DE10327260A1 - Optische Verstärkeranordnung - Google Patents

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Claus Dipl.-Phys. Schnitzler
Reinhart Prof. Poprawe
Hans Dieter Hoffmann
Joachim Giesekus
Michael Dipl.-Ing. Leers
Marco Dipl.-Phys. Höfer
Konstantin Dipl.-Phys. Boucke
Jörg Dipl.-Phys. Luttmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Verstärkeranordnung, insbesondere für einen Festkörper- oder Diodenlaser, bei der ein verstärkendes Medium zwischen mindestens zwei Faltungselementen angeordnet ist und bei dem der Strahlengang eines Laserstrahls mehrfach von den Faltungselementen gefaltet wird. Dabei ist mindestens ein Faltungselement derart winkelselektiv ausgebildet, dass sein Reflexionsgrad für vorbestimmte Auftreffwinkel von Strahlung wesentlich größer ist als für vorbestimmte unerwünschte Auftreffwinkel.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Verstärkeranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Technische Anwendungsgebiete der Erfindung sind insbesondere diodengepumpte Festkörperlaser, und zwar sowohl Oszillator- als auch Verstärkeranordnungen, sowie Diodenlaser.
  • Stand der Technik
  • Der Markt für Hochleistungslaser für die Materialbearbeitung wird von CO2-Lasersystemen dominiert. Damit diodengepumpte Festkörperlaser konkurrenzfähig werden, sind verschiedene Konzepte zur Optimierung der Verstärkeranordnung vorgeschlagen worden. Maßnahmen zur notwendigen Erhöhung der Ausgangsleistung sind dabei jedoch meist mit einer Verschlechterung der Strahlqualität des erzeugten Laserstrahls verbunden.
  • In der US 5,271,031 wird ein modenangepasster, diodengepumpter Festkörperlaser beschrieben, der einen Block von Lasermaterial mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen und einen unter einem vorbestimmten Winkel eng gefalteten zickzackförmigen optischen Strahlengang aufweist. Dabei sind eine Mehrzahl von Pumpquellen in linearer Anordnung nahe mindestens einer der gegenüberliegenden Seitenflächen vorhanden.
  • Die EP 1 181 754 beschreibt eine optische Verstärkeranordnung mit einem einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweisenden Verstärkungsmedium, welches zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln angeordnet ist. Diese sind so gestaltet und angeordnet, dass der zu verstärkende Strahl mehrfach das Verstärkungsmedium durchläuft und seine Abmessung nach jedem Durchgang in der durch die lange Kante des Querschnitts des Verstärkungsmediums definierten Richtung größer wird. Mittels dieser Anordnung, welche auch als stabil-instabiler Hybridresonator bezeichnet werden kann, ist eine hohe Skalierung der Ausgangsleistung möglich. Diese Anordnung erfordert um effizient zu sein jedoch einen Eingangsstrahl mit relativ hoher Leistung (einige Watt), damit die Sättigungsintensität erreicht wird. Wenn die Anordnung als Resonator ausgeführt ist, ist die Strahlqualität nur eingeschränkt gut und zwar aufgrund von im Fokus auftretenden Nebenmaxima, bedingt durch den in einer Richtung instabilen Charakter des Hybridresonators.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Verstärkeranordnung bereitzustellen, bei der eine hohe Ausgangsleistung, eine möglichst hohe Ausnutzung des verstärkenden Mediums und gleichzeitig eine hohe Strahlqualität des verstärkten Strahls erreicht wird.
  • Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das oben genannte technische Problem gelöst wird durch eine optische Verstärkeranordnung, insbesondere für einen Festkörper- oder Diodenlaser, bei der ein verstärkendes Medium zwischen mindestens zwei Faltungselementen angeordnet ist, und bei der der Strahlengang eines Laserstrahls mehrfach von den Faltungselementen gefaltet wird, und bei der mindestens ein Faltungselement derart winkelselektiv ausgebildet ist, dass sein Reflexionsgrad für vorbestimmte Auftreffwinkel von Strahlung wesentlich größer ist als für vorbestimmte unerwünschte Auftreffwinkel.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass man durch mehrmaliges Falten des Laserstrahlengangs durch das verstärkende Medium einen hohen Verstärkungsfaktor erzielen und das verstärkende Medium effizient ausnutzen kann. Um dabei einen Laserstrahl hoher Strahlqualität und Leistung zu erhalten, ist dafür Sorge zu tragen, dass trotz mehrmaligen Faltens das Auftreten von verstärkten Spontanemissionen (ASE) und parasitären Oszillationen verhindert wird. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass man ein Faltungselement oder mehrere wie oben beschrieben winkelselektiv ausbildet.
