and electrical heating, can be used to achieve fine tuning. Interaction with the laser radiation can be expediently reduced by electrical heating elements, which are advantageously arranged on the side of the solid-state disk facing away from the carrier structure.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann eine Kompensation von Einspannungseffekten der Festkörperscheibe vorgesehen sein, insbesondere eine Kompensation einer Deformation der Festkörperscheibe. Günstigerweise können die Dicken der einzelnen Elemente wie Festkörperscheibe und/oder Trägerstruktur geeignet gewählt werden, um eine Verformung der Festkörperscheibe durch die mechanische Einspannung zu vermeiden. Auch ist es möglich, adaptierbare Einspannelemente zu verwenden, um die mechanische Deformation der Festkörperscheibe zu reduzieren.According to an advantageous embodiment of the laser system, compensation for clamping effects of the solid-state disk can be provided, in particular compensation for deformation of the solid-state disk. The thicknesses of the individual elements such as the solid-state disk and/or support structure can advantageously be selected to avoid deformation of the solid-state disk due to mechanical clamping. It is also possible to use adaptable clamping elements to reduce the mechanical deformation of the solid-state disk.
Vorteilhaft können dabei Wärmesenken eingesetzt werden, welche beispielsweise CVD-Diamant-Schichten, metallische Senken, wie Kupfer/Kupfer-Wolfram, Siliziumkarbid oder ähnliche Materialien umfassen. Wärmesenken können günstigerweise aus mehreren Materialien aufgebaut sein.Heat sinks can advantageously be used, which include, for example, CVD diamond layers, metallic sinks such as copper/copper-tungsten, silicon carbide or similar materials. Heat sinks can advantageously be constructed from several materials.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems kann ein Radius der Festkörperscheibe von wenigstens dem 2-fachen eines Radius eines für das Strahlungsfeld aktiven Bereichs der Festkörperscheibe, insbesondere von wenigstens dem 3-fachen eines Grundmodenradius vorgesehen sein. Auf diese Weise lassen sich Effekte der mechanischen Verformung und/oder durch eine inhomogene Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe geeignet reduzieren.According to an advantageous embodiment of the laser system, a radius of the solid-state disk of at least twice the radius of an area of the solid-state disk that is active for the radiation field, in particular of at least three times the radius of a fundamental mode, can be provided. In this way, effects of mechanical deformation and/or of an inhomogeneous temperature distribution in the solid-state disk can be suitably reduced.
Die Steifigkeit der Trägerstruktur ist radial variierend ausgebildet. Dies kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems z.B. durch eine unterschiedliche Dicke der Trägerstruktur realisiert werden. Als einfachste Umsetzung bietet sich eine rückseitig sphärisch bearbeitete Trägerstruktur an. Auf diese Weise lassen sich Effekte der mechanischen Verformung und/oder durch eine inhomogene Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe geeignet reduzieren.The rigidity of the support structure varies radially. This can be achieved by an advantageous design of the laser system, for example, by varying the thickness of the support structure. The simplest implementation is a support structure that is spherically machined on the back. In this way, the effects of mechanical deformation and/or inhomogeneous temperature distribution in the solid-state disk can be suitably reduced.
Die Dicke der Trägerstruktur ist radial variierend ausgebildet, so dass nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Lasersystems ein Querschnitt der Trägerstruktur als ein Kreisscheibenabschnitt ausgebildet sein kann. Auf diese Weise lassen sich Effekte der mechanischen Verformung und/oder durch eine inhomogene Temperaturverteilung in der Festkörperscheibe geeignet reduzieren.The thickness of the carrier structure is designed to vary radially, so that according to an advantageous embodiment of the laser system, a cross section of the carrier structure is designed as a circular disk section In this way, effects of mechanical deformation and/or inhomogeneous temperature distribution in the solid-state disk can be suitably reduced.
Zeichnungdrawing
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawings. The figures show embodiments of the invention. The figures, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into further useful combinations.
