DE19515704C2 - Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gekühlten diodengepumpten Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE 39 14 492 A1 bekannt.

Festkörperlaser werden im allgemeinen durch die Zufuhr optischer Energie zur Lasertätigkeit angeregt ("optisches Pumpen"). Die Quelle dieser Energie sind dabei konventionelle Krypton- oder Xenonlampen, neuerdings auch im nahen Infrarotbereich emittierende Halbleiterdioden.

Halbleiterlaser sind dabei nahezu ideale Lichtquellen für die optische Anregung von Festkörperlasern. Sie zeichnen sich im Vergleich gegenüber konventionellen Lampen insbesondere durch eine gute spektrale Anpassung der Pumpstrahlung an die Absorptionsbanden des laseraktiven Kristalls sowie eine hohe Lebensdauer aus und ermöglichen die Entwicklung von kompakten, nur aus Festkörpermaterialien aufgebauten, effizienten Lasersystemen, die sich durch geringe Abmessungen und hohe Wirkungsgrade auszeichnen. Stand der Technik sind heute das sogenannte longitudinale und transversale Pumpen von im allgemeinen zylindrischen Medien. Die effizientesten Lasersysteme lassen sich mit der longitudinalen Pumpgeometrie verwirklichen. So lassen sich bei guter Anpassung der Laserdioden-Strahlung auf eine Absorptionsbande des Festkörperlasermaterials Systeme entwickeln, bei denen das Verhältnis zwischen optischer Pumpleistung und optischer Ausgangsleistung größer 50% erreicht. Die Ausgangsleistung dieser Systeme wird dadurch limitiert, daß einerseits keine Halbleiterlaser mit genügend hoher Ausgangsleistung zur Verfügung stehen, die gleichzeitig eine kleine, emittierende Apertur besitzen und andererseits die thermische Belastbarkeit der Laserdiodenkristalle begrenzt ist. Höhere Ausgangsleistungen sind nur mit transversaler Pumpgeometrie realisierbar, die es erlaubt, das Licht einer Vielzahl von Laserdioden oder Laserdiodenarrays in das Lasermedium einzukoppeln. Derartig konzipierte Anordnungen lassen sich grundsätzlich in direkte transversale und indirekte transversale Anordnungen unterscheiden. Direkte transversale Anordnungen haben durch die direkte Einstrahlung in das Lasermedium den Vorteil einer hocheffizienten, verlustarmen Pumplichttransmission in das Lasermedium mit vergleichsweise geringem Justageaufwand. Der Anzahl der um das Lasermedium anordenbaren Laserdiodenarrays und der Minimierung des Querschnitts des Lasermediums sind enge Grenzen gesetzt, da die Dioden auf Grund ihrer hohen Divergenz möglichst nah vor dem Lasermedium angeordnet werden müssen.

Bei indirekten transversalen Anordnungen werden die stark divergenten Strahlenbündel der Emissionsstrahlung über eine Koppeloptik in parallele oder konvergente Strahlenbündel umgeformt. Der Abstand zum Lasermedium kann damit größer gewählt werden. Auf Grund des Raumgewinns lassen sich eine weitaus höhere Anzahl von Diodenarrays um das Lasermedium anordnen. Neben hohen Justageaufwänden und damit auftretenden Stabilitätsproblemen ist auch die Kompaktheit solcher Anordnungen vermindert.

Zur Erlangung eines Hochleistungslasers mit hoher Effizienz und gutem Strahlprodukt müssen mehrere Anforderungen erfüllt sein. Die Erfüllung dieser Anforderungen erfolgt mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen auf unterschiedliche Weise und in unterschiedlichem Maße. Letztendlich stellt jede Lösung eine Kompromißlösung dar, da sich die Anforderungen einerseits teilweise entgegenstehen und natürlich andererseits die permanente Forderung nach langzeitstabilen wartungsfreien Systemen mit geringem konstruktiven und technologischen Aufwand steht.