  • Aufgrund der breiten Nutzbarkeit für die verschiedenen Lasertypen können die auf der Erfindung basierenden Laser in nahezu allen Bereichen verwendet werden, in denen Laser zur Materialbearbeitung, Life Sciences und Telekommunikation eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 3 Eine Ausgestaltung der Erfindung als Resonator.
  • 4 Eine Ausgestaltung der Erfindung als Oszillator-Verstärker-Anordnung.
  • 5 Eine Ausgestaltung der Erfindung als Ringresonator.
  • 6 Zusatz von mehreren in den Laserstrahlengang platzierten optischen Elementen, insbesondere zur Frequenzkonversion, Polarisation und Güteschaltung.
  • 7 Ausgestaltung des aktiven Mediums als Halbleitermedium.
  • 8 Optimierte Anordnung der verstärkenden Bereiche des Halbleitermediums.
  • In 1 ist eine beispielhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Ein Verstärkungsmedium 1 ist zwischen zwei Faltungselementen 2, 2' angeordnet. Bezugszeichen 3 bezeichnet den Strahlengang des zu verstärkenden Laserstrahls. Der Laserstrahlengang 3 wird von den zwei Faltungselementen 2, 2' mehrfach gefaltet. In dieser beispielhaften Ausführung trifft der Laserstrahl dabei auf das Faitungselement 2 bzw. 2' jeweils unter einem Winkel von ca. 10° bezogen auf dessen Flächennormale. Das Faltungselement 2 bzw. 2' ist so ausgestaltet, dass es bei diesem erwünschten Winkel ein möglichst hohes Reflexionsvermögen aufweist. Für kleinere Winkel nahe 0° liegt dagegen ein möglichst niedriges Reflexionsvermögen vor. Andernfalls könnten sich bei diesen in dieser beispielhaften Anordnung der Faltungselemente unerwünschten Winkeln von 0° oder Winkeln nahe 0° spontane Emissionen durch mehrfache Faltung mittels der Faltungselemente und mehrfachen Durchgang durch das verstärkende Medium 1 deutlich verstärken und die Inversion des verstärkenden Mediums 1 abbauen. Diese Inversion würde dann zur Verstärkung des Laserstrahls nicht mehr zur Verfügung stehen. Wesentlich ist deshalb, dass insgesamt der Reflexionsgrad für den hier gewünschten Auftreffwinkel von ca. 10° wesentlich größer ist als für den unerwünschten Auftreffwinkel von 0°. Auf diese Weise wird die Entstehung von ASE und parasitärem Lasern unterdrückt und es lässt sich eine hohe Strahlungsleistung und gute Strahlqualität des nutzbaren Ausgangssignals erreichen.
  • Die in 1 dargestellte Anordnung der Faltungselemente 2, 2' und des Strahlengangs 3, insbesondere der Auftreffwinkel der Strahlung in Bezug auf die Flächennormale des Faltungselementes 2 bzw. 2', ist nur eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee. Alternative Anordnungen sind ebenfalls denkbar.