Es zeigen beispielhaft:
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1 eine optische Wegdifferenz eines Strahlungsfelds nach der Reflektion an einer Festkörperscheibe, aufgetragen über dem Radius der Festkörperscheibe; -
2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Lasersystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit eingezeichneter Intentensitätsverteilung eines Grundmodes des Strahlungsfelds; -
3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Lasersystem nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Lasersystem nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
5 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Lasersystem nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 an optical path difference of a radiation field after reflection from a solid disk, plotted over the radius of the solid disk; -
2 a schematic sectional view through a laser system according to an embodiment of the invention with the intensity distribution of a fundamental mode of the radiation field drawn in; -
3 a schematic sectional view through a laser system according to a further embodiment of the invention; -
4 a schematic sectional view through a laser system according to another embodiment of the invention; and -
5 a schematic sectional view through a laser system according to another embodiment of the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.In the figures, components of the same type or with the same effect are numbered with the same reference symbols. The figures show only examples and are not to be understood as limiting.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.Directional terminology used below with terms such as "left", "right", "top", "bottom", "before", "behind", "after" and the like is intended only to facilitate understanding of the figures and is in no way intended to limit the scope. The components and elements shown, their design and use may vary in accordance with the considerations of a person skilled in the art and may be adapted to the respective applications.
Wenn Lasersysteme entsprechend des Konzepts des Scheibenlasers realisiert werden, so sind zwar aufgrund der typischen Eigenschaften dieses Konzepts die thermisch induzierten Phasenstörungen sehr klein. When laser systems are implemented according to the disk laser concept, the thermally induced phase disturbances are very small due to the typical properties of this concept.
Trotzdem kommt es aufgrund der Kombination aus Verformung des Verbundes aus Festkörperscheibe und Wärmesenke, welche üblicherweise als Trägerstruktur ausgebildet ist, aufgrund des Temperaturgradienten sowie der thermischen Ausdehnung des Laserkristalls und der temperaturbedingten Änderung des Brechungsindex des Laserkristalls zu einem nicht vernachlässigbaren thermischen Linseneffekt, welcher eine Verzerrung des Strahlungsfelds bewirkt.Nevertheless, due to the combination of deformation of the composite of solid-state disk and heat sink, which is usually designed as a support structure, due to the temperature gradient as well as the thermal expansion of the laser crystal and the temperature-related change in the refractive index of the laser crystal, a non-negligible thermal lens effect occurs, which causes a distortion of the radiation field.
Diese thermische Linse kann in einen sphärischen Anteil und in einen asphärischen Anteil aufgeteilt werden. Der sphärische Anteil beeinflusst dabei den Stabilitätsbereich des Laserresonators. Dies kann durch ein geeignetes Design des Resonators sowie sphärische Kompensationsoptiken kompensiert werden. Der asphärische Anteil beeinflusst den entstehenden Lasermode. Beim Betrieb nahe des Grundmodes werden ggf. signifikante Anteile in höhere Moden gebeugt, der sogenannte Beugungsverlust, so dass der Wirkungsgrad sinkt oder der Laser gar nicht betrieben werden kann. Dies gilt auch für den Betrieb als Laser.This thermal lens can be divided into a spherical part and an aspherical part. The spherical part influences the stability range of the laser resonator. This can be compensated by a suitable design of the resonator and spherical compensation optics. The aspherical part influences the resulting laser mode. When operating close to the fundamental mode, significant parts may be diffracted into higher modes, the so-called diffraction loss, so that the efficiency drops or the laser cannot be operated at all. This also applies to operation as a laser.