Eine Hauptforderung ergibt sich aus der Temperaturabhängigkeit (ca. 0,25 nm/°C) der Laserdioden, auf Grund derer die Emissionswellenlänge präzise auf eine Absorptionsbande des Festkörperlasermaterials abgestimmt werden kann. Die extrem schmale Halbwertsbreite der Anregungsbande von im allgemeinen < 1 nm erfordert zwangsläufig eine notwendige Temperaturstabilisierung. Umfaßt die Pumpanordnung mehrere Einzeldioden oder Diodenarrays, so müssen diese, da sie herstellungsbedingt in ihrer Emissionswellenlänge variieren, einzeln temperaturstabilisiert werden, um sie alle genau auf die Absorptionsbande abzustimmen. Die Vielzahl von notwendigen Zu- und Abführungen für das Kühlmittel machen derartige Anordnungen aufwendig und störanfälliger, so daß man in der Regel eine gewisse Wellenlängendrift zwischen den Emissionswellenlängen in Kauf nimmt und alle in einer Ebene anzuordnenden Laserdioden oder Laserdiodenarrays auf einen gemeinsamen Kühlkörper montiert. Derartige Anordnungen sind z. B. aus US-PS 4,719,631, US-PS 5,084,886, DE 39 14 ­ 492 A1 und aus dem Buch Penser, Schmitt "Diodengepumpte Festkörperlaser", Springer-Verlag Berlin 1995 bekannt. Über den sich daraus ergebenden Nachteil, nämlich, daß mit der Drift der Emissionswellenlänge aus der Absorptionsbande des Lasermediums der erforderliche Absorptionsweg exponentiell anwächst, schweigen die Verfasser dieser Schriften. Praktisch bedeutet das für Lösungen, bei denen die Absorption mit dem einmaligen Durchlaufen des Lasermediums erfolgen soll, daß entweder hohe Energieverluste in Kauf genommen werden müssen oder der Durchmesser des Lasermediums derart vergrößert wird, daß auch noch die Emissionswellenlänge mit größer Drift, die den längsten Absorptionsweg benötigt, vollständig absorbiert wird, mit dem Ergebnis eines schlechten Strahlproduktes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörperlaser zu schaffen, der sich einerseits durch eine effektive Kühlung und andererseits durch seine Justage- und Montagefreundlichkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zwingende Voraussetzung, um die erfindungsgemäße effektive Kühlung zu erlangen, ist die Auswahl und Anordnung der Laserdiodenarrays entsprechend ihrer Emissionswellenlänge bei gleicher Betriebstemperatur. Innerhalb eines Pumpmoduls werden die Laserdiodenarrays in der Reihenfolge abnehmender Emissionswellenlänge, bezogen auf die gleiche Betriebstemperatur, angeordnet, wobei das Laserdiodenarray mit der größten Emissionswellenlänge auf die Temperatur stabilisiert wird, bei welcher die Emissionswellenlänge der Absorptionsbande des laseraktiven Mediums entspricht.

Die Temperaturstabilisierung der folgenden Laserdiodenarrays erfolgt abgestuft auf geringfügig höhere Temperaturen, wodurch die Drift der Emissionswellenlänge der Strahlung der einzelnen Laserdiodenarrays zur Absorptionsbande des laseraktiven Mediums und damit die Differenz des erforderlichen Absorptionsweges verringert wird. Die Temperaturabstufung wird durch das Aufbringen der einzelnen Laserdiodenarrays auf jeweils einen Kühlkörper erreicht, wobei eine thermische Verbindung der Kühlkörper untereinander innerhalb eines Pumpmoduls nur über das jeweilige Kühlrohr besteht. Durch die Wärmeabgabe der Laserdiodenarrays erfolgt eine Erwärmung des Kühlmittels in Richtung des Kühlmittelflußes was die unterschiedliche Temperaturstabilisierung der Kühlkörper und somit Laserdiodenarrays zur Folge hat.

Eingangsseitig sind die Kühlrohre aller Pumpmodule über eine erste Ausgleichskammer mit einem Kühlmitteleingang verbunden. Ausgangsseitig sind sie über eine zweite Ausgleichskammer mit einem Kühlmittelausgang verbunden. Dadurch wird ein kompakter Aufbau der Gesamtanordnung mit nur einem Ein- und Ausgang möglich. Insbesondere die erste Ausgleichskammer führt zum Druckausgleich, wodurch Pumpimpulse einer mit dem Kühlmitteleingang verbundenen Kühleinheit, die zu Schwingungen und damit Instabilitäten führen könnten, ausgeglichen werden. Darüber hinaus gestattet dieses Kühlprinzip eine einfache Anpassung der Konstruktion an eine unterschiedliche Anzahl von Pumpmodulen und Laserdiodenarrays.

