DE19781802B4

DE19781802B4 - Im Hohlraum verdreifachter diodengepumpter Festkörperlaser

Info

Publication number: DE19781802B4
Application number: DE19781802A
Authority: DE
Inventors: Anthony J. Woodside Alfrey; Ed Dennis Sinofsky
Original assignee: Dpss Lasersinc Santa Clara; DPSS Lasers Inc
Current assignee: Dpss Lasersinc Santa Clara; DPSS Lasers Inc
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2017-06-03
Also published as: JP3657009B2; GB2331178B; WO1997045902A1; GB2331178A; US6002695A; GB2331178A8; AU3227097A; DE19781802T1; JP2001501776A; GB9826087D0

Abstract

Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser mit:
einem ersten und einem zweiten Reflektormittel (M1, M2), die beabstandet zueinander angeordnet sind und einen Resonatorhohlraum bilden;
einem Laserkristall (S), der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist, wobei der Laserkristall länglich ist und einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, der durch eine gepumpte Seitenfläche, eine gegenüberliegende Seitenfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche definiert ist, und einander gegenüberliegende Endflächen umfasst, die die gepumpte Seitenfläche in einem spitzen Winkel schneiden;
einem Kristall zur Frequenzverdoppelung (D, Verdopplerkristall), der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist;
einem Kristall zur Frequenzverdreifachung (T, Verdreifacherkristall), der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist;
einem Diodenpumpmittel (DP) zum Pumpen des Laserkristalls (S), um eine Strahlung mit dessen Grundwellenlänge zu erzeugen, wobei eine Hohlraummode, die den Kristall durchläuft, die gepumpte Seitenfläche in der Mitte längs der Länge des Kristalls schneidet und daran reflektiert wird, wobei die Grundstrahlung in den Verdopplerkristall (D) gerichtet ist, um...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine diodengepumpte Laservorrichtung, und insbesondere einen verbesserten, im Hohlraum (cavity) verdreifachten diodengepumpten Nd:YVO4-Laser, der einen winkelabgestimmten LBO-Verdoppler und -Verdreifacher benutzt und mit hohen Wiederholungsraten und guter Gesamteffizienz betrieben wird.
Kurze Beschreibung des Standes der Technik
Laserstrahlung von 355 nm mit einer großen Durchschnittsleistung und einer hohen Wiederholungsrate (etwa 10 kHz) ist für Anwendungen nützlich, wie bspw. Stereolitographie, bei der ein UV-sensitives Flüssigpolymer laserabgetastet wird und verfestigt wird, um räumliche Modelle von komplizierten computererzeugten mechanischen Teilen in einer Schicht- für Schicht-Weise zu bilden. Die Gewinnung der dritten Harmonischen des nominellen 1-Mikrometer-Ausgangs aus den Nd:Grundmaterialien, die in Hohlräumen (cavities) mit großer Wiederholungsrate und Güte verschaltet betrieben werden, wird im Stand der Technik erreicht, indem Außer(Extra)-Hohlraum-Architekturen, wie bspw. in 1 der Zeichnung dargestellt ist, verwendet werden. Wie schematisch bei 10 gezeigt, besteht ein solcher Laser typischerweise aus einem Paar von Hohlraumspiegeln M1 und M2, einer bestimmten Art von diodengepumptem Verstärkungsmedium S, und einem Güte-Schalter Q im Hohlraum (Intra-Hohlraum). Das Ausgangssignal des Lasers, der bei einer Wellenlänge von 1.064 nm arbeitet, läuft von M1 nach außen zu einem geeigneten Linsenmittel L1 und wird in einen Verdoppler D fokussiert, der eine zweite Harmonische bei 532 nm zusammen mit der übrigen Grundwelle bei 1.064 nm erzeugt. Die Grundwelle und die zweite Harmonische werden dann von einem zweiten Linsenmittel L2 in einen Verdreifacher T fokussiert, wo eine dritte harmonische Strahlung mit 355 nm erzeugt wird. Passende Mittel, die nicht gezeigt aber im Stand der Technik bekannt sind, werden dann benutzt, um die dritte harmonische Strahlung von der Grundstrahlung und der zweiten Harmonischen zu trennen. Relativ schmale Grund(wellen)impulsbreiten (10 – 20 ns) und eine unkritische phasenangepaßte (NCPM: non-critically phase-matched) Verdopp lung erlauben es, eine gute Umwandlungseffizienz mit Lithiumtriborat (LBO) als einen Außer-Hohlraum Typ I Verdoppler und Typ II Summen-Frequenz Verdreifacher zu erhalten. Der Betrieb des NCPM-Verdopplers mit der Phasenanpaßtemperatur von 1500°C kann jedoch den optischen und mechanischen Entwurf in Systemen kompliziert machen, die einen geringen Zwischenraum zwischen einem Verdoppler und einem Verdreifacher mit sehr unterschiedlichen Temperaturen benötigen. Es wird deshalb geglaubt, daß bestimmte Vorteile und Verbesserungen erreicht werden könnten mit einer vollständigen. Im (Intra)-Hohlraum-Architektur. Während diodengepumpte Laser sehr häufig außerhalb des Hohlraums verdoppelt und verdreifacht werden, wurde eine Verdopplung/Verdreifachung im Hohlraum mit einem Bogenlampenpumpen demonstriert, wie bspw. in DE 195 06 608 A1 gezeigt. In diesem Dokument wird ein Verfahren zur Wandlung von Grundwellenstrahlung eines optisch angeregten Laserkristalls durch Summenfrequenzbildung von Harmonischen der Grundwelle beschrieben. Die Anordnung umfaßt eine Kollimationsoptik und Fokussierungsoptik, welche die Strahlung longitudinal in den Raum zwischen den Resonatorspiegeln einstrahlt. Ein erster und ein zweiter LBO-Kristall werden dabei zur Bildung der zweiten bzw. dritten Harmonischen mittels unkritischer Phasenanpassung verwendet. Zusätzlich haben andere eine Intra-Hohlraumverdopplung gefolgt von einer Außer-Hohlraumverdreifachung durchgeführt. Es wurde jedoch gezeigt, daß ein winkelabgestimmter LBO bei Raumtemperatur für die effiziente Intra-Hohlraumerzeugung der zweiten Harmonischen und der dritten Harmonischen in einem blitzlichtgepumpten Nd:YAG-Hohlraum bei relativ niedrigen Wiederholungsraten (unter 1 kHz) verwendet werden kann. Die hohe Intra- Hohlraum-Grundstrahlungs-Spitzenleistung, die mit dem Lampenpumpen erreicht wird, erlaubt die Verwendung von relativ einfachen Hohlräumen mit wenigen optischen Komponenten und langsam variierenden Lichtpunktgrößen. Uns sind keine diodengepumpten Festkörperlaser bekannt, die ein Verdoppeln und Verdreifachen im Hohlraum innerhalb eines einzigen Hohlraums durchführen.