Falls die Einbringung der Anregungsenergie in den Laserkristall homogen in einem rotationssymmetrischen zentrierten Bereich des Laserkristalls erfolgt, so ergibt sich als typischer asphärischer Anteil der in der
Das in dem Ausführungsbeispiel in
Die
Die Kontaktierungselemente 16, 18, 20 stellen die Verbindung zur Trägerstruktur dar. Bei dem in
Die Bereiche 24, 26 stellen die Beschichtung auf der der Trägerstruktur 22 abgewandten Seite 36, der Vorderseite der Festkörperscheibe 10 dar. Bei üblichen Festkörperscheiben-Lasern nach dem Stand der Technik weist die Beschichtung 24, 26 die gleichen Eigenschaften auf. Die Beschichtungsbereiche 24, 26 stellen üblicherweise Anti-Reflex-Schichten dar und können beispielsweise Beschichtungen mit Ta2O5, SiO2, Al2O3 umfassen.The
Zur Veranschaulichung der geometrischen Verhältnisse ist über dem radialen Schnitt des Lasersystems 100 die typische radiale Intensitätsverteilung 40 eines Grundmodes des Strahlungsfelds dargestellt, wobei w0 der sogenannte Modenradius des Grundmodes ist. Die Intentensitätsverteilung 40 ist über der lateralen Ausdehnung der Festkörperscheibe 10 dargestellt, welche rotationssymmetrisch mit einer Symmetrieachse 66 ausgebildet ist. Die Radien für die Werte 1,7 x w0, sowie 3 x w0 sind ebenfalls eingezeichnet. Die Festkörperscheibe 10 weist einen maximalen Radius 68, die Trägerstruktur einen maximalen Radius 52 als laterale Ausdehnung auf.To illustrate the geometric relationships, the typical
Bei dem in
Bei der erfindungsgemäßen Modifikation des Scheibenlaseraufbaus ist die Realisierung der Beschichtungsbereiche 24, 26 auf der Vorderseite 36 so, dass sie im Bereich 24 wie beim üblichen Design ausgeführt ist, während im Bereich 26 die Beschichtung unter einem breiten Winkelbereich für die Fluoreszenzwellenlängen absorbierend realisiert ist.In the modification of the disk laser structure according to the invention, the realization of the
Die Absorption kann dabei in radialer Richtung konstant oder radial variierend sein, z.B. nach radial außen hin ansteigende Absorption. Insbesondere kann die Absorption einen in radialer Richtung im Wesentlichen gestuft veränderlichen Absorptionsgrad aufweisen. Da eine Absorption bei den Fluoreszenzwellenlängen zugleich eine Absorption bei der Laserwellenlänge bedeutet, kann der absorbierende Bereich 26 einen inneren Radius 48 von mindestens 1,5 x w0 haben, bevorzugt 2 x w0, wobei w0 den Grundmodenradius darstellt. In der
Eine einfache Realisierung für eine solche Beschichtung der Vorderseite 36 kann beispielsweise erreicht werden, indem die Festkörperscheibe 10 vor dem Aufbringen der Beschichtung mit einer dünnen Schicht Chrom bedampft wird, wobei der Bereich 24 durch eine Blende oder einen Schutzlack abgedeckt wird. Nach Entfernen der Blende oder des Schutzlacks kann dann eine übliche Beschichtung aufgebracht werden. Der Radius des Bereichs 24 relativ zu dem Radius des absorbierenden Bereichs 26 kann günstigerweise durch thermisch-mechanische Modellierung oder experimentell bestimmt werden.A simple implementation for such a coating of the
In
Eine weitere Möglichkeit der Einbringung zusätzlicher Wärme in die Festkörperscheibe 10 kann durch erhöhte Streuung und Absorption an Oberflächenstrukturen ermöglicht werden. Durch Oberflächenbearbeitung an der Stelle des Segments 28, zum Beispiel durch mechanische Materialbearbeitung und/oder Lasermaterialbearbeitung, kann lokal die Absorption der Fluoreszenz und der Laserstrahlung erhöht werden.Another possibility for introducing additional heat into the solid-
Eine Erhöhung der Absorption kann alternativ auch durch gezielte lonenimplantation in einen Bereich 14 der Festkörperscheibe 10 erreicht werden. Als Bereich der Festkörperscheibe kann günstigerweise der optisch nicht aktive Bereich 14 gewählt werden, der radial außerhalb des optisch aktiven Bereichs 12 der Festkörperscheibe 10 angeordnet ist. Hier kann die lonendichte radial- und tiefenabhängig gezielt optimiert werden. Die Ionen können dabei absorbierend für die Pumpwellenlänge und/oder für die Fluoreszenzwellenlänge sein. Auch in diesem Fall kann vorteilhaft der Bereich der freien Apertur groß genug gewählt werden, um die Absorption des gewünschten Grundmodes nicht zu stark zu dämpfen.An increase in absorption can alternatively be achieved by targeted ion implantation in a region 14 of the solid-