  • So ist in 2 zum Beispiel eine Anordnung dargestellt, in der das verstärkende Medium 1 zwischen den Faltungselementen 2, 2' angeordnet ist und in der zwei weitere Faltungselemente 2'' und 2''' vorhanden sind. Bei dieser Anordnung der Faltungselemente 2, 2', 2'', 2''' und des Laserstrahlengangs 3 sind für die Entstehung von ASE und parasitären Oszillationen besonders derartige spontane Emissionen begünstigt, welche unter einem Winkel von ca. 45° auf die Faltungselemente 2, 2' treffen. Eines der Faltungselemente 2, 2' erfindungsgemäß auszugestalten, bedeutet bei dieser Anordnung somit, dessen Reflexionsvermögen so auszubilden, dass es bei einem Auftreffwinkel von Strahlung von 45° und in einem kleinen Bereich um 45° besonders niedrig ist und wesentlich kleiner als bei erwünschten außerhalb dieses Bereichs liegenden Winkeln. Statt eines der Faltungselemente 2, 2' oder zusätzlich zu einem der Faltungselemente 2, 2' kann aber auch eines der Faltungselemente 2'', 2''' winkelselektiv ausgeführt sein.
  • Die Anzahl der Faltungen des Laserstrahlengangs 3 und der Durchläufe durch das verstärkende Medium 1 ist in 1 und 2 aus Gründen der Anschaulichkeit vergleichsweise niedrig gewählt. Um einen hohen Verstärkungsfaktor erzielen zu können, ist es vorteilhaft, eine höhere Anzahl vorzusehen. Mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Faltungselemente ist eine besonders enge Faltung des Laserstrahlengangs realisierbar. Allerdings kann der Laserstrahlengang auch nicht beliebig eng gefaltet werden, da ab einer bestimmten Enge der Faltung auch die erfindungsgemäß ausgebildeten Faltungselemente das Auftreten von ASE und parasitären Oszillationen nicht mehr verhindern können.
  • Damit die Entstehung von ASE und parasitären Oszillationen besonders stark unterdrückt und eine besonders starke Erhöhung der Strahlqualität und Leistung des nutzbaren Laserstrahls erreicht wird, ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Faltungselement 2, 2', 2'', 2''' derart winkelselektiv ausgebildet ist, dass sein Reflexionsgrad für vorbestimmte Auftreffwinkel von Strahlung um mindestens einen Faktor 5 größer ist als für vorbestimmte unerwünschte Auftreffwinkel. In einer noch vorteilhafteren Ausführung der Erfindung übersteigt dieser Faktor mindestens den Wert 10.
  • Eine besonders einfach zu realisierende Ausgestaltung der Erfindung ist gegeben, wenn zumindest ein winkelselektiv wirkendes Faltungselement 2, 2', 2'', 2''' als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist. Alternative Möglichkeiten bestehen darin, zumindest ein winkelselektiv wirkendes Faltungselement 2, 2', 2'', 2''' als Gitter oder als photonische Kristallstruktur auszubilden. Diese Alternativen zeichnen sich dadurch aus, dass ihr winkelabhängiges Reflexionsvermögen sich besonders scharfkantig ausgestalten lässt und somit eine besonders ausgeprägte winkelselektive Wirkung erzielbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich wie in 1 dargestellt als reine Verstärkeranordnung ausgestalten. In diesem Fall wird ein Eingangsstrahl der Verstärkeranordnung zugeführt und dort verstärkt. Dabei durchläuft der Laserstrahl genau einmal den mehrfach gefalteten Laserstrahlengang 3 und verlässt als stark verstärkter Ausgangsstrahl die Anordnung. Der Eingangsstrahl wird typischerweise von einem hier nicht weiter beschriebenen oder dargestellten Oszillator abgegeben und ist ein Laserstrahl mit hoher Strahlqualität und relativ geringer Leistung.
  • Wie in 3 gezeigt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch selbst auch als Oszillator ausgestaltet sein. Aufgrund der hohen, mit Hilfe der Erfindung erreichbaren Strahlqualität ist diese Anwendung als besonders vorteilhaft anzusehen. Dafür wird die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung um zwei Resonatorspiegel 4, 5 ergänzt derart, dass ein Resonator gebildet wird. Die Resonatorspiegel 4, 5 sind dabei so angeordnet, dass der gewünschte mehrfach gefaltete und das Verstärkungsmedium 1 mehrfach durchquerende Laserstrahlengang 3 sich zwischen ihnen ausbilden kann. Einer der Resonatorspiegel 5 ist dabei ein hochreflektierender Spiegel, bei dem anderen Resonatorspiegel 4 handelt es sich um einen teilweise durchlässigen Auskoppelspiegel. Die von diesem Spiegel transmittierte Strahlung ist ein Laserstrahl hoher Strahlqualität und eignet sich insbesondere als Eingangsstrahl, bzw. Oszillatorstrahl für eine reine Verstärkeranordnung, in der dieser Strahl hochverstärkt wird. Durch geeignete Wahl der Anordnung und der Abmessungen von aktivem Medium und Faltungselementen 2, 2' ist es möglich, alle Moden ausser der gewünschten TEM00 Mode zu unterdrücken. Insbesondere ist eine effiziente Ausnutzung des Verstärkungsbereichs möglich, wie sie von instabilen Resonatoren bekannt ist, bei denen sich jedoch im Fokus ein bzw. mehrere Nebenmaxima ausbilden.
