DE10241988B3 - Diodengepumpter Festkörperlaser mit resonatorinterner thermischer Linse - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein diodengepumpter Festkörperlaser mit einem über wenigstens zwei Resonatorspiegel verfügenden, asymmetrischen optischen Resonator, der wenigstens eine resonatorinterne thermische Linse mit einer optischen Brechkraft D und jeweils zwei Hauptebenen vorsieht und durch folgende Stabilitätskriterien beschreibbar ist: DOLLAR A 0 < G¶1¶ È G¶2¶ < 1 DOLLAR A mit G¶1¶ = 1 - L*/R¶1¶ - D È d¶2¶ DOLLAR A G¶2¶ = 1 - L*/R¶2¶ - D È d¶1¶ DOLLAR A und L* = d¶1¶ + d¶2¶ - D È d¶1¶ È d¶2¶ DOLLAR A d¶1¶, d¶2¶: Abstände der Resonatorspiegel von den Hauptebenen der thermischen Linse DOLLAR A R¶1¶, R¶2¶: Krümmungsradius der Resonatorspiegel. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Größen d¶1¶, d¶2¶, R¶1¶ und R¶2¶ derart gewählt sind, dass bei folgenden kritischen Brechkräften D¶I¶, D¶II¶, D¶III¶ und D¶IV¶, für die gilt DOLLAR F1 folgende Beziehungen erfüllt sind: DOLLAR F2