Ebenso kann der Ort des Segments 28 relativ zu dem nicht-aktiven Bereich 14 der Festkörperscheibe 10 optimiert werden, um eine geringe Wellenfrontverzerrung des Strahlungsfelds innerhalb der Festkörperscheibe 10 zu gewährleisten. Durch Modellierung und/oder Experimente kann die Anordnung und Ausbildung des Segments 28 vorteilhaft optimiert werden.Likewise, the location of the segment 28 relative to the non-active region 14 of the solid-
Durch Modifikation der Trägerstruktur 22 durch den Schlitz 30 kann der radiale Wärmetransport reduziert werden, um einen effektiven Unterschied in der Kühlung zwischen Zentrum und Randbereich der Festkörperscheibe 10 zu realisieren. Durch den Schlitz 30 in der Trägerstruktur 22 wird der Materialwärmetransport in der Wärmesenke reduziert, so dass im Außenbereich durch schlechteren Kühlmittelfluss und geringere radiale Kühlung innerhalb der Wärmesenke sich eine erhöhte Temperatur innerhalb der Festkörperscheibe 10 einstellt. Der Ort zur lokalen Modifikation der Trägerstruktur 22, um zusätzlichen Wärmeeintrag im äußeren Bereich zu erzielen, kann vorteilhaft optimiert werden durch thermisch-mechanische Modellierungen und/oder Experimente.By modifying the support structure 22 through the slot 30, the radial heat transport can be reduced in order to achieve an effective difference in cooling between the center and edge area of the solid-
Als eine weitere Möglichkeit, die Wärmeleitung von der Festkörperscheibe 10 in die Trägerstruktur 22 und innerhalb der Trägerstruktur 22 lateral variabel zu gestalten, kann die axiale Dicke 58 der Trägerstruktur 22 über die radiale Ausdehnung 52 der Trägerstruktur 22 variiert werden. Wie bei den Ausführungsbeispielen in den
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können in einer Modifikation der thermischen Anbindung zwischen Festkörperscheibe 10 und Trägerstruktur 22 beispielsweise die einen oder mehreren Kontaktierungselemente 16, 18, 20 als Kompensationsmittel 32 zwischen Festkörperscheibe 10 und Trägerstruktur 22 unterschiedlich wärmeleitend ausgebildet sein. Die Kontaktierungselemente 16, 18, 20 können dabei beispielsweise unterschiedliche Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen. Die einen oder mehreren Kontaktierungselemente 16, 18, 20 können beispielsweise auch thermisch unterschiedlich an die Festkörperscheibe 10 und die Trägerstruktur 22 angebunden sein, indem beispielsweise unterschiedliche Kleber zu Anbindung verwendet werden.In a further embodiment, in a modification of the thermal connection between solid-
Für eine effiziente Wärmeabfuhr und damit einen effizienten Laserbetrieb ist es vorteilhaft, wenn der thermische Widerstand der Kontaktierung im Bereich des radial inneren Kontaktierungselements 16 niedrig ist. Die Effizienz der Kompensation der asphärischen Anteile des thermischen Linseneffekts durch zusätzliche Heizleistung aus der Absorption der Fluoreszenz kann verbessert werden, wenn der thermische Widerstand im Bereich des radial mittleren Kontaktierungselements 18 sehr hoch ist, wobei die optimalen Werte für den inneren und äußeren Radius des Kontaktierungselements 18 sowie der optimale Wert für den thermischen Widerstand an die jeweiligen Betriebsbedingungen vorteilhaft auf der Grundlage von FEM-Rechnungen bestimmt werden können.For efficient heat dissipation and thus efficient laser operation, it is advantageous if the thermal resistance of the contact in the area of the radially