  • In einer weiteren Ausführungsform, welche in 4 dargestellt ist, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als zweistufige Verstärkeranordnung ausgestaltet. In einem ersten Bereich der Anordnung sind wiederum zwei zusätzliche Resonatorspiegel 4, 5 vorhanden, und es wird wie oben beschrieben ein Resonator gebildet, wobei wiederum einer der Resonatorspiegel 5 ein hochreflektierender Spiegel, der andere Resonatorspiegel 4 ein teilweise durchlässiger Auskoppelspiegel ist. Im Resonator wird ein Oszillatorstrahl generiert, der durch den Auskoppelspiegel 4 den Resonator verlässt. Im zweiten Bereich der Anordnung wird dieser Oszillatorstrahl hochverstärkt. Diese spezielle Anordnung lässt sich auch als Oszillator-Verstärker-Anordnung bezeichnen. Der Oszillator- und der Verstärkerbereich können dabei dasselbe verstärkende Medium 1 oder voneinander verschiedene verstärkende Medien verwenden. Möglich ist außerdem die gemeinsame Nutzung der selben Faltungselemente 2, 2'. Der Vorteil der Oszillator-Verstärker-Anordnung liegt in ihrem besonders kompakten, platzsparenden Aufbau.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der oben genannten, mit zwei zusätzlichen Resonatorspiegeln 4, 5 als Resonator, bzw. Laseroszillator ausgeführten Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass man den Resonator als Ringresonator ausbildet. Ein solcher ist in 5 dargestellt. Dabei sind die Resonatorspiegel 4, 5 so angeordnet, dass Laserstrahlung, die vom einen Resonatorspiegel ausgehend zum anderen Resonatorspiegel läuft, von dort nicht auf den gleichen Weg zurückgespiegelt wird, sondern über einen anderen Weg zum Ausgangspunkt zurückgelangt. Der Ringresonator wird dabei unidirektional betrieben, das heißt Laserstrahlung läuft entlang des zyklischen Laserstrahlengangs 3 nur in einer Orientierungsrichtung. Dabei ist es möglich, einen der beiden zwischen den beiden Resonatorspiegeln 4, 5 befindlichen Teilzyklen des Laserstrahlengangs 4 außerhalb des verstärkenden Mediums 1 entlang zu führen. Eine optische Diode 10, wie z.B. ein Faraday-Isolator kann in den Laserstrahlengang platziert werden, um für den unidirektionalen Betrieb des Ringresonators zu sorgen. Mit der als Ringresonator ausgestalteten Erfindung lässt sich ein besonders schmalbandiger Laserstrahl erzeugen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl für einen gepulsten Betrieb wie auch für einen Dauerstrichbetrieb vorgesehen sein. Für Anwendungen, die einen gepulsten Laserstrahl verwenden, kann die Anordnung zur Erhöhung der Pulsintensitäten und/oder zur Verkürzung der Pulse wie in 6 dargestellt durch einen Güteschalter 6 ergänzt werden. Dieser wird so angeordnet, dass der Laserstrahlengang 3 durch ihn hindurchführt, und kann dabei auch so ausgestaltet und dimensioniert sein, dass dies mehrfach geschieht. Da die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung einen Laserstrahl besonders hoher Strahlqualität bereitstellt, ist auch die Verwendung eines Güteschalters 6 mit besonders kleiner Apertur möglich. Als Güteschalter kann ein sättigbarer Absorber oder ein elektrooptischer, akustooptischer oder magnetooptischer Schalter verwendet werden.