Durch jeweils parallele Anordnung der Kühlrohrachsen zur Achse des Festkörperlaserstabes ergibt sich für die Pumpmodule eine einfache Justiermöglichkeit. Das Kühlrohr muß selbstverständlich kein wirkliches Rohr sein, sondern kann ebenso durch miteinander verbundene in den Kühlkörpern befindliche Kühlkanäle beliebigen Querschnitts und Verlaufes gebildet werden, wobei an den freien Seiten des jeweils ersten und letzten Kühlkörpers innerhalb eines Pumpmoduls Rohransätze vorhanden sind. Eine versetzte und/oder differenzierte geometrische Gestaltung der Kühlkanäle bewirkt eine turbulente Strömung des Kühlmittels und damit bessere Wärmeabfuhr als bei laminarer Strömung, wie sie mit einem Kühlrohr konstanten Querschnitts erreicht wird. Die Rohransätze oder auch Rohrenden sind drehbar gelagert, womit in zeitsparender und einfacher Weise eine Justierung der Pumpmodule zum Festkörperlaserstab möglich ist. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet einen einfachen Austausch von einzelnen Pumpmodulen oder auch des Festkörperlaserstabes, sowie den Aufbau eines hermetisch abgeschlossenen Laserkopfes.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 das Schnittbild für einen erfindungsgemäßen gekühlten diodengepumpten Festkörperlaser

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind um den Festkörperlaserstab 1, drei Pumpmodule 2 angeordnet, von denen der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung nur ein Pumpmodul 2 dargestellt ist. Die Pumpmodule 2 sind identisch aufgebaut und umfassen je zwei parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes 1 angeordnete Laserdiodenarrays 3.1; 3.2, die jeweils auf einem in der Zeichnung nicht sichtbaren Kühlkörper angeordnet sind.

Durch eine zwischen den Kühlkörpern eingebrachte Isolierfolie sind die Kühlkörper gegeneinander thermisch und elektrisch isoliert. Eine thermische Verbindung der Kühlkörper untereinander besteht jeweils über ein durch die Kühlkörper parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes 1, geführtes Kühlrohr 4. Die Kühlmittelzuführung erfolgt seitens des unterhalb des ersten Laserdiodenarrays 3.1 angeordneten ersten Kühlkörpers. Dadurch wird der erste Kühlkörper stärker und der unterhalb des zweiten Laserdiodenarrays 3.2 angeordnete zweite Kühlkörper, durch die zunehmende Erwärmung des Kühlmittels, geringer gekühlt. Es entsteht so eine geringfügige Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kühlkörper und damit eine Differenz der Betriebstemperaturen der einzelnen Laserdiodenarrays 3.1; 3.2. Die Kühlrohre 4 der drei Pumpmodule 2 sind eingangsseitig über eine erste Ausgleichskammer 5 mit dem Kühlmitteleingang 6 eines den Festkörperlaserstab 1 umschließenden Kühlzylinders 7 und einer Kühlmittelzuführung 8 verbunden. Die einzelnen Pumpmodule 2 werden im Mittel auf die gleiche Temperatur gekühlt und es findet ein Druckausgleich stattfindet. Ausgangsseitig sind die Kühlrohre 4 der drei Pumpmodule 2 über eine zweite Ausgleichskammer 9 mit dem Kühlmittelausgang 10 des Kühlzylinders 7 und einer Kühlmittelabführung 11 verbunden. Als Kühlmedium kann sowohl eine Flüssigkeit, als auch ein Gas verwendet werden.

Durch eine Vorauswahl sind sämtliche, für die Gesamtanordnung erforderlichen Laserdiodenarrays 3 so ausgewählt, daß ihre Emissionswellenlänge bei gleicher Betriebstemperatur möglichst gering voneinander abweicht.

Von den sechs ausgewählten Laserdiodenarrays 3 sind die drei mit der größten Emissionswellenlänge jeweils eingangsseitig der Kühlrohre 4 angeordnet, so daß diese mit gleicher Temperatur gekühlt werden. Die Kühlmitteltemperatur ist so gewählt, daß diese drei ersten Laserdiodenarrays 3.1 eine Emissionswellenlänge aufweisen, welche mit der Absorptionsbande des aktiven Lasermediums des Festkörperlaserstabes 1 weitestgehend übereinstimmt. Die zweiten Laserdiodenarrays 3.2 würden bei Kühlung auf die gleiche Temperatur wie die ersten Laserdiodenarrays 3.1 eine kürzere Emissionswellenlänge und damit eine Drift von der Absorptionsbande aufweisen. Durch die Kühlung in beschriebener Weise wird diese Drift verringert. Bewirkt wird dadurch eine Verringerung der Differenz des für die Absorption der Strahlung der einzelnen Laserdiodenarrays erforderlichen Absorptionswege was zu einer höheren Effizienz der Gesamtanordnung führt.