Ob im radial äußeren Kontaktierungselement 20 ein hoher oder besser ein mittlerer thermischer Widerstand realisiert wird, ist ebenfalls abhängig von den Betriebsbedingungen. Im Falle sehr hoher mittlerer Laserleistungen und dann insbesondere im Betrieb als Pulsverstärker ist mit einer durch ASE-Effekte deutlich erhöhten Fluoreszenzleistung zu rechnen. Hier kann ein relativ niedriger thermischer Widerstand im Kontaktierungselement 20 vorteilhaft sein, um eine Überhitzung am Rand der Festkörperscheibe 10 zu vermeiden.Whether a high or, better, a medium thermal resistance is realized in the radially outer contacting
Die thermische Anbindung kann modifiziert werden durch Einbringung von Material mit anderer Wärmeleitfähigkeit, Verwendung von unterschiedlichen Klebern mit anderen thermischen Eigenschaften, durch Weglassen der thermischen Anbindung oder Modifizierung der Kleberdicke in den unterschiedlichen Kontaktierungselementen 16, 18, 20.The thermal connection can be modified by introducing material with different thermal conductivity, using different adhesives with different thermal properties, by omitting the thermal connection or by modifying the adhesive thickness in the different contacting
Durch Einbringen von elektrischer Heizleistung in die Festkörperscheibe 10 kann eine geringe Beeinflussung des Laserverstärkungsprozesses dadurch erreicht werden, dass die elektrische Leistung an der Rückseite 38 der Festkörperscheibe 10, z.B. in die Kontaktierungselemente 16, 18, 20 eingebracht wird. Das ist nicht sehr effizient, kann aber als „Feintuning“ der zusätzlichen Heizung genutzt werden. Sinnvollerweise kann dies in den Kontaktierungselementen 18 und 20 erfolgen. Neben einer radialsymmetrischen Heizung bietet sich hier auch eine azimutal variierende Heizung an, um kleine Asymmetrien auszugleichen.By introducing electrical heating power into the solid-
In
Temperaturgradienten in dem Verbund aus Festkörperscheibe 10 und Trägerstruktur 22 sowie die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Festkörperscheibe 10 und Trägerstruktur 22 können zu einer Verbiegung dieses Verbundes unter thermischer Last führen. Aufgrund der Einspannungsbedingungen am radial äußeren Rand von Festkörperscheibe 10 und/oder Trägerstruktur 22, in
Ein Kompensationsmittel 32 für die Verringerung dieser Störungen kann ein ausreichend großer Innendurchmesser der Einspannung 72 sein, d.h. eine ausreichend große freie „mechanische Apertur“. In der
Alternativ kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Radius von Festkörperscheibe 10 und mechanischer Einspannung 72 größer als das Doppelte des Radius des „aktiven“ Bereichs der Festkörperscheibe 10 gewählt wird. Wie in
Eine weitere wirkungsvolle Methode zur Minimierung dieser zusätzlichen nichtsphärischen Phasenstörungen ist eine radiale Variation der mechanischen Steifigkeit des Verbunds aus Festkörperscheibe 10 und Trägerstruktur 22. Eine technisch einfache Lösung hierfür ist die in der
Es kann weiter vorteilhaft sein, wenn eine Steifigkeit der Trägerstruktur 22 radial variierend ausgebildet ist. Insbesondere kann dazu eine Dicke 58 der Trägerstruktur 22 radial variierend ausgebildet sein. So kann zweckmäßigerweise ein Querschnitt der Trägerstruktur 22 als ein Kreisscheibenabschnitt ausgebildet sein.It can also be advantageous if the rigidity of the support structure 22 is designed to vary radially. In particular, a
Eine günstige Variation lässt sich aufgrund der komplexen Verhältnisse aus Wärmeeintrag, unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, Elastizitätsmodulen etc. iterativ mit FEM-Verfahren bestimmen. Aus Gründen der technischen Fertigbarkeit bietet sich eine sphärische Formgebung an, die zwar nur eine Näherung sein kann, aber bereits deutliche Vorteile bringt.A favorable variation can be determined iteratively using FEM methods due to the complex relationships between heat input, different expansion coefficients, elastic moduli, etc. For reasons of technical manufacturability, a spherical shape is recommended, which can only be an approximation, but already brings clear advantages.
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