  • Um Laserstrahlung einer anderen Wellenlänge zu erzeugen kann ein frequenzkonvertierendes Element 7 in den Laserstrahlengang der Anordnung platziert werden.
  • Des Weiteren kann eine Modenblende 8 in den Laserstrahlengang angeordnet werden, mit der transversale Moden der Laserstrahlung unterdrückt werden und somit die Laserstrahlqualität weiter erhöht werden kann.
  • Wenn die Laserstrahlung eine bestimmte Polarisation aufweisen soll, kann außerdem ein polarisierendes Element 9 in den Laserstrahlengang der Anordnung platziert werden.
  • Die oben genannten Elemente zur Güteschaltung, Frequenzkonversion und Polarisation können nicht nur wie in 6 dargestellt, sondern praktisch an beliebiger Stelle im Strahlengang platziert sein.
  • Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es ausreichend, wenn zwei Faltungselemente 2, 2' vorhanden sind. Es kann jedoch Vorteile bieten, noch weitere Faltungselemente vorzusehen. Diese können zum Beispiel auch geeignet winkelselektiv ausgebildet werden, so dass insgesamt eine noch ausgeprägtere Winkelselektion und damit Unterdrückung von parasitären Moden möglich ist. Auch sind mit weiteren Faltungselementen Laserstrahlengänge realisierbar, mit denen eine noch effizientere Ausnutzung des verstärkenden Mediums erreicht wird.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der Querschnitt des Verstärkungsmediums 1 näherungsweise rechteckig ausgeführt ist und somit zwei lange und zwei kurze Kanten aufweist. Es ist außerdem von Vorteil, wenn das verstärkende Medium 1 so im Laserstrahlengang 3 angeordnet ist, dass dieser mehrfach die langen Kanten des Querschnitts des verstärkenden Mediums durchquert.
  • Es bietet sich an, das verstärkende Medium 1, vor allem bei Verwendung eines Festkörpermediums, optisch zu pumpen, vorzugsweise geschieht dies mit Diodenlaserstrahlung. Derartige Dioden-Pumpanordnungen zeichnen sich durch hohe Effizienz und Strahlqualität, lange Lebensdauer und geringe Abmessungen aus. Es ist dabei möglich, das verstärkende Medium 1 longitudinal bzw. „End-on", das heißt parallel zum zu verstärkenden Laserstrahl zu pumpen oder aber von der Seite „transversal", das heißt senkrecht zum zu verstärkenden Laserstrahl. Bevorzugt wird eine longitudinale Pumpanordnung, da diese einen geringeren Aufwand bei der Strahlformung und -fokussierung erfordert und eine deutlich höhere Skalierbarkeit der Laserleistung ermöglicht. Bei Verwendung von Diodenlasern als Pumpquelle kann – z.B. durch eine Anordnung der Diodenlaser nebeneinander bei gleichzeitiger Vergrößerung des aktiven Mediums in dieser Richtung – die Ausgangsleistung nahezu beliebig skaliert werden. Damit das Pumpen des verstärkenden Mediums 1 besonders einfach ist und eine kompakte Bauweise erlaubt, ist es vorteilhaft, wenn ein Faltungselement 2 oder 2' für das Licht der Wellenlänge der Pumpstrahlung transmittierend ausgebildet ist und die Einstrahlung der Pumpstrahlung durch dieses Faltungselement 2 oder 2' hindurch erfolgt. Die Pumpstrahlung trifft dann auf das verstärkende Medium 1 von der Seite her über eine der langen Kanten seines näherungsweise rechteckigen Querschnitts bestrahlt. Möglich ist auch die Einstrahlung des Pumplichtes von zwei Seiten über beide lange Kanten, wobei dann zwei Faltungselemente 2, 2' dementsprechend ausgebildet sind.
  • Indem man wie oben beschrieben für das verstärkende Medium einen rechteckigen Querschnitt vorsieht und es longitudinal von der Seite her über eine der langen Kanten optisch pumpt, und die Kühlung über die Flächen senkrecht zu Faltungsebene erfolgt, lässt sich eine hohe Strahlqualität erzielen, da thermische Störungen weitgehend vermieden werden. Diese werden im Allgemeinen verursacht durch die im Verstärkermedium auftretende Verlustwärme. Aufgrund der rechteckigen Form und der vorhandenen Kühlgeometrie liegt hier jedoch eine annähernd eindimensionale Wärmeleitung vor, das bedeutet in Richtung des Laserstrahlengangs 3 kommt es nahezu zu keinen thermischen Effekten, wie Doppelbrechung, thermische Linsenwirkung und Depolarisationsverlusten. Dies ermöglicht es, durch eine enge Faltung des Laserstrahlengangs 3 und hohe Anzahl von Durchgängen durch das verstärkende Medium 1 einen hohen Verstärkungsfaktor zu erzielen ohne signifikant an Strahlqualität einzubüßen.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem verstärkenden Medium 1 um ein Festkörpermedium, jedoch sind auch andere Medien denkbar. Generell zeichnen sich Festkörperlaser durch eine vergleichsweise hohe Strahlqualität und eine geringe Baugröße aus.
  • Alternativ kann das verstärkende Medium 1 auch als Halbleitermedium ausgebildet sein. Die Vorzüge eines derartigen aktiven Mediums sind allgemein bekannt, insbe sondere ist eine besonders einfache Anregung durch einen elektrischen Strom mittels Anlegen einer äußeren Spannung möglich. Eine Anordnung mehrer emittierender einzelner Laser mit Zwischenräumen nebeneinander angebracht auf einer Grundfläche, wie sie bei kommerziell verfügbaren Laserbarren vorhanden ist, eignet sich besonders in Verbindung mit winkelselektiven Faltungselementen. Allgemein lässt sich ein solches verstärkendes Medium derart beschreiben, dass es verstärkende Bereiche 11 und nicht-verstärkende Bereiche 12 aufweist, wie in 7 skizziert. Besonders günstig ist es, wenn diese Bereiche derartig dimensioniert und/oder angeordnet sind, dass der innerhalb des verstärkenden Mediums 1 liegende Teil des Laserstrahlengangs vollständig innerhalb von verstärkenden Bereichen 11 verläuft. Vorzugsweise ist die Anordnung der verstärkenden Bereiche eng mit den Strahlrichtungen der einzelnen Abschnitte des Laserstrahlengangs 3 korreliert, wie in 8 dargestellt. Auf diese Weise lässt sich eine besonders hohe Effizienz erzielen, da eine optimale Überlappung von verstärkenden Bereichen und Laserstrahl gegeben ist.
  • Die Reflektivität der Faltungselemente 2, 2', 2'', 2''' für Strahlung, die unter dem gewünschten Faltungswinkel einfällt, sollte in den meisten Fällen vorzugsweise dem Wert R = 1 möglichst nahekommen. Es kann aber auch Vorteile bieten, die Faltungselemente 2, 2', 2'', 2''' so auszuführen, dass sie für diese Strahlung eine gezielt niedrigere Reflektivität aufweisen. Insbesondere bei Halbleiterlasern als aktivem Medium kann so die Facette der Einzelemitter vor zu hohen Intensitäten geschützt werden. Bei einer derartigen Ausführung werden an den Faltungselementen 2n Strahlen emittiert, wobei n die Anzahl der Faltungen ist. Durch die kohärente Kopplung der Einzelemitter lässt sich mit damit eine hohe Strahlqualität realisieren, anders als mit den üblicherweise inkohärent emittierenden Bereichen eines Diodenlaserbarrens.
  • 1
    Verstärkungsmedium
    2, 2', 2'', 2'''
    Faltungselement
    3
    Laserstrahlengang
    4
    teilweise durchlässiger Resonatorspiegel (Auskoppelspiegel)
    5
    Resonatorspiegel (HR-Spiegel)
    6
    Güteschalter
    7
    Frequenzkonvertierendes Element
    8
    Modenblende
    9
    Polarisierendes Element
    10
    Optische Diode für unidirektionalen Betrieb des Ringresonators
    11
    Verstärkende Bereiche des Halbleitermediums
    12
    Nicht-verstärkende Bereiche des Halbleitermediums

Claims (21)

  1. Optische Verstärkeranordnung, insbesondere für einen Festkörper- oder Diodenlaser, bei der ein verstärkendes Medium (1) zwischen mindestens zwei Faltungselementen (2, 2') angeordnet ist, und bei dem der Strahlengang (3) eines Laserstrahls mehrfach von den Faltungselementen (2, 2') gefaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Faltungselement (2 bzw. 2') derart winkelselektiv ausgebildet ist, dass sein Reflexionsgrad für vorbestimmte Auftreffwinkel von Strahlung wesentlich größer ist als für vorbestimmte unerwünschte Auftreffwinkel.
  2. Optische Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Faltungselement (2 bzw. 2') derart winkelselektiv ausgebildet ist, dass sein Reflexionsgrad für vorbestimmte Auftreffwinkel von Strahlung um mindestens einen Faktor 5 größer ist als für vorbestimmte unerwünschte Auftreffwinkel.
  3. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines winkelselektiv ausgebildeten Faltungselementes (2 bzw. 2') Strahlung, die nicht entlang eines erwünschten Laserstrahlenganges (3) verläuft, unterdrückt wird.
  4. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein winkelselektiv wirkendes Faltungselement (2 bzw. 2') als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist.
  5. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein winkelselektiv wirkendes Faltungselement (2 bzw. 2') als Gitter ausgebildet ist.
  6. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein winkelselektiv wirkendes Faltungselement (2 bzw. 2') als photonische Kristallstruktur ausgebildet ist.
  7. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens zwei Resonatorspiegel (4, 5) vorhanden sind, von denen einer dieser Spiegel ein einen Teil des Strahls transmittierender Auskoppelspiegel (4) ist.
  8. Optische Verstärkeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung mit den Resonatorspiegeln (4, 5) als Ringresonator ausgebildet ist.
  9. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Bereich der Anordnung mindestens zwei Resonatorspiegel (4, 5) vorhanden sind, von denen einer dieser Spiegel ein einen Teil des Strahls transmittierender Auskoppelspiegel (4) ist, und dass der dort ausgekoppelte Laserstrahl in einem zweiten Bereich der Anordnung verstärkt wird.
  10. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Güteschalter (6) im Laserstrahlengang angeordnet ist.
  11. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein frequenzkonvertierendes Element (7) im Laserstrahlengang angeordnet ist.
  12. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Modenblende (8) zur Einschränkung der transversalen Moden im Laserstrahlengang angeordnet ist.
  13. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein polarisierendes Element (9) im Laserstrahlengang angeordnet ist.
  14. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkende Medium (1) einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt mit zwei langen und zwei kurzen Kanten aufweist.
  15. Optische Verstärkeranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkende Medium (1) so im Laserstrahlengang (3) angeordnet ist, dass dieser mehrfach die langen Kanten des Querschnitts des verstärkenden Mediums (1) durchquert.
  16. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkende Medium (1) mittels einer optischen Pumpquelle gepumpt wird.
  17. Optische Verstärkeranordnung nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlung das verstärkende Medium (1) von der Seite her über mindestens eine der langen Kanten seines näherungsweise rechteckigen Querschnitts bestrahlt.
  18. Optische Verstärkeranordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlung vor dem Auftreffen auf das verstärkende Medium (1) durch mindestens ein Faltungselement (2 bzw. 2') läuft, welches für Licht der Wellenlänge der Pumpstrahlung transmittierend ausgebildet ist.
  19. Optische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkende Medium (1) ein Festkörpermedium ist.
  20. Optische Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkende Medium (1) ein Halbleitermedium ist und verstärkende Bereiche (11) und nicht verstärkende Bereiche (12) aufweist.
  21. Optische Verstärkeranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (11, 12) derart dimensioniert und/oder angeordnet sind, dass der innerhalb des verstärkenden Mediums (1) liegende Teil des Laserstrahlengangs (3) vollständig innerhalb von verstärkenden Bereichen (11) verläuft.
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