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf einen diodengepumpten Festkörperlaser mit einem über wenigstens zwei Resonatorspiegel verfügenden, asymmetrischen optischen Resonator, der wenigstens eine resonatorinterne thermische Linse mit einer optischen Brechkraft D vorsieht.
• Stand der Technik
• Diodengepumpte Festkörperlaser stellen leistungsstarke, kompakte Lichtquellen dar, die durch die fortschreitende Entwicklung von Laserdioden als Pumplichtquellen beachtlich an Bedeutung gewonnen haben. So sind mittlerweile Laserdioden erhältlich, die über Pumplichtleistungen von 10 W und mehr und darüber hinaus über Emissionswellenlängenspektren verfügen, die im Bereich der optischen Absorptionsbanden für Festkörperlaser geeignete Laserkristalle liegen, wodurch eine höchst effiziente optische Anregung der Laserkristalle erzielbar ist.
• Diodengepumpte Festkörperlaser eignen sich grundsätzlich für eine Vielzahl unterschiedlicher technischer Anwendungsgebiete, bevorzugt werden sie in jenen Bereichen eingesetzt, in denen leistungsstarke, und eine kleine Bauform aufweisende Lasersysteme erwünscht sind. Bspw. werden derartige monochromatische Lichtquellen zur Materialbearbeitung, vorzugsweise zur Oberflächenmaterialbearbeitung, wie Materialabtrag, Materialveränderung oder Oberflächenveredelung eingesetzt.
• Im Bestreben, die Laserleistungen diodengepumpter Festkörperlaser weiter zu optimieren gilt es in besonderer Weise auf die Stabilität des Laserresonator bestimmende Parameter zu achten, die sich nicht nur aus den reinen Geometrieparametern des Resonators selbst zusammensetzen, wie die Krümmungsradien R₁ und R₂ der Resonatorendspiegel sowie deren gegenseitiger Abstand L, sondern zusätzlich das optische Brechkraftverhalten des optisch gepumpten Laserkristalls mit einschließen. Letzteres ist jedoch keine konstante Größe, sondern hängt in entscheidendem Maße von der Temperatur ab, die sich in erster Linie durch die von der Pumplichtintensität innerhalb des Laserkristalls hervorgerufenen Erwärmung ergibt.
• Zur Beschreibung des optischen Brechkraftverhaltens eines optisch gepumpten Laserkristalls bedient man sich üblicherweise der Vorstellung über eine optische Linse, deren Brechkraft D von der Temperatur abhängt und zur geometrischen Beschreibung über wenigstens eine Hauptebene verfügt. Zusammen mit den geometrischen Resonatorgrößen lassen sich die Stabilitätskriterien eines derartigen Resonators mit einer intrakavitären thermischen Linse – in diesem Zusammenhang ist auch die Verwendung des Begriffes „aktiver Resonator" gebräuchlich -, unter Verwendung der sog. G-Faktoren wie folgt formulieren: G1 = 1 – L*/R1 – D·d2 G2 = 1 – L*/R2 – D·d1 und L* = d1 + d2 – D·d1·d2
• In den vorstehenden Beziehungen entsprechen L* der effektiven Resonatorlänge sowie d₁ und d₂ den Abständen der Resonatorspiegeln von den Hauptebenen der thermischen Linse. R₁ und R₂ entsprechen den Krümmungsradien der Resonatorspiegel. Weitere Einzelheiten hierzu sind aus dem Buch von W. Koechner, „Solid State Laser Engineering", 5. Aufl.,1999 Seite 210 ff. zu entnehmen.
• Zur Beschreibung eines stabilen aktiven Resonators gilt für G, und G₂ die Bedingung: 0 < G₁G₂ < 1. Trägt man die linear von der Brechkraft D abhängigen Faktoren G₁ und G₂ zur graphischen Darstellung in ein Stabilitätsdiagramm ein, wie es aus dem vorstehend zitierten Buch von Koechner auf S. 213 in 5.13 hervorgeht, so liegen die G-Parameter eines vorgegebenen Resonators, der durch die Geometrieparameter R₁, R₂ sowie L (tatsächlicher Abstand zwischen den Resonatorspiegeln) definiert ist, bei variabler Brechkraft D auf einer Geraden.
• Ein derartiges Stabilitätsdiagramm ist in 2 dargestellt, längs dessen Abszisse G₁ und längs dessen Ordinate G₂ aufgetragen sind.
• Geht man vom einfachsten Fall eines optischen Resonators mit intrakavitärer thermischer Linse aus, deren Brechkraft sich nicht ändert, so ließe sich ein derartiger Resonator durch einen einzigen Punkt innerhalb des Stabilitätsdiagramm beschreiben.
• Im Gegensatz hierzu werden durch bestimmte Geometrieparameter definierte Resonatoren, die insbesondere über einen asymmetrischen Resonatoraufbau verfügen, d.h. die Krümmungsradien der Resonatorspiegel unterscheiden sich voneinander, durch Geraden beschrieben, siehe hierzu die Geraden AS1 und AS2, doch bestimmt sich das Stabilitätsverhalten dieser Resonatoren durch die temperaturabhängige Brechkraft D, die im einzelnen unterschiedlichen kritische Brechkräfte D_I, D_II, D_III und D_IV annehmen kann.
• Es zeigt sich, dass ein asymmetrischer Resonator mit intrakavitärer thermischer Linse längs einer Geraden AS1 bzw. AS2 innerhalb zwei getrennter Bereiche ein stabiles Schwingungsverhalten zeigt. Beide stabile Schwingungsbereiche sind in Bezug auf die Brechkraft gleich groß bzw. breit ausgebildet. Für das Stabilitätsverhalten eines derartigen asymmetrischen Resonators erweisen sich die Bereichsgrenzen, die sog. kritischen Brechkräfte D_I, D_II, D_III, sowie D_IV als besonders relevant. So kennzeichnen die kritischen Brechkräfte eben jene Übergangsstellen, an denen das stabile Schwingungsverhalten eines asymmetrischen Resonators bei Über- bzw. Unterschreiten der kritischen Brechkraft instabil wird. Die stabilen Bereiche sind in 2 durch entsprechende Schraffuren jeweils unter den Hyperbelästen dargestellt.
• Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen lässt sich der in der US 5,638,397 beschriebene diodengepumpte Festkörperlaser mit einer konfokal zu konzentrisch ausgebildeten Resonatoranordnung entsprechend charakterisieren.
• So zeichnet sich der in der vorstehenden Druckschrift beschriebene diodengepumpte Festkörperlaser durch einen weitgehend symmetrischen Resonatoraufbau aus, der Resonatortypen umfasst, die neben reinen symmetrischen Resonatoren auch jene asymmetrischen Resonatortypen mit einschließt, die über ein sehr nahes an konfokalen Resonatoren eigentümliches Stabilitätsverhalten verfügen, d.h. das Resonatorverhalten derartiger Resonatoren ist durch G-Werte beschreibbar, die sehr nahe am Ursprung des Stabilitätsdiagramms liegen.
• Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörperlaser mit einem über wenigstens zwei Resonatorspiegel verfügenden, asymmetrischen optischen Resonator, der wenigstens eine resonatorinterne thermische Linse mit einer optischen Brechkraft D vorsieht, derart auszubilden, dass die Baugröße des Resonators verkleinert, insbesondere die Resonatorlänge verkürzt werden soll, um einen äußerst kompakten Resonatoraufbau zu erhalten. Zugleich sollen zeitlich kurze Pulse von weniger als 100 Nanosekunden, vorzugsweise kleiner 10 ns, mit sehr hohen Pulsspitzenleistungen erreichbar sein, und dies bei möglichst hohen Repititonsraten von bis zu 150 kHz. Ziel ist es einen möglichst kompakten Laser, vorzugsweise zur Materialbearbeitung zu schaffen, mit dem Materialoberflächen bearbeitet werden sollen, bspw. zu Zwecken der Gravur, die zur erfolgreichen Materialbearbeitung eine kritische Leistungsdichte voraussetzen.
• Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Merkmale, die den Erfindungsgedanken ausbilden, sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
• Erfindungsgemäß ist ein diodengepumpter Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass die Größen d₁, d₂, R₁ und R₂ derart gewählt sind, dass bei folgenden kritischen Brechkräften D_I, D_II, D_III und D_IV, für die gilt