Das Kühlrohr 4 kann ebenso wie ein durch alle Kühlkörper jeweils eines Pumpmodules 2 geführtes Rohr innerhalb der Kühlkörper als Kühlkanal beliebigen Verlaufes und Querschnittes ausgebildet sein. Durch die Wahl von Länge, Verlauf und Querschnitt der Kühlkanäle kann Einfluß auf die Höhe der Temperaturdifferenz zwischen den Kühlkörpern eines Pumpmoduls genommen werden. Die Kühlkanäle können innerhalb eines Kühlkörpers verzweigt und in verschiedenen Ebenen verlaufen.

Durch die Anordnung der aus den Pumpmodulen herausragenden Kühlrohrenden parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes ist eine einfache Montage und Justage der Pumpmodule 2 zum Festkörperlaserstab 1 möglich. Die Achse des Kühlrohres bildet hierfür die Justierachse um die der gesamte Pumpmodul zwecks Justierung zum Festkörperlaserstab 1 und einer in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Koppeloptik 12 geschwenkt werden kann. Durch die Vorordnung einer Koppeloptik 12 jeweils vor einem Pumpmodul 2 kann der Abstand zwischen Pumpmodul 2 und Festkörperlaserstab 1 gegenüber einer ebenfalls denkbaren Anordnung ohne Koppeloptik vergrößert und damit eine größere Anzahl von Pumpmodulen um den Festkörperlaserstab 1 angeordnet werden.

Claims (6)

1. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser mit einem Festkörperlaserstab (1), mindestens einem transversal in den Festkörperlaserstab (1) einstrahlenden Pumpmodul (2), welches längs der Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet ist und mindestens zwei Laserdiodenarrays (3) umfaßt, die jeweils auf in Richtung des Festkörperlaserstabes (1) nebeneinander angeordneten Kühlkörpern aufgebracht sind und Kühlkanäle (4) für ein Kühlmittel aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlkörper jeweils eines Pumpmoduls (2) untereinander über einen Kühlkanal (4) thermisch verbunden sind,
daß die Laserdiodenarrays (3) jeweils eines Pumpmoduls (2) in der Reihenfolge abnehmender Emissionswellenlänge, bezogen auf die gleiche Betriebstemperatur, in Richtung des Kühlmittelflußes angeordnet sind und
daß die Kühlmitteltemperatur so gewählt ist, daß jeweils das erste in Richtung des Kühlmittelflußes angeordnete Laserdiodenarray (z. B. 3.1) eines jeden Pumpmoduls (2) auf die Temperatur stabilisiert wird, bei welcher die Emissionswellenlänge weitestgehend der Absorptionsbande des laseraktiven Mediums des Festkörperlaserstabes (1) entspricht.

2. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Pumpmodul (2) geführte Kühlkanal (4) ein- und ausgangsseitig als Kühlrohr ausgebildet ist, dessen Achse parallel zur Achse des Festkörperlaserstabes (1) angeordnet und zur Justierung drehbar gelagert ist.

3. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Pumpmodule (2) vorhanden sind.

4. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (4) der Pumpmodule (2) einerseits untereinander und mit einer Kühlmittelzuführung (8) über eine erste Ausgleichskammer (5) und andererseits untereinander und mit einer Kühlmittelabführung (11) über eine zweite Ausgleichskammer (9) verbunden sind.

5. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaserstab (1) von einem Kühlzylinder (7) mit einem Kühlmitteleingang (6) und einem Kühlmittelausgang (10) koaxial umschlossen ist und der Kühlmitteleingang (6) mit der ersten Ausgleichskammer (5) und der Kühlmittelausgang (10) mit der zweiten Ausgleichskammer (9) verbunden ist.

6. Gekühlter diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kühlkörpern zur thermischen und elektrischen Isolation eine Folie eingebracht ist.