Dokument US 5,278,852 (D1) beschreibt einen Intra-Hohlraumlaser, bei dem zwei Kristalle vorgesehen sind, die eine Frequenzverdreifachung bzw. Frequenzverdoppelung der Grundstrahlung vornehmen. Da in einer Intra-Hohlraum-Architektur der Grundstrahl und der verdreifachte Strahl kolinear sind, müssen sie getrennt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Spiegels, der nur für die dritte harmonische Strahlung durchlässig ist. Die Grundstrahlung sowie die zweite harmonische Strahlung werden dagegen an diesem Spiegel reflektiert. Die Anordnung kann darüber hinaus optional einen zusätzlichen Subresonator aufweisen, um die Ausgangleistung der höheren Harmonischen zu verstärken. Diese Methode besitzt jedoch den Nachteil, dass die auszukoppelnde dritte harmonische Strahlung nur unvollkommen übertragen wird. Darüber hinaus sind an die Beschichtung eines solchen Spiegels hohe Anforderungen zu stellen. Verbesserungen müssen deshalb bei der Trennung des UV-Strahls von der Grund strahlung vorgenommen werden. In intra-hohlraumverdoppelten Stehwellenmehrfachmodenlasern werden zwei Strahlen der zweiten Harmonischen in einem Verdoppler erzeugt, und nur einer dieser Strahlen ist für die weitere Verwendung leicht verfügbar. Obgleich ein Spiegel verwendet werden kann, um einen dieser Strahlen wiederzugewinnen, um den ersten zu überdecken, kann eine Streuung in Luft eine Phasenverschiebung zwischen den Strahlen herbeiführen, was die wirksame Leistung der sich überdeckenden Strahlen reduziert. Deshalb müssen Mittel vorgesehen werden, um dieses Phasenverschiebungsproblem in den Griff zu bekommen.
Dokument DE 25 22 338 A1 (4) zeigt einen Generator zur Erzeugung kohärenten Lichts mit einem wellenlängenselektiven Element (z.B. Prisma) zur Ausblendung einer Lichtwelle bestimmter Wellenlänge aus einem optischen Resonator. Dabei sind das die Summenfrequenz erzeugende Material und das die Harmonische erzeugende Material in dem Resonator in einer solchen Reihenfolge angeordnet, dass längs des optischen Weges des optischen Resonators das laseraktive Material auf der einen und das die summenfrequente Welle und die zweite Harmonische erzeugende Material auf der gegenüberliegenden Seite des selektiven Elements stehen. Hierbei kann ein akustischer Wandler an einem Ende des Prismas angeordnet werden, so dass das Prisma als Q-Schalter oder Sperreinrichtung wirkt. Akusto-optische Güteschalter (Q-Schalter), die mit hoher Leistung betrieben werden, werden üblicherweise wassergekühlt und würden, falls in einem Hohlraum benutzt, erfordern, daß flexible Kühlleitungen sich in den Hohlraum erstrecken, um eine notwendige Rotation und Translation des Schalters zur richtigen optischen Ausrichtung zu ermöglichen. Eine Intra-Hohlraum-Architektur würde deshalb alternative Mittel zum Kühlen des Güteschalters benötigen, falls eine Entfernung der Wasserkühlungsröhre aus dem Inneren des Laserhohlraumgehäuses gewünscht ist.
Einen diodengepumpten, multi-axial-mode, Intra-Hohlraum verdoppelten, Intra-Hohlraum verdreifachten Laser führt Dokument WO 96/37023 A1 (D2) aus. In dem, von mindestens zwei Resonatorspiegeln definierten, Hohlraum befinden sich ein Laserkristall sowie ein Verdoppelungs- und ein Verdreifachungskristall. Dabei wird mit Hilfe einer diodengepumpten Quelle und eines Laserkristalls ein Laserkristallstrahl mit mehreren axial-modi erzeugt, der auf den Verdoppelungskristall einfällt, wodurch ein frequenzverdoppelter Ausgangsstrahl entsteht. Allerdings bleibt auch der Wirkungsgrad dieser Vorrichtung verbesserungswürdig.