  

  folgende Beziehungen erfüllt sind: DII – DI = DIV – DIII ≥ 8 dptr. |DIII – DII| ≥ 2 dptr.
• Im Unterschied zu den bislang üblichen Resonatorbauformen, die sich durch symmetrische oder weitgehend symmetrische Resonatorformen auszeichnen, wie es bspw. aus der eingangs zitierten US 5,638,397 hervorgeht, ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass durch eine bewusst asymmetrische Resonatorbauform, vorzugsweise in Art eines konvex-planen, konvex-konkaven oder konvex-konvexen Resonatortyps, und unter Verwendung eines als resonatorinterne thermische Linse wirkenden Laserkristalls eine höchst kompakte ,diodengepumpte Festkörperlaseranordnung realisierbar ist, die Nanosekundenpulse bei sehr hohen Pulsspitzenleistungen und bei hohen Repititonsraten zu erzeugen in der Lage ist.
• Die kritischen Brechkräfte D_I und D_II begrenzen einen ersten Bereich, innerhalb dem der erfindungsgemäß ausgebildete diodengepumpte Festkörperlaser bei sich ändernden Brechkraftwerten stabil schwingt. Dies gilt ebenso für die Brechkraftgrenzen D_III und D_IV, die als kritische Brechkräfte den zweiten stabilen Bereich begrenzen, innerhalb dem der asymmetrische Resonator stabile Schwingungseigenschaften aufweist. Erfindungsgemäß wird nun von der thermischen Linse in Form des Laserkristalls gefordert, dass die erlaubten Brechkraftbereiche, innerhalb der der Resonator stabil arbeitet, einen Dioptriebereich von wenigstens 8 Dioptrie überdeckt. Zudem gilt es die unmittelbar benachbarten Bereichsgrenzen beider Brechkraftbereiche D_II und D_III derart zu wählen, dass ihr gegenseitiger Abstand längs der Brechkraftskala wenigstens 2 Dioptrie entspricht. Hier gilt es zwei Fälle zu unterscheiden, nämlich jene, in denen sich die beiden erlaubten Brechkraftbereiche nicht überlappen und durch wenigsten 2 Dioptrien voneinander beabstandet sind, siehe hierzu die Gerade AS1 in 2, sowie jenen anderen Fall, bei dem sich beide Brechkraftbereiche derart überlappen, dass die kritischen Brechkräfte D_II und D_III den vorstehend beschriebenen Mindestabstand von wenigstens 2 Dioptrien einhalten, siehe Gerades AS2 in 2.
• Durch die letztgenannte Maßgabe, d.h. |D_II – D_III| > 2, ist der Mindestgrad der asymmetrischen Ausprägung des Resonators, nicht zuletzt bedingt durch die thermische Linse definiert.
• Typischer Weise wird der intrakavitäre Laserkristall longitudinal, d. h. in Richtung seiner Längserstreckung mit Hilfe eines Diodenlasers kontinuierlich gepumpt. Um möglichst kurzzeitige Lichtpulse bei hohen Spitzenleistungen, insbesondere bei hohen Repititionsraten von bis zu 150 kHz zu erzeugen, ist innerhalb des Resonators ein akustooptischer oder elektrooptischer Q-Switch-Schalter vorgesehen. Alternativ ist ein extrakavitärer Modulator vorzusehen, bspw. in Form einer hochfrequent arbeitenden Shutterblende oder eines akustooptischen Modulators, die bzw. der zu ähnlichen kurzzeitigen Lichtimpulsen führen.
• Besonders geeignete Laserkristalle, die über starke thermische optische Fokussiereigenschaften verfügen und somit die gewünschte thermische Linsenwirkung erzielen, stellen mit Nd-, Yb-, Cr-, Tn-, Ho- oder Er-dotierte Wirtskristalle dar. Grundsätzlich eignen sich mit entsprechenden Dotierkonzentrationen folgende Wirtskristall-Dotierstoffverbindungen:
  Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:GVO₄, Nd:YPo₄, Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er:YLF oder Er:GSGG.
• Kurze Beschreibung der Erfindung
• Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
• 1 schematischer Aufbau eines diodengepumpten Festkörperlasers sowie
• 2 Stabilitätsdiagramm.
• Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit In 1 ist ein schematischer Aufbau eines erfindungsgemäß ausgebildeten diodengepumpten Festkörperlasers dargestellt. Mit Hilfe eines Diodenmoduls 1, das monochromatisches Licht bei einer Wellenlänge von 808 Nanometern zu emittieren vermag, wird das Laserlicht über eine Lichtleitfaser 2 und eine Abbildungsoptik 3 über einen teildurchlässigen Spiegel 4 longitudinal in den intrakavitär vorgesehen Laserkristall 5 eingekoppelt. Der Laserkristall 5 besteht aus einem Nd:YVo₄-Kristall, der über einen besonders günstigen optischen Wirkungsgrad verfügt. Der schematisiert dargestellte Resonator weist zwei Resonatorspiegel 6, 7 auf, die über unterschiedliche Krümmungsradien verfügen. Ebenso ist intrakavitär ein akustooptischer Modulator 8, in Form eines Q-Switch-Schalters vorgesehen, der Repititionsraten von bis zu 150 kHz mit zeitlichen Pulsbreiten von wenigstens 3 Nanosekunden erzeugt.
• Selbstverständlich ist es möglich, den Laserkristall 5 auch von einer zweiten Pumplichtquelle optisch zu pumpen, die den in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel rechts zum Umlenkspiegel 9 vorgesehen sein könnte. Der Laserkristall 5 weist ein thermisches Brechkraftverhalten derart auf, dass für die kritischen Brechkräfte D_I, D_II, D_III sowie D_IV, für die gilt

  

  folgende Beziehungen erfüllt sind: DII – DI = DIV – DIII ≥ 8 dptr. |DIII – DII| ≥ 2 dptr.
• Ein derart konvektionierter diodengepumpter Festkörperlaser, der mit einer Diodenleistung von wenigstens 10 W optisch gepumpt wird, ist in der Lage, Pulsspitzenleistungen PP in Abhängigkeit von der Pulswiederholfrequenz RF gemäß der nachstehenden Tabelle zu erzielen:

  
• Überdies können Pulsweiten PW bei Pulswiederholfrequenzen RF in der nachstehenden Weise erzielt werden:

  
• Bezugnehmend auf das in 2 dargestellte Stabilitätsdiagramm seien auf die Geraden AS1 und AS2 hingewiesen. Die Gerade AS1 repräsentiert das Stabilitätsverhalten eines aktiven Resonators, dessen Laserkristall zwei voneinander beabstandete Stabilitätsbereiche aufweist, mit D_III > D_II.
• Ebenso ist jedoch auch ein aktiver asymmetrischer Resonator stabil schwingungsfähig, für den gilt D_II < D_III, wie dies die Gerade AS2 in 2 angibt.

1

Diodenlasermodul

2

Lichtleitfaser

3

Optisches Abbildungssystem

4

teildurchlässiger Spiegel

5

Laserkristall

6, 7

Resonatorspiegel

8

akustooptischer Modulator

9

teildurchlässiger Spiegel

Claims (8)

1. Diodengepumpter Festkörperlaser mit einem über wenigstens zwei Resonatorspiegel verfügenden, asymmetrischen optischen Resonator, der wenigstens eine resonatorinterne thermische Linse mit einer optischen Brechkraft D und jeweils zwei Hauptebenen vorsieht und durch folgende Stabilitätskriterien beschreibbar ist: 0 < G1·G2<1 mit G1 = 1 – L*/R1 –D·d2 G2 = 1 –L*/R2 –D·d1 und L* = d1 + d2 – D·d1·d2 d₁, d₂: Abstände der Resonatorspiegel von den Hauptebenen der thermischen Linse R₁, R₂ Krümmungsradius der Resonatorspiegel dadurch gekennzeichnet, dass die Größen d₁, d₂, R₁ und R₂ derart gewählt sind, dass bei folgenden kritischen Brechkräften D_I, D_II, D_III, und D_IV, für die gilt

   

   folgende Beziehungen erfüllt sind: DII –DI = DIV –DIII ≥ 8 dptr. |DIII –DII| ≥ 2 dptr.
2. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein intrakavitärer Güteschalter oder ein extrakavitärer Modulator vorgesehen ist.
3. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Güteschalter ein intrakavitärer akustooptischer oder elektrooptischer Q-Switch-Schalter ist.
4. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der asymmetrische optische Resonator einen konvex-planen, konvex-konkaven oder konvex-konvexen Resonatoraufbau aufweist.
5. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass intrakavitär ein Lasermedium in Form wenigstens eines Laserkristalles vorgesehen ist, der mit einem oder mehreren der folgenden Dotierstoffen dotiert ist: Nd, Yb, Cr, Tm, Ho oder Er.
6. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall aus folgenden dotierten Kristallen besteht: Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:GVO₄, Nd:YPO₄, Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er:YLF oder Er:GSGG.
7. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall über starke thermische optische Fokussiereigenschaften verfügt und die thermische Linse innerhalb des Resonators darstellt.
8. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Diodenlasereinheit als Pumplichtquelle vorgesehen ist, deren Pumplicht längs zur optischen Achse der thermischen Linse gerichtet oder gelenkt ist.