DE19817799A1 - Festkörper-Laserbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser und insbe­ sondere einen durch einen Halbleiterlaser gepumpten Festkör­ perlaser.

In den letzten Jahren wurden aktive Forschungs- und Ent­ wicklungsarbeiten auf dem Gebiet von Festkörperlasern mit Halbleiterlaseranregung durchgeführt, wobei man in Elektronik und Maschinenbau von der Lampenanregung zur Halbleiterlaser­ anregung bei solchen Lasern wie Festkörperlasern mit niedri­ ger Ausgabe(leistung) übergeht.

Für die am weitesten verbreiteten Laserart, den Nd-YAG- Laser (Neodym-YAG; Wellenlänge: 1,06 Mikrometer), wurde ein sehr zuverlässiger, durch einen Halbleiterlaser angeregter Festkörperlaser entwickelt, der auf hoher Kristallqualität und Technologieakkumulation beruht.

Bei Anregung eines Nd-YAG-Kristalls mit einem Halblei­ terlaser beträgt jedoch bei einer Anregungswellenlänge von 808 nm die Laserwellenlänge 1064 nm, so daß die Quantenaus­ beute, bei der es sich um das Photonenenergieverhältnis han­ delt, 76% beträgt.

Von sich aus kann der optische optische Laserumwand­ lungswirkungsgrad diesen Wert nicht übersteigen. Dazu kommt, daß sich die Umwandlung von 30% der Anregungsleistung in Wärme (Wärmeerzeugungsverhältnis) nicht vermeiden läßt.

Aus diesem Grund bewirkt bei Hochleistungsanregung die im Nd-YAG-Kristall erzeugte Wärme einen Temperaturanstieg, was Verzerrung im Kristall verursacht.

Bei übermäßiger Anregung übersteigt die Wärmebeanspru­ chung die mechanische Festigkeit des Kristalls, was zu seiner Zerstörung führt. Außerdem bewirkt der Temperaturanstieg im Kristall die Bildung einer Wärmelinse und thermische Doppel­ brechung im Kristall, was die Laserkennwerte (Wirkungsgrad und Strahlqualität) beeinträchtigt.

Im allgemein treten bei einem Laser mit hoher Ausgabe, dessen Ausgabe 100 W oder mehr beträgt, diese thermisch ver­ ursachten Erscheinungen ausgeprägt auf, und solche Kennwerte wie Laserwirkungsgrad und Strahlqualität sind wesentlich schlechter als die eines Lasers mit niedriger Ausgabe.

In letzter Zeit richteten sich aktive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf Festkörperlaser mit einer Wellen­ länge im 1-Mikrometer-Band, die andere aktive Ionen als Neo­ dymionen verwenden.

Bei diesen erzielt man die vorgenannten Quantenausbeute durch Anregung eines Yb-(Ytterbium)-Festkörperlasers und spe­ ziell eines Yb-YAG-Lasers mit einem Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von 940 oder 970 nm, der Licht mit 1030 nm emit­ tiert, wodurch die Quantenausbeute des Yb-YAG-Lasers 90% übersteigt.

Aus diesem Grund ist der intrinsische Wirkungsgrad hoch. Da außerdem das Wärmeerzeugungsverhältnis etwa 10% beträgt, kann eine einfache Skalierung auf eine hohe Ausgabe bis auf das Dreifache der eines Nd-YAG-Lasers erfolgen.

Zu anderen überlegenen Merkmalen von Ytterbium gehören breite Absorptionsspektrallinien (etwa das 2,5 bis 10fache der von Nd-YAG; insbesondere 18 nm bei 940 nm und 4 nm bei 970 nm), ein großer Absorptionsquerschnitt und keine Aufwär­ tsumwandlung oder Anregungsniveauabsorption.

Da aber das untere Laserniveau ein Stark-Niveau im Grundzustandsmultiplett (Quasi-Dreiniveausystem) ist, befin­ den sich bis zu 5% aller Ytterbiumionen im unteren Laserni­ veau bei Raumtemperatur in einem thermisch angeregten Zu­ stand.

Deshalb ist es schwierig, die zur Laserschwingung erfor­ derliche Besetzungsinversion zu erreichen, und da außerdem die Besetzungszahl im unteren Laserniveau temperaturabhängig ist, sind der Schwellwert für die Laserschwingung und die Ausgabekennwerte ebenfalls temperaturabhängig.

In der Vergangenheit wurde zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrads und einer hohen Ausgabe durch Verringern der Besetzungszahl in unteren Niveaus der Kristall abgekühlt.

Beispielsweise wird in "Optics Letters", Band 16, Seite 1089 (1991) über einen Yb-YAG-Laser berichtet, der mit 941 nm angeregt und bei zwei Arbeitspunkten betrieben wird, bei de­ nen der Kristall Raumtemperatur (27°C) bzw. die Temperatur von flüssigem Stickstoff (-196°C) hat.

In "Applied Physics B", Band 58, Seite 365 (1994) findet sich ein Bericht über einen mit 940 nm und 970 nm angeregten Yb-YAG-Laser, bei dem die Kristalltemperatur von -193°C bis +27°C mit einem Kryostat unter Nutzung von Flüssigstickstoff variiert wird.

In diesen beiden Berichten wurde ein kontinuierlich schwingender Titan-Saphir-Laser als Anregungslichtquelle ver­ wendet.

In "Optics Letters", Band 21, Seite 480 (1996) wird über einen mit 940 nm durch einen Halbleiterlaser angeregten Yb- YAG-Laser berichtet, bei dem der Kristall durch ein Peltier­ element auf einer Temperatur von 15°C gehalten wird.

Außerdem berichtet "Trends in Optics and Photonics", Band 1, Seite 12 über einen Yb-YAG-Laser, der mit 940 nm durch einen Halbleiterlaser angeregt und bei dem der Kristall auf -70°C abgekühlt wird.

Die Laserkennwerte bei einem durch einen Halbleiterlaser gepumpten Yb-YAG-Laser, der für industrielle Anwendungen äu­ ßerst attraktiv ist, unterscheiden sich völlig vom zuvor be­ schriebenen Fall eines Titan-Saphir-angeregten Yb-YAG-Lasers.

Ein völlig unterschiedlicher Aspekt besteht darin, daß "eine Änderung des Absorptionswirkungsgrads bezüglich der An­ regungsleistung des Halbleiterlasers durch eine Änderung des Absorptionsspektrums des Kristalls verursacht ist, die mit einer Änderung der Kristalltemperatur einhergeht".

Bei Abkühlung verengt sich die Absorptionslinienbreite, was den Absorptionsspitzenwert verringert.

Daher ist bei einem durch einen Halbleiterlaser angereg­ ten Yb-YAG-Laser die Emissionsspektralbreite des Halbleiter­ lasers etwa die gleiche wie die Absorptionsspektralbreite des Kristalls, so daß die Spektrumüberlappung sinkt, was eine starke Änderung des Absorptionswirkungsgrads verursacht.

Das Emissionsspektrum des kontinuierlich schwingenden Titan-Saphir-Lasers ist kleiner als 0,1 nm, so daß durch eine Änderung der Absorptionslinienbreite der Absorptionswirkungs­ grad nicht beeinflußt wird.

Bisher wurde bei einem Yb-YAG-Laser, der durch einen Halbleiterlaser angeregt wird, der nahe Raumtemperatur oder bei etwa -70°C arbeitet, die Besetzung der unteren Niveaus nicht ausreichend reduziert, was zu den Problemen führte, daß "die Optimalausgabe nicht erhalten werden kann" und "ein ge­ ringer Umwandlungswirkungsgrad im optischen Bereich" vor­ liegt.

Obwohl bei übermäßiger Abkühlung des Kristalls auf den Bereich von -200°C die Besetzung der unteren Niveaus ausrei­ chend reduziert wird, sinkt jedoch der Absorptionseffekt der Anregungsleistung bei einem durch einen Halbleiterlaser ange­ regten Yb-YAG-Laser, was zu den Problemen einer verringerten Ausgabe und eines geringeren Wirkungsgrads führt.

Außerdem erfordert eine Abkühlung auf eine solche tiefe Temperatur wie -200°C einen Kryostat, der ein Medium wie Flüssigstickstoff verwendet. Zum kontinuierlichen Laserbe­ trieb muß daher ein Kühlmittel von außen zugeführt werden, was die Verwendung an Ort und Stelle in der Produktion er­ schwert, da hierfür ein äußerst kompliziertes Steuersystem zum Einsatz kommt und die Herstellungskosten hoch sind.

Zusätzlich zeigen sich die vorgenannten Probleme gemein­ sam bei Quasi-Dreiniveaulasern.

Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, diese Nachteile der herkömmlichen Technologien zu beheben und ein Festkörper-Laserbauelement mit einem vereinfachten Lasersy­ stem bereitzustellen, das eine lange Lebensdauer haben kann und die laufenden Kosten des Lasers senkt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche ge­ löst.

Durch Steuern der Betriebstemperatur des Laserkristalls auf eine geeignete Temperatur läßt sich in der Erfindung so­ wohl ein großer optischer Umwandlungswirkungsgrad des durch einen Halbleiterlaser angeregten Quasi-Dreiniveau-Festkörper­ lasers als auch eine hohe Ausgabe erreichen, was eine verrin­ gerte Leistungsausgabe des Halbleiterlasers und eine hohe Ausgabe des Quasi-Dreiniveau-Festkörperlasers ermöglicht.

Da außerdem nicht übermäßig gekühlt werden muß, ist kein Kühlmittel, z. B. Flüssigstickstoff, notwendig.

Durch Einsatz eines im geschlossenen Kreislauf arbeiten­ den Kühlers, der Frostschutzmittel als Kühlmittel verwendet, oder einer Kühlvorrichtung unter Ausnutzung von adiabatischer Ausdehnung kann ein Laser lediglich mit einer elektrischen Eingabe betrieben werden. Daher läßt er sich als Festkörper- Laserbauelement für Industrieanwendungen einsetzen.

Im folgenden wird der Fall eines Yb-YAG-Quasi-Dreini­ veaulasers beschrieben, wobei auf die jeweiligen Zeichnungen und Gleichungen Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine den Stand der Technik veranschaulichende Ansicht.

Fig. 3 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Ausgabe und des Wirkungsgrads eines Quasi-Dreiniveaulasers der Erfindung.

Fig. 4 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Besetzungs­ verhältnisses des unteren Niveaus bei einem Quasi-Dreini­ veaulaser der Erfindung.

Fig. 5 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Schwingungs­ schwelle bei einem Quasi-Dreiniveaulaser der Erfindung.

Fig. 6 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Absorptions­ wirkungsgrads bei einem Quasi-Dreiniveaulaser der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform im Stand der Technik. In einem herkömmlichen System erhält man einen Festkörperla­ ser durch einen V-förmigen Resonator, der mit einem rücksei­ tigen Spiegel 10 und einem Ausgabespiegel 9 mit einem Yb-YAG- Kristall 1 am Scheitel gebildet ist, und der durch Licht an­ geregt wird, wobei ein Halbleiterlaserstrahl 14 von einem Halbleiterlaser 13 durch eine Kollimatorlinse 12 und eine Lichtsammellinse 8 emittiert wird.

Während diese Zeichnung den Fall eines "aktiven Spie­ gels" zeigt, bei dem ein dünner scheibenförmiger Yb-YAG-Kri­ stall 1 mit einem Kühlkörper 5 verbunden ist, kann die im folgenden beschriebene Erfindung von sich aus die gleiche Wirkung unabhängig von der Konfiguration hervorbringen (z. B. mit Kantenanregung oder Seitenanregung).

Bisher kam zum Kühlen eines Ytterbiumkristalls 1 auf ei­ ne niedrige Temperatur ein Kryostat, z. B. gemäß Fig. 2, un­ ter Verwendung von Flüssigstickstoff zum Einsatz. Um in die­ sem Fall den Laser kontinuierlich zu betreiben, muß als Kühl­ mittel wirkender Flüssigstickstoff von außen intermittierend (periodisch) zugeführt werden, was den Einsatz in Industrie­ anwendungen erschwert.

Dagegen wird mit der Erfindung durch Anordnen des Kri­ stalls in einem vakuumabgedichteten (oder mit Trockenstick­ stoff abgedichteten) Gehäuse gemäß Fig. 1 der Kryostat besei­ tigt, so daß durch Abkühlen auf den Bereich von etwa -100°C, was allein durch elektrische Eingabe möglich ist, eine hohe Ausgabe und ein hoher Wirkungsgrad des Lasers selbst erreicht werden können; und da kein Kühlmittel notwendig ist, erleich­ tert sich der Einsatz in Industrieanwendungen.

Durch Verwendung einer im geschlossenen Kreislauf arbei­ tenden Kühlvorrichtung oder eines Stirling-Kühlers, der durch adiabatische Ausdehnung kühlt, kann eine Abkühlung auf den Bereich von -100°C mit lediglich einer elektrischen Eingabe erfolgen.

Im folgenden wird der Grundaufbau des Festkörper-Laser­ bauelements der Erfindung anhand von Fig. 1 beschrieben.

Gemäß Fig. 1 weist das Festkörper-Laserbauelement der Erfindung einen V-förmigen Resonator auf, der mit einem rück­ seitigen Spiegel 10 und einem Ausgabespiegel 9 mit einem Yb- YAG-Kristall 1 am Scheitel gebildet ist, und der durch Licht angeregt wird, wobei ein Halbleiterlaserstrahl 14 von einem Halbleiterlaser 13 durch eine Kollimatorlinse 12 und eine Lichtfokussierungslinse 8 emittiert wird.

Hierbei wird ein Ausgabelaserstrahl 18 vom Ausgabespie­ gel 9 ausgegeben, und der Ausgabewert des Laserstrahls 18 ist in Abhängigkeit von einem Schwingungsschwellwert eingestellt, der durch einen vorbestimmten Reflexionsgrad des Resonator­ spiegels 9 gemäß Fig. 5 bestimmt ist.

In der Erfindung ist gemäß Fig. 1 der Quasi-Dreiniveau- Festkörperlaser 1 mit einem Kristallhalter 7, der innerhalb eines in einem Vakuumzustand im Inneren gehaltenen Gehäuses 17 vorgesehen ist, und einer Kühlvorrichtung 5 in Berührung gebracht, die durch eine geeignete Temperatursteuervorrich­ tung 2 gesteuert sein kann, die den Quasi-Dreiniveau-Festkör­ perlaser 1 nur mit einem elektrischen Signal, das ihr über Leitungen 16 zugeführt wird, die die Temperatursteuervorrich­ tung 2 und die Kühlvorrichtung 5 verbinden, auf eine Tempera­ tur von etwa -100 ± 20°C abkühlen kann.

In der Erfindung kann die Kühlvorrichtung 5 bei Bedarf mit einem geeigneten Wärmetauscher 6 verbunden sein, und fer­ ner kann der Halbleiterlaserstrahl 14 auf eine Oberfläche des Quasi-Dreiniveau-Festkörperlasers 1 durch ein geeignetes Fen­ ster 11 abgestrahlt werden, das auf einer Vorderfläche des Festkörper-Laserbauelements vorgesehen ist.

Ferner ist das Festkörper-Laserbauelement in der Erfin­ dung mit einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Quasi-Dreiniveau-Festkörperlasers 1 versehen, wobei die durch den Sensor detektierten Temperaturinformationen zur Temperatursteuervorrichtung 2 über geeignete Signalleitungen 4 zu übertragen sind.

Wie zuvor erläutert wurde, weist das Festkörper-Laser­ bauelement der Erfindung grundsätzlich einen Quasi-Dreini­ veau-Festkörperlaser auf, der durch Lichtenergie angeregt wird und einen Festkörper-Laserkristall hat, wobei das Bau­ element ferner eine temperatursteuernde Kühlvorrichtung auf­ weist, die eine Kristalltemperatur des Festkörper-Laserkri­ stalls auf etwa -100 ± 20°C hält.

In der Erfindung kann das Festkörper-Laserbauelement mit der temperatursteuernden Kühlvorrichtung versehen sein, die sich lediglich durch elektrischen Strom betreiben läßt.

Ferner kann in der Erfindung der Quasi-Dreiniveau-Fest­ körperlaser in der Verwendung für das Festkörper-Laserbauele­ ment durch einen Halbleiterlaser angeregt sein.

In der Erfindung weist der Festkörper-Laserkristall des Quasi-Dreiniveau-Festkörperlasers vorzugsweise Ytterbium (Yb) als aktives Ion auf.

Genauer erläutert hat der in der Erfindung verwendete Quasi-Dreiniveau-Festkörperlaser vorzugsweise einen Yb-YAG- Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und YAG (Yttrium-Alu­ minium-Granat) als Grundmaterial oder einen Yb-YAG-Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und LuAG (Lutetium-Aluminium- Granat) als Grundmaterial.

Außerdem läßt sich in der Erfindung der Festkörper-La­ serkristall des Quasi-Dreiniveau-Festkörperlasers vorzugswei­ se durch einen Halbleiterlaser mit hoher Ausgabe und einem Band von etwa 940 nm oder 970 nm als Anregungslichtleistung anregen.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Festkörper-Laserbauelement einen durch Lichtenergie ange­ regten Quasi-Dreiniveau-Festkörperlaserkristall aufweisen, wobei das Bauelement ferner eine temperatursteuernde Kühlvor­ richtung aufweist, die den Festkörper-Laserkristall bei einer Temperatur von etwa -100 ± 20°C betreibt.

Zudem weist der Festkörper-Laserkristall einen Kristall auf, der ausgewählt ist aus einem Quasi-Dreiniveau-Festkör­ perlaser mit einem Yb-YAG-Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) als Grundmaterial und einem Quasi-Dreiniveau-Festkörperlaser mit einem Yb-YAG- Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und LuAG (Lutetium- Aluminium-Granat) als Grundmaterial, und der Quasi-Dreini­ veau-Festkörperlaser kann vorzugsweise durch einen Halblei­ terlaser mit hoher Ausgabe und einem Band von etwa 940 nm oder 970 nm als Anregungslichtleistung angeregt sein.

Als nächstes werden die optimalen Temperaturbedingungen aus Sicht der Temperaturabhängigkeit des Laserbetriebs be­ schrieben.

Allgemein lassen sich die Ausgabekennwerte eines Quasi- Dreiniveaulasers durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) beschreiben.

Hierin sind η_abs(T) der temperaturabhängige Absorpti­ onswirkungsgrad, η_B der Modenanpassungswirkungsgrad, η_S der Stokessche Faktor (d. h. Anregungswellenlänge/Laserwellen­ länge), η_C der Ausgabekoppelwirkungsgrad, P_inc die auf den Kristall treffende Anregungsleistung, P_th(T) der Wert der temperaturabhängigen Schwingungsschwellenleistung (die auf den Kristall trifft), P_out(T) die temperaturabhängige Ausga­ beleistung, T die Kristalltemperatur, A_eff die effektive Mo­ denquerschnittfläche, I_S die Sättigungsintensität, σ_em der Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission, N₀ die Dotier­ konzentration des aktivierten Elements, d die Kristallänge, f_a(T) das Besetzungsverhältnis in unteren Niveaus und δ der Resonatorverlust.

Obwohl bei einem Vierniveaulaser, z. B. einem unter Ver­ wendung von Nd-YAG, der Absorptionswirkungsgrad Temperaturab­ hängigkeit zeigt, ist die Temperaturabhängigkeit des Schwin­ gungsschwellwerts nicht so ausgeprägt wie bei einem Quasi- Dreiniveaulaser.

Zunächst wird der Effekt einer Ausgabeerhöhung aufgrund der Verringerung des Besetzungsverhältnisses unterer Niveaus beschrieben.

Das Besetzungsverhältnis der unteren Niveaus f_a(T) ist proportional zur Gesamtheit der Ytterbiumionen, die dem auf einem unteren Laserniveau befindlichen Kristall zugegeben sind.

Je größer dieser Wert ist, um so größer ist die Beset­ zung im unteren Niveau und um so schwieriger ist es daher, die zur Laserschwingung notwendige Besetzungsinversion zu er­ reichen.

In einem Quasi-Dreiniveau-Yb-YAG-Laser berechnet sich die Temperaturabhängigkeit des Besetzungsverhältnisses in un­ teren Laserniveaus nach Gleichung (3) (siehe "IEEE Journal of Quantum Electronics", Band 33, Seite 605, 1987).

Hierin sind g_i die Entartungszahl im Multiplett, g_a die Entartungszahl in unteren Laserniveaus, E_i die Stark-Ener­ gieniveaus im Multiplett und E_a die Energie in unteren La­ serniveaus.

Bei der Berechnung unter Verwendung detaillierter Daten für die Stark-Energieniveaus der Ytterbiumionen entspricht das Ergebnis Fig. 4.

Bei Raumtemperatur sind 5% der Ytterbiumionen im unte­ ren Laserniveau mit E_a = 613 cm^-1 verteilt.

Fig. 5 zeigt die Intensität des Schwingungsschwellwerts P_th(T)/A_eff in der Berechnung anhand dieser Werte für das Besetzungsverhältnis im unteren Niveau. Die Ergebnisse tat­ sächlicher Experimente fallen mit diesen Kurven sehr gut zu­ sammen.

Durch Abkühlung wird das durch Gleichung (3) berechnete Besetzungsverhältnis im unteren Niveau gesenkt, und aus Glei­ chung (2) wird deutlich, daß der Schwingungsschwellwert zu­ nehmend kleiner wird. In dem Fall, in dem die auf den Kri­ stall treffende Anregungsleistung P_inc und der Absorptions­ wirkungsgrad η_abs(T) als konstant betrachtet werden können, steigt die Ausgabeleistung P_out(T) mit der Abkühlung. Bei Temperaturen unterhalb des Bereichs von -100°C ist dieser Effekt nicht ausgeprägt.

Neben dem vorgenannten Effekt tritt bei Abkühlung ein weiterer gesonderter Effekt auf. Bei Abkühlung zeigt sich allgemein eine allmähliche Verengung der Absorptionslinien­ breite des Kristalls.

Normalerweise kommt es zur Schrumpfung auf etwa die Emissionsspektrum-Linienbreite eines Halbleiterlasers mit ho­ her Ausgabe oder auf noch kleinere Werte.

Aufgrund dieses Effekts entspricht die Temperaturabhän­ gigkeit des Absorptionswirkungsgrads η_abs(T), die durch die Überlappung des Halbleiterlaser-Emissionsspektrums mit dem Kristallabsorptionsspektrum zustande kommt, Fig. 6 (worin die Ergebnisse eines Experiments mit dem Anregungsfall mit 970 nm gezeigt sind), so daß das Absorptionsverhältnis bis in den Bereich von -100°C zwar etwa 90% seines Werts bei Raumtem­ peratur hat, aber bei tieferen Temperaturen das Absorptions­ verhältnis auf nur etwa 30% des Raumtemperaturwerts fällt.

Deshalb kommt es gemäß Gleichung (1) unter realen Bedin­ gungen, unter denen die Anregungsleistung P_inc begrenzt ist, durch Temperatursenkung zu einer Verringerung der vom Kri­ stall absorbierten Leistung, wodurch die Ausgabeleistung P_out(T) (für einen bestimmten konstanten Schwellwert P_th(T)) fällt.

Aus der Kombination der beiden zuvor beschriebenen Ef­ fekte ergibt sich folgendes.

Die durch Abkühlung erreichte Besetzungsverringerung im unteren Niveau hat eine große Auswirkung auf die Ausgabeerhö­ hung beginnend im Bereich von etwa der Raumtemperatur.

Bei Abkühlung von der Raumtemperatur auf etwa -100°C kann der Schwellwert auf etwa 1/4 gesenkt werden (von 4 kW/cm² auf 1 kW/cm²).

Da kein ausgeprägter Effekt einer Verringerung des Ab­ sorptionswirkungsgrads bis in den Bereich von -100°C vor­ liegt, zeigt für eine konstante Anregungsleistung die Laser­ ausgabeleistung die im folgenden dargestellte Abhängigkeit von der Laserkristalltemperatur.

Von nahe Raumtemperatur bis -100°C kann der Absorpti­ onswirkungsgrad als nahezu konstant behandelt werden, und die Ausgabe erhöht sich aufgrund einer Besetzungsverringerung im unteren Niveau.

Auch bei Temperaturen unter -100°C lassen sich die Be­ setzung im unteren Niveau und der Schwellwert hinreichend verringern.

Aufgrund der Verringerung des Absorptionsverhältnisses η_abs(T) sinkt jedoch die wirksame Anregungsleistung η_abs(T) P_inc, was bewirkt, das die Ausgabe zunehmend sinkt (siehe Fig. 3).

Aus den zuvor beschriebenen Erscheinungen geht hervor, daß es einen optimalen Temperaturbereich für die Abkühlung eines Yb-YAG-Laserkristalls gibt.

Durch Abkühlung auf -100°C läßt sich eine mehr als etwa dreifache Wirkungsgradzunahme und eine etwa dreifache Steige­ rung der Ausgabeleistung verglichen mit diesen Werten bei Raumtemperatur erreichen.

Zusätzlich läßt sich durch Steuerung der Kristalltempe­ ratur auf -100 ± 20°C die Ausgabeverringerung auf etwa 10 bis 20% der maximalen Ausgabe reduzieren.

Bei einem durch einen Halbleiterlaser im 970-nm-Band an­ geregten Yb-YAG-Laser konnte für eine 600-mW-Ausgabe im Raum­ temperaturbereich (6% Wirkungsgrad) im Bereich von -100°C eine Ausgabe von 2,1 W erreicht werden (22% Wirkungsgrad). Bei weiterer Abkühlung verringerte sich die Ausgabe auf 1 W (10% Wirkungsgrad) im Bereich von -200°C.

Im Prinzip würde die gleiche vorbeschriebene Art von Phänomenen auch bei Yb-YAG-Lasern mit höherer Ausgabe auftre­ ten.

Außerdem sind diese Erscheinungen auch anderen Quasi- Dreiniveaulasern eigen. Beispielsweise zeigt ein Yb-LuAG- Laser, der ebenfalls Ytterbium als aktives Ion verwendet, die gleiche Art von Temperaturabhängigkeit.

Erfindungsgemäß lassen sich durch Abkühlung des Festkör­ per-Laserkristalls auf etwa -100°C als optimale Betriebstem­ peratur, die durch den Effekt einer Laserausgabesteigerung als Folge einer Entleerung der unteren Zustände und den Ef­ fekt der Verengung der Absorptionslinienbreite mit dem Ergeb­ nis einer Senkung des Absorptionswirkungsgrads festgelegt wurde, der optische Umwandlungswirkungsgrad und die Ausgabe des Lasers maximieren, wodurch außerdem der Laser mit gerin­ gem Stromverbrauch betrieben werden kann.

Hierbei wird keine weitere Kühlung benötigt, weshalb ein Kühlmittel, z. B. Flüssigstickstoff, für den Laser entfallen kann, was den Laser vereinfacht, eine lange Betriebsdauer des Lasers ermöglicht und die laufenden Kosten des Lasers senkt.

Claims (10)

1. Festkörper-Laserbauelement mit einem Quasi-Dreiniveau- Festkörperlaser, der durch Lichtenergie angeregt wird und einen Festkörper-Laserkristall hat, wobei das Bau­ element ferner eine temperatursteuernde Kühlvorrichtung aufweist, die eine Kristalltemperatur des Festkörper- Laserkristalls von etwa -100 ± 20°C beibehält.

2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die temperatursteuern­ de Kühlvorrichtung durch elektrischen Strom betrieben wird.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Quasi-Drei­ niveau-Festkörperlaser durch einen Halbleiterlaser ange­ regt wird.

4. Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Festkör­ per-Laserkristall des Quasi-Dreiniveau-Festkörperlasers Ytterbium (Yb) als aktives Ion aufweist.

5. Bauelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Fest­ körper-Laserkristall des Quasi-Dreiniveau-Festkörperla­ sers einen Yb-YAG-Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) als Grundmaterial aufweist.

6. Bauelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Fest­ körper-Laserkristall des Quasi-Dreiniveau-Festkörperla­ sers einen Yb-YAG-Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und LuAG (Lutetium-Aluminium-Granat) als Grundmaterial aufweist.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Festkörper-Laserkristall des QuaSi-Dreiniveau-Festkör­ perlasers durch einen Halbleiterlaser mit hoher Ausgabe und einem Band von etwa 940 nm oder 970 nm als Anre­ gungslichtleistung angeregt wird.

8. Festkörper-Laserbauelement mit einem durch Lichtenergie angeregten Quasi-Dreiniveau-Festkörperlaserkristall, wobei das Bauelement ferner eine temperatursteuernde Kühlvorrich­ tung aufweist, die den Festkörper-Laserkristall bei ei­ ner Temperatur von etwa -100 ± 20°C betreibt.

9. Bauelement nach Anspruch 8, wobei der Festkörper-Laser­ kristall einen Kristall aufweist, der ausgewählt ist aus einem Quasi-Dreiniveau-Festkörperlaser mit einem Yb-YAG- Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und YAG (Yttrium- Aluminium-Granat) als Grundmaterial und einem Quasi- Dreiniveau-Festkörperlaser mit einem Yb-YAG-Kristall mit Ytterbium als aktives Ion und LuAG (Lutetium-Aluminium- Granat) als Grundmaterial.

10. Festkörper-Laserbauelement nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Festkörper-Laserkristall des Quasi-Dreiniveau-Fest­ körperlasers durch einen Halbleiterlaser mit hoher Aus­ gabe und einem Band von etwa 940 nm oder 970 nm als An­ regungslichtleistung angeregt wird.