Um die Pumpeffizienz in einem seitengepumpten Festkörperlaser zu verbessern, kann eine Pumpmoden- und Hohlraummodenüberlappung durch ein flaches Abprallen (bounce off) von einer gepumpten Fläche erzielt werden. Ein effizienter Betrieb hängt jedoch von einem hohen Pumpabsorptionskoeffizienten und einem flachen Abprallwinkel ab. Deshalb wurde eine lange parallel gerichtete Pumpquelle verwendet, die dicht an die gepumpte Fläche gesetzt wurde, mit dem Ergebnis, daß Brechungsverluste (Strahlschneiden) an den Enden der Platte auftreten, solange die Platte nicht beträchtlich länger ist als die Pumplänge. Seitengepumpte Platten und Stäbe erreichen häufig nur schlechte Lasermodenprofile und eine schlechte Effizienz aufgrund einer ungleichmäßigen thermischen Linsenbildung, die durch asymmetrische Pumpprofile und ungleichförmige thermische Grenzen induziert wurden. Bisherige Lösungen für dieses Problem haben die Verwendung von zylindrischen Linsen umfaßt, um elliptische Hohlraummoden bereitzustellen, um asymmetrische thermische Linsen zu kompensieren. Das Vorsehen einer Intra-Hohlraum-Architektur erfordert deshalb die Berücksichtigung von mehreren Designbetrachtungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer momentan bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird kurz gesagt die Erzeugung der dritten Harmonischen bei 355 nm durch einen Intra-Hohlraum-verdreifachten diodengepumpten Nd:YVO4-Kristall erhalten, der einen winkelabgestimmten LBO-Verdoppler und -Verdreifacher verwendet, und mit hohen Wiederholungsraten und einer guten Gesamteffizienz betrieben wird. Eine Durchschnitts-UV-Leistung von über 2 Watt bei 30 kHz und 1 Watt bei 100 kHz wird typischerweise mit einem 20 Watt-Diodenfeld"balken" erhalten, der eine ein Prozent (1 %) Nd:YVO4(Vanadat)-Platte seitenpumpt. Die Vorrichtung benutzt eine Raumtemperatur-Intra-Hohlraumverdopplung und nimmt Vorteil von einem erforderlichen schmalen Strahlbauch an dem Verdoppler und Verdreifacher mit Niederenergie-CW-Diodenpumpen.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne Zweifel nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die in den mehreren Figuren der Zeichnung dargestellt ist, für den Durchschnittsfachmann klar.
ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das schematisch einen bekannten UV-Laser zeigt, der ein Verdoppeln und Verdreifachen außerhalb des Hohlraums (Extra-Hohlraum) benutzt;
2 ist ein Diagramm, das schematisch die Basiskomponenten einer erfindungsgemäßen Intra-Hohlraum-UV-Laserarchitektur zeigt;
3 zeigt die aktuellen Komponenten, die zur Umsetzung der Intra-Hohlraum-Architektur von 2 verwendet werden;
4 ist ein Diagramm, das schematisch die Intra-Hohlraumstrahlprofile der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 und 6a-6c zeigen die Modenmechanismen eines seitengepumpten Laserkristalls;
7a-7e und 8a-8b zeigen die Modenmechanismen eines seitengepumpten Laserkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt einen verbesserten elektrothermisch gekühlten Laserträger gemäß der vorliegenden Erfindung;
10a und 10b zeigen eine verbesserte Laserpumpvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt einen verbesserten Verdoppler/Verdreifacher-Träger gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 und 13 zeigen schematisch eine Phasenverschiebekompensationstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 zeigt eine aktuelle Umsetzung der Phasenverschiebekompensation, die in 12 und 13 beschrieben ist; und
15 ist eine Explosionsansicht, die einen Güteschalterträger gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 2 ist ein diodengepumpter Festkörperlaser mit einer Intra-Hohlraumverdreifachung entsprechend der vorliegenden Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Wie dargestellt umfaßt die Vorrichtung Verdopplungs- und Verdreifachungskristalle D bzw. T, eine zusätzliche Linse L, einen diodengepumpten (DP) Laserkristall S und einen Güteschalter Q, die alle innerhalb eines einzigen Hohlraums, der durch die Spiegel M1 und M2 definiert ist, enthalten sind. Die Grundstrahlung wird bei 1.064 nm erzeugt, und innerhalb des Hohlraums selbst wird eine zweite harmonische Strahlung und eine dritte Harmonische mit 355 nm erzeugt. In einem optimalen Fall ist der Spiegel M1 so beschichtet, daß er nur das Auskoppeln des 355 nm-Lichtes erlaubt. Allerdings ist es nicht einfach, Beschichtungen zu erzeugen, die sowohl die 1.064 nm-Wellenlänge als auch die 532 nm-Wellenlänge reflektieren und gleichzeitig wirkungsvoll die 355 nm- oder dritte harmonischen Wellenlängenstrahlung passieren lassen.
Entsprechend ist die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der leicht abgewandelten Form umgesetzt, die in 3 der Zeichnung dargestellt ist, die zusätzlich zu den in 2 gezeigten Elementen zusätzliche Merkmale aufweist, die die 355 nm-Strahlung wirksam extrahieren, ohne die Grundstrahlung mit 1.064 nm oder die zweite Harmonische mit 532 nm zu stören. Wie bei dem allgemein in 2 dargestellten Laser, umfaßt diese Ausführungsform einen Intra-Hohlraum-Güteschalter Q, einen Typ von diodengepumptem Plattenmedium S, eine Intra-Hohlraum-Linse L1, einen Intra-Hohlraum-Verdoppler D, einen Intra-Hohlraum-Verdreifacher T und Hohlraumspiegel M1 und M2. Zusätzlich umfaßt diese Ausführungsform ein Prisma P und einen Abgriffreflektor M3. Wie nachfolgend weiter beschrieben, be zeichnet das Bezugszeichen 22 Komponenten, die einige der Phasenverschiebungskorrekturaufgaben übernehmen, das Bezugszeichen 24 bezeichnet die Abgriffkomponenten, und das Bezugszeichen 26 umschließt Mittel zur Bereitstellung einer thermisch symmetrischen Umgebung, um die Effizienz des Lasers zu verbessern. Wie durch Pfeile mit zwei Spitzen angedeutet, ist die Grundstrahlung mit 1.064 nm in der Zeichenebene elektrisch polarisiert, wobei sie mit vernachlässigbarem Verlust durch das Prisma P hindurch und in den Verdoppler D und den Verdreifacher T läuft. Die Pfeile deuten auch an, daß sowohl die Grundstrahlung als auch die UV-Strahlung in der Zeichenebene gemeinsam polarisiert sind. Da das grüne Licht der zweiten Harmonischen (2H) bezüglich der Oberfläche des Prismas S-polarisiert ist, wird an dem Prisma P viel des grünen Lichtes von der Prismenoberfläche reflektiert. Dies ist jedoch ohne Bedeutung, da das grüne Licht bereits an dem Verdreifacher T benutzt wurde, um die dritte Harmonische (UV) zu erzeugen. Die dritte Harmonische wird mit sehr geringem Verlust durch das Prisma P übertragen und wird dadurch mit einem kleinen Winkel bezüglich der Grundstrahlung, wie mit 28 bezeichnet, abgelenkt und mit dem UV-Abgriffspiegel R extrahiert und aus dem Hohlraum ohne Verlust extrahiert.
4 zeigt schematisch die Größe des Strahls innerhalb des Hohlraums, wie er die verschiedenen Intra-Hohlraumelemente durchläuft. Der Hohlraum wurde gerade gerichtet und ausgerichtet, ohne den durch das Prisma bedingten Knick, um die Ansicht des Hohlraumstrahlprofils zu vereinfachen. Für eine effiziente Erzeugung der 1.064 nm-Grundstrahlung wird die Hohlraummode innerhalb der Vanadat-Platte S so groß wie möglich gemacht; zur effizienten Erzeugung der zweiten und dritten Harmonischen ist die Lichtpunktgröße geeignet klein und ist abhängig von der Länge der Kristalle, die für den Verdoppler D und den Verdreifacher T ausgewählt wurden. Für die ausgewählten Kristalle hat die Strahlgröße einen Radius von etwa 60 T (in der Literatur als 1/e2-Radius bezeichnet) an dem Verdoppler und Verdreifacher, wobei sich die Größe an dem konkaven Spiegel M1 auf etwa 120 T ausdehnt. Der Strahl dehnt sich in Richtung der Mitte des Hohlraums aus, wo die Intra-Hohlraumlinse L1 und die Vanadat-Platte S liegen. An diesem Punkt wird der Strahl auf etwa 500 T ausgedehnt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Lichtpunktgröße zwischen der Linse L1 und der Platte S relativ konstant ist, und danach durch die thermische Linsenbildung (im folgenden auch als thermische Linse bezeichnet) in der Vanadat-Platte nochmals zu einem relativ großen Lichtpunkt an dem flachen Spiegel M2 an dem entfernten Ende des Hohlraums fokussiert wird und einen Lichtpunktradius von etwa 120 T besitzt. Der Güte-Schalter (Q-Schalter) wird vor den flachen Spiegel M2 gesetzt, wo die Lichtpunktgröße relativ klein ist, aber es ist nicht absolut wichtig, daß der Q-Schalter direkt benachbart zu dem Spiegel angeordnet wird.
Der schmale Bauch für das LBO-Verdoppler/Verdreifacherpaar (D bzw. T) wird durch eine Kombination der Intra-Hohlraumlinse L1 und dem konkaven Spiegel M1 gebildet. Die große Hohlraummode von etwa 500 T wird innerhalb der Nd:YVO4-Platte gehalten, um eine effiziente Modenüberdeckung mit dem breiten Pumpvolumen bereitzustellen, was der fokussierte Diodenbalken anbietet, wie nachfolgend weiter erläutert. Die Wahl des Pumpvolumens ist kritisch, um eine gleichmäßige thermische Linse innerhalb der Platte zu erzielen, und wird hier nachfolgend beschrieben. Des weiteren wird die Kombination der thermischen Linse mit dem Nd:YVO4 und einem Teil der Fokussierleistung der Linse L1 dazu verwendet, den zweiten schmalen Bauch vor dem Spiegel M1 zu bilden. Der akusto-optische Q-Schalter wird nahe dem zweiten Bauch vorgesehen, um die Hochfrequenzleistungsanforderungen des Schalters zu reduzieren. Ein TEM00-Betrieb wird ausgewählt, indem ein passendes Verhältnis der Hohlraummodengröße zu der Öffnung gewählt wird, die durch die Nd:YVO4-Platte repräsentiert wird. Wie zuvor angedeutet, wird die dritte harmonische Strahlung, die in derselben Ebene wie die Grundstrahlung polarisiert ist, mit vernachlässigbarem Verlust extrahiert durch die Kombination des Intra-Hohlraum-Brewster-Prismas P und dem Abgriffspiegel M3.
Wie zuvor dargestellt, verwendet die vorliegende Erfindung einen diodengepumpten Laserkristall, bei dem der Kristall von der Seite gepumpt (seitengepumpt) wird. Da die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren des Seitenpumpens verwendet, scheint es sinnvoll zu sein, zuerst die typische bekannte Seitenpumptechnik zu diskutieren, so daß Mittel zum Vergleich zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung vorhanden sind. In der Vergangenheit hatte ein typischer seitengepumpter Laserkristall die Form eines stiftähnlichen Stabes oder eines relativ langen rechteckigen Balkens, wie dies mit 32 in 5 der Zeichnung gezeigt ist. Die Hohlraummode durchläuft in Längsrichtung das Zentrum des Kristalls, wie durch die Mittellinie 34 angedeutet ist. Das Pumplicht, das durch die Pfeile 36 angedeutet ist, trifft normalerweise von einer Seite auf und wird gewöhnlich durch eine Art von Diodenfeld bereitgestellt. 6a ist ein Querschnitt entlang der Ebene 6a-6a und zeigt dies an, wohingegen der Laserkristall 32 von der rechten Seite gepumpt wird, wobei die linke und die rechte Seite nach außen offen sind. Der gestrichelte Kreis 38 deutet an, daß die Laser hohlraummode sich durch den Kristall ausbreitet, wobei der wichtige Punkt ist, daß die Hohlraummode etwas von den Seiten des Kristalls entfernt werden muß, so daß keine Beugungsverluste (manchmal als "Clipping"- oder Beschneidungsverluste bezeichnet) verursacht werden.
Rechts von der 6a zeigt 6b eine Temperaturkurve innerhalb des Laserkristalls gegenüber der Position in Y- oder vertikaler Richtung.
6c zeigt ebenfalls ein Temperaturprofil bezüglich der Position, allerdings in diesem Fall mit Bezug auf die X- oder Horizontalposition.
Pumplicht wird in dem Laserkristall 32 absorbiert, und die Weise, in der dieses absorbiert wird, hängt von dem Typ des Laserkristalls und der Dotierung der Neodymionen ab. Da das Pumplicht vorzugsweise von einer Seite geliefert wird, ist diese Seite heißer, während die gegenüberliegende Seite kühler ist, wie in 6a angedeutet. Das zu erkennende Schlüsselmerkmal ist, daß wenn das Temperaturprofil 40 mit der Form der Hohlraumode 38 in 6c verglichen wird, die Temperatur auf der rechten Seite der Hohlraummode höher und auf der linken Seite der Hohlraummode geringer ist, was zu einer extremen Asymmetrie bei der thermischen Linse führt, verursacht durch den Temperaturunterschied zwischen der rechten und der linken Seite. Bezugnehmend auf die 6b ist zusätzlich das Temperaturprofil 42 in vertikaler Richtung klar als am höchsten in der Mitte und am niedrigsten in der oberen und unteren gekühlten Fläche zu erkennen. Die Wirkung dieser zwei Temperaturprofile in der vertikalen und der horizontalen Richtung ergibt eine starke zylindrische Linse in vertikaler Richtung und eine stark asymmetrische Linse in horizontaler Richtung. Diese zwei Effekte machen es schwer, die Hohlraummodengröße zu steuern und die von solch einem Laser erzeugte Strahlqualität zu kontrollieren. Als Ergebnis werden die Hohlraummodengrößen sehr häufig bezüglich der Größe des Laserkristalls und der Größe des gepumpten Volumens kleingemacht, was zu einem ineffizienten Betrieb und Leistungsausbeute des Lasers führt.
Bezugnehmend auf die 7a-7c ist der Kristall des Typs, der erfindungsgemäß verwendet wird, mit dem Bezugszeichen 44 dargestellt. Der Kristall 44 ist ein Neodymvanadat (Nd:YVO4) dotiert mit einem Prozent (1 %) Neodymionen. Der Kristall ist in einem Querschnitt etwa 2 mm² groß und etwa 10 mm lang. Wie bei dem bekannten Kristall aus 5, wird der Kristall 44 in einer mechanischen Klemmeinrichtung gehalten, die dessen obere und untere Fläche kühlt, wie in 7b angedeutet. Ein Pumplicht fällt auf den Laserkristall von der rechten Seite ein, und die gegenüberliegende Seite liegt frei. Da das Pumplicht vorzugsweise von nur einer Seite aufgebracht wird, ist die rechte Seite des Kristalls relativ heiß, die linke Seite des Kristalls relativ kühl, und die obere und untere Fläche des Kristalls sind die kältesten Teile, da sie in direktem mechanischen Kontakt mit einem Kühlreservoir stehen, wie nachfolgend weiter beschrieben. Die Endflächen 46 und 47 werden schräg in einem Winkel von 100°C geschnitten, so daß, wenn die Hohlraummode sich in dem Kristall ausbreitet, sie an der Fläche 47 gebrochen wird, von der gepumpten Seite 48 reflektiert wird und schließlich an der Fläche 46 an dem gegenüberliegenden Ende der Platte austritt. Die Größe der Hohlraummode an dieser internen Prallfläche mit Bezug auf die Größe der Pumpbeleuchtung ist hinsichtlich der thermischen Optimierung kritisch. In 7c, die eine Draufsicht der in den 7a und 7b gezeigten Kristalle ist, sind die linken und rechten Extreme der Hohlraummode 50 dargestellt, wie die Mode sich durch den Kristall 44 ausbreitet. Es ist festzustellen, daß, da die gepumpte Fläche 48 heiß und die gegenüberliegende Fläche 49 kalt ist, das Durchschnittstemperaturprofil über dem Kristall wie in 7b gezeigt sein wird, wo die gestrichelten Linien 48 eine End- oder Querschnittsansicht des Kristalls 44 andeutet und der gestrichelte Kreis 50 der Hohlraummode entspricht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß beim Durchlaufen von einem Ende des Kristalls zu dem anderen, der Weg a-f auf einer Seite des einfallenden Strahls und entsprechend der durch a'-f' beschriebene Weg seine Positionen dreht, so daß, obwohl die rechte Seite des Kristalls verglichen mit der linken Seite heiß ist, das Abprallen an der Fläche 48 des Laserkristalls im wesentlichen eine Umkehr des Strahls mit dem Ergebnis verursacht, daß die Durchschnittstemperatur, wie sie von beiden Seiten des Strahls gesehen wird, gleich ist, solange das Pumpen in der Z-Richtung im wesentlichen gleichmäßig erfolgt.
7d zeigt ein Durchschnittstemperaturprofil über dem Strahl B im Fall eines herkömmlichen seitengepumpten Kristalls C zum Zwecke eines Vergleichs mit dem gemittelten thermischen Profil des im Inneren abgeprallten Strahls 50 des zweiten gepumpten Kristalls 44 der 7e. Diese Verminderung der Asymmetrie hängt stark von dem Pumpprofil ab, das in Z-Richtung gleichmäßig ist und bezüglich eines Punktes zentriert ist, an dem der Intra-Hohlraumstrahl von der gepumpten Fläche 48 abprallt.
8a und 8b zeigen, daß sogar weitere Verbesserungen durch eine geeignete Wahl der Größe des Pumpprofils gegenüber der Größe der vertikalen Abmessungen des Kristalls selbst herbeigeführt werden können. Eine Querschnittsansicht des Laserkristalls ist in 8a mit 44 dargestellt, wobei die gekühlten Seiten 51 und 52, die gepumpte Seite 48 und die gegenüberliegende Seite 49 nach außen frei dargestellt sind. Rechts von der 8a sind die durchschnittlichen horizontalen und vertikalen Temperaturprofile mit 54 bzw. 56 dargestellt. Es sind diese Profile, die die horizontalen und vertikalen thermischen Linsen-Komponenten erzeugen. Es ist wichtig festzustellen, daß das Profil in der horizontalen Richtung durch die Reflexion an 48 symmetrisch gemacht wird, und daß diese Profile Durchschnittstemperaturprofile darstellen, wobei der Durchschnitt durch eine Addition entlang einer Reihe von Querschnitts"scheiben" entlang des Strahlwegs genommen wurde. Die Kurven 54 und 56 beschreiben die Temperaturprofile, die durch einen schmalen Pumplichtpunkt 55 entwickelt wurden; "schmal" bedeutet hier klein im Vergleich zu den Dimensionen des Kristalls selbst sowie mit Bezug auf die Rate, mit der das Pumpprofil von der rechten Seite zu der linken Seite des Kristalls abgeschwächt wird. Das Pumpprofil ist sehr schmal verglichen mit den vertikalen Abmessungen des Kristalls 44 und sogar kleiner als der Abstand, über den das Pumpprofil von der rechten zu der linken Seite des Kristalls abgeschwächt wird.
In 8b wird das Pumpprofil als sehr breit ausgewählt, in diesem Fall beinahe so breit wie die vertikale Abmessung des Kristalls selbst. Die Rate, mit der das Pumpprofil von rechts nach links abgeschwächt wird, ändert sich wieder nicht wesentlich, da dieser Faktor hauptsächlich durch den verwendeten speziellen Laserkristall und der speziellen Wellenlänge des ausgewählten Pumplichtes gesteuert wird. Das Temperaturprofil in ho rizontaler Richtung wird zum größten Teil durch die Pumpabsorption kontrolliert, die ihrerseits durch den Absorptionskoeffizienten der speziellen Pumplaserlichtwellenlänge, die ausgewählt wurde, kontrolliert wird. Während das Temperaturprofil in der vertikalen Richtung durch die Lichtpunktgröße gesteuert wird und tatsächlich durch das Verhältnis der ausgewählten Lichtpunktgröße zu der Größe des Kristalls zwischen den zwei gekühlten Flächen 51 und 52 gesteuert wird, falls man die Temperaturprofile, die durch die geringe Pumplichtpunktgröße von 8a verursacht sind, untersucht, kann man sehen, daß sich das Temperaturprofil in vertikaler Richtung schneller ändert als das Temperaturprofil in horizontaler Richtung. Dies impliziert, daß es eine größere thermische Linse in vertikaler Richtung als in horizontaler Richtung geben wird, mit dem Ergebnis einer Asymmetrie in dem Umfang der thermischen Linsenbildung zwischen den horizontalen und vertikalen Ebenen. Diese Asymmetrie in der thermischen Linsenbildung wird umgekehrt eine entgegenwirkende Asymmetrie entweder in der Größe und Form der Hohlraummode oder in anderen optischen Elementen erfordern, die innerhalb des Laserhohlraums plaziert werden könnten, um der asymmetrischen Linsenbildung entgegenzuwirken oder sie zu kompensieren. Der entgegengesetzte Effekt ist in 8b gezeigt, wobei der breite Pumplichtpunkt 57 ein vertikales Temperaturprofil 58 erzeugt, das im Vergleich zu dem horizontalen Temperaturprofil 60 langsam variiert. Das Konzept ist, daß, falls der Pumplichtpunkt in passender Größe im Vergleich zu der vertikalen Dimension des Kristalls sowie dem Pumpabsorptionskoeffizienten ausgewählt wird, ein Profil der thermischen Linse erzeugt werden kann, das in großem Maße symmetrisch in horizontaler und vertikaler Richtung ist. Eine Berechnung der richtigen Pumplichtpunktgröße bezüglich der Abmessungen des Kristalls ist zu kompliziert, um analytisch durchgeführt zu werden, und wird typischerweise durch ein Computermodell getan. Sie kann auch experimentell durchgeführt werden, indem eine Vielzahl von unterschiedlichen Pumplichtpunktgrößen auf das Kristall aufgebracht wird und beobachtet wird, wie der Laser ausführt, d.h. weiß, welche Art von thermischer Linse in dem Laser sichtbar ist und wie diese thermische Linse die Hohlraummode beeinflußt. Alternativ kann der gepumpte Kristall aus dem gesamten Laser entfernt werden, und Untersuchungen können an diesem ausgeführt werden, um sich zu vergewissern, welche Art von Profil der thermischen Linse es in dem Kristall gibt, so daß es dem Benutzer ermöglicht wird, die Größe des gepumpten Lichtpunktes passend einzustellen.
Zusammengefaßt wird das Temperaturprofil in horizontaler Richtung durch die Pumpabsorption (Absorptionskoeffizient) gesteuert, und das Temperaturprofil in vertikaler Richtung wird durch die Lichtpunktgröße gesteuert. Indem diese beiden Effekte abgeglichen werden, läßt sich ein gleichmäßiges Temperaturprofil über das Strahlprofil mit einer symmetrischen thermischen Linse und weniger Spezialoptiken aufrechterhalten.
Nun sei auf 9 Bezug genommen. Eine Vorrichtung, die in der bevorzugten Ausführungsform eingesetzt wird, zum Halten und Kühlen des Kristalls 44 ist mit dem Bezugszeichen 62 bezeichnet. Die Art und Weise, in der der Kristall 44 gehalten wird, ist extrem wichtig, um eine gleichmäßige Kühlung und eine gleichmäßige Pumpbestrahlung aufrechtzuerhalten, und ist damit wichtig, um die thermische Optimierungstechnik der vorliegenden Erfindung richtig umzusetzen. Zwei winkelgeformte mechanische Klemmen 63 und 64 sind an einer Kupferplatte 65 einstellbar be festigt. Zwischen den Klemmflächen 66 und 67 sind dünne Stücke einer Indiumfolie 68 angeordnet, um einen spannungsfreien noch thermisch gleichmäßigen Kontakt zwischen dem Kristall 44 und den Kühlungsklemmen 63 und 63 bereitzustellen. Die Gleichmäßigkeit des Kontaktes zwischen dem Kristall und den Klemmflächen ist extrem wichtig. Die Indiumfolie ist weich und ermöglicht die Kompensation einiger kleiner Unregelmäßigkeiten zwischen den Klemmflächen durch die Folie, die dazu tendiert, kleine Defekte in den Berührungsflächen zu füllen. Defekte sind beim Herstellen und Bearbeiten des Kristalls unvermeidlich. Obgleich geringe Defekte in den Oberflächen des Kristalls durch eine sehr teure Herstellung entfernt werden können, können solche Defekte in einer Alternative durch Verwendung der Indiumfolie, wie dargestellt, kompensiert werden. Dieses schließt natürlich die Verwendung von anderen Materialien nicht aus, um diesen besonderen mechanischen Kontakt zu machen, aber einer der Gründe, warum eine Indiumfolie ausgewählt wurde, ist, daß sie weich ist, ein guter thermischer Leiter ist, und da es ein Metall und keine ölbasierte oder andersartige Pastensubstanz ist, besteht nicht die Gefahr der Kontamination der optischen Flächen des Kristalls 44. Die Platte 65 wird an einen thermoelektrischen Kühler 69 eines Typs angebracht, der in verschiedenen Teilen der bevorzugten Ausführungsform eingesetzt wird. Der Kühler 69 ist selbst an einem Wärmereservoir 70 angebracht, das typischerweise mit einer gekühlten Metallplatte 71 verbunden ist, die eine Tragfläche für die verschiedenen Laserkomponenten bildet.
10a und b zeigen, wie ein Diodenbalken 72 zum Pumpen des Kristalls 44 verwendet wird. Der Balken 72 hat eine Abstrahlfläche 74, die etwa 1 cm lang aber nur wenige Mikrometer hoch ist, und deren Abstrahlgebiet ist etwa ein rechteckförmiger Streifen längs der oberen Hälfte der Fläche des Balkens. Das Element 76 ist ein Quarzglasstab von 2 mm Durchmesser, der als eine zylindrische Linse verwendet wird, um das Diodenlaserlicht in vertikaler Richtung parallel zu richten. Element 78 ist ein Lambda-Halb-Plättchen, das die Polarisation des Laserlichts, das von dem Diodenbalken ausgestrahlt wird, nimmt und daß anfänglich in der horizontalen Ebene startet und sie in die vertikale Ebene dreht. Das Hinzufügen dieses speziellen Lambda-Halbe-Plättchens ist notwendig durch die Orientierung der C-Achse in dem Laserkristall selbst, und obgleich für Pumplaserkristalle an sich unkritisch, hilft es, Pumplicht innerhalb der kürzestmöglichen Entfernung innerhalb des Laserkristalls selbst zu absorbieren. Element 80 ist eine herkömmliche sphärische Linse, die abgeschnitten wurde, um den Zusammenbau zu erleichtern.
10b zeigt eine Seitenansicht der verschiedene Elemente von 10a und die passende Form des Lichts, das von dem Diodenlaser ausgestrahlt wird, von verschiedenen Linsen parallel gerichtet und dann neu fokussiert wird. Wie dargestellt, wird die Mitte der Stablinse mit 2 mm Durchmesser etwa 1,5 mm von dem Diodenbalken 72 beabstandet. Die 1,5 mm Position kann eingestellt werden, um die Höhe des Pumplichtpunktes 82 auf dem Laserkristall 44 zu steuern. Die sphärische Linse 80 hat eine relativ lange Brennweite (in der bevorzugten Ausführungsform etwa 25 mm), und die Wirkung dieser zylindrischen Linse 76 mit 2 mm Brennweite und der sphärischen Linse 80 mit etwa 25 mm Brennweite verursacht eine Veränderbarkeit der Lichtpunktgröße in einem Bereich von etwa 1 cm Länge und einigen wenigen Mikrome ter Höhe bis zu einer Lichtpunktgröße an dem Laserkristall von etwa 5 mm Länge und zwischen 100 T und vielleicht 400 T Höhe.
In 11 sind Träger für die Verdoppler- und Verdreifacher-Kristalle 84 bzw. 86 mit dem Bezugszeichen 88 und 89 dargestellt. Mit der Ausnahme, daß der Verdreifacherträger 89 bezüglich des Verdopplerträgers 88 um 180° gedreht ist, sind die beiden Träger im wesentlichen zueinander identisch. Demnach wird nur eine Hälfte der Vorrichtung (nämlich der Verdopplerträger 88) aus Gründen der Vereinfachung detailliert beschrieben. Der Verdopplerkristall 84, wie in der Figur gezeigt, weist einen Querschnitt von etwa 2 mm² und eine Länge von 10 mm auf. Allerdings sind die Länge und die Abmessungen des Kristalls alleine durch die Lichtpunktgrößen, die zur Verwendung in dem Laser selbst gewählt werden, festgelegt. Der Kristall 84 sitzt auf einem Kupferblock 90 und wird durch eine L-förmige Klemme 91 festgehalten, die durch eine Schraube 92 in einer Position fixiert wird. Diese Vorrichtung ruht auf und ist befestigt mit dem oberen Teil eines thermoelektrischen Kühlers 93, der seinerseits auf einem als Befestigungswinkel ausgebildeten Teil 94 sitzt, das in Kombination mit einem Schlitten 95 und Schrauben 96, 97 und 98 einen einstellbaren Spiegelträger zur Winkeleinstellung des Kristalls 84 um zwei Winkelachsen f und O umfaßt. Solche Spiegelträger sind im Gebiet der Laser bekannt, aber in diesem Fall wurde die herkömmliche Spiegelträgervorrichtung kombiniert mit einem thermoelektrischen Kühler, um sowohl die Temperatur als auch die Winkelausrichtung der Verdoppler- und Verdreifacherkristalle zu steuern. Neben der Steuerung des Winkels und der Temperatur der Kristalle besteht eine andere Aufgabe der Träger darin, die Kristalle bezüglich der Laserachse 99 seitlich zu verschieben, so daß ein Abschnitt jedes Kri stalls, der frei von Defekten ist, ausgewählt werden kann. Dafür ruhen die Schlitten der beiden Vorrichtungen auf einem Paar von runden Stäben 100, so daß sowohl der Verdopplerkristall als auch der Verdreifacherkristall verschoben werden können, um Bereiche des Kristalls auszuwählen, die frei von Defekten und Blasen sind.
Es sei nun auf 12 Bezug genommen. Das Konzept der Kompensation der Phasenverschiebung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. In dieser Figur ist ein Verdoppler 101 mit einer Vielzahl von Intra-Hohlraum-Grund- und -Sekundärstrahlen dargestellt, die von links nach rechts und von rechts nach links verlaufen. Somit ist speziell der Grundstrahl, der den Verdoppler von rechts nach links durchläuft, mit dem Bezugszeichen 102 dargestellt neben der resultierenden zweiten Harmonischen 103 (verläuft von rechts nach links), die durch den Verdoppler erzeugt wurde, dem zurücklaufenden Grundstrahl 104 (von links nach rechts verlaufend) und der zweiten Harmonischen 105, die durch den rückkehrenden Grundstrahl 104 erzeugt wird. Das wiedergewonnene zweite harmonische Licht 106 startet anfänglich mit 103, aber wird durch den Spiegel 107 reflektiert und kehrt durch den Verdopplungskristall 101 zurück. Es sei angemerkt, daß der Grundstrahl 102 und die zweite Harmonische 103 aufgrund der Streuung in Luft außer Phase geraten, und nachdem die zweite Harmonische und der Grundstrahl auf den Spiegel 107 treffen, gibt es eine Phasenverschiebung zwischen diesen zwei Strahlen. Diese Phasenverschiebung kann durch eine Antireflexionsbeschichtung weiter verstärkt werden, die auf dem Verdoppler eingesetzt wird, oder durch Beschichtungen, die auf dem Spiegel 107 verwendet werden. Bis die beiden zweiten harmonischen Strahlen 105 und 106 an dem Verdreifacher ankommen (der in 12 nicht gezeigt ist, aber der unmittelbar rechts von dem Verdoppler 101 angeordnet ist) kann die Phasenverschiebung bei jeder Rate zwischen den beiden zweiten harmonischen Strahlen eine Ineffizienz bei der Mischung der zweiten Harmonischen mit dem Grundstrahl in dem Verdreifacher zur Erzeugung der dritten Harmonischen verursachen.
Eine der Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mittel zur Kompensation dieser Phasenverschiebung anzugeben. Es ist gut bekannt, daß Spiegelbeschichtungen erzeugt werden können, die in einer relativ unvorhersehbaren Weise die durch die Streuung in Luft verursachte Phasenverschiebung kompensieren können. Obwohl es nicht leicht ist, Spiegelbeschichtungen zu erzeugen, die in einer vorhersehbaren Weise diese Phasenverschiebung kompensieren können, können Spiegelbeschichtungen hergestellt werden, die dafür bekannt sind, daß sie sich in einer relativ gleichmäßigen Art von einer der Seiten der Spiegelbeschichtung zu der anderen verändern. Falls die Phasenverschiebungsbeschichtung sich über einen ausreichenden Bereich von einer Seite des Spiegels zu der anderen ändert, kann die Hohlraummode entsprechend so gewählt werden, daß sie den Spiegel in unterschiedlichen Bereichen so trifft, daß eine Kompensation der durch Streuung in Luft bedingten Phasenverschiebung erfolgt, und auch einer Phasenverschiebung, die durch Antireflexionsbeschichtungen auf dem Verdoppler hinzukommen kann. Da jedoch ein gekrümmter Spiegel verwendet wird, falls der Spiegel nur von einem Ende der optischen Achse zu der anderen verschoben werden sollte, um einen Bereich auszuwählen, der die passenden Phasenkompensationseigenschaften hätte, würde das die Ausrichtung des Lasers verschlechtern. Um eine solche Verschlechterung der Ausrichtung zu beseitigen, wird der konkave Spiegel 107 in einem speziellen Spiegelträger montiert, der die gleichen zwei Winkelbewegungen ausführt, die für die meisten Laserspiegelträger typisch sind, aber noch einen dritten Freiheitsgrad besitzt, der die Drehung des gesamten Spiegelträgers um einen Punkt erlaubt, der in der Mitte der Krümmung des Spiegels liegt. Diese Bewegung ist in 13 dargestellt, wobei die zentrale Position durch die durchgezogenen Linien 109, die den Spiegel darstellen, und die gestrichelten Linien 110, die eine ausgelenkte Position des Spiegels zeigen, dargestellt ist. Da die Krümmung des Spiegels die Krümmung ist, die zur Aufrechterhaltung der Ausrichtung des Lasers erforderlich ist, und da die erlaubte Bewegung des Spiegels um die Mitte der Krümmung verläuft, indem die Beschichtung 111 auf der Fläche des Spiegels über die Spiegeloberfläche von einem Extrem zu dem anderen variiert wird, wird die Bewegung des Spiegels eine Wahl der passenden Phasenverschiebungseigenschaften ermöglichen, ohne die Laserausrichtung zu beeinflussen.
In 14 ist eine dreidimensionale Skizze vorgesehen, die eine Umsetzung des zuvor beschriebenen Trägerkonzepts zeigt. Ein einfacher Spiegelträger, wie er allgemein bekannt ist, ist mit dem Bezugszeichen 114 gezeigt und umfaßt den Spiegel 109, der in der Mitte des Trägers 114 befestigt ist. Der Träger 114 wird relativ zu einer Grundplatte 116 durch Stifte 118 getragen, die sich durch einen gekrümmten Schlitz oder Bahn 120 in der Grundplatte 116 erstrecken. Der Schlitz 120 wird mit einer Krümmung um den Punkt 113 in die Grundplatte 116 eingearbeitet, so daß der Spiegel 109 bei einer Bewegung des Trägers 114 innerhalb des Schlitzes 120 um die Mitte der Krümmung 112 in der in 13 dargestellten Weise gedreht wird.
Obwohl es im Stand der Technik bekannt ist, daß eine Phasenverschiebung zwischen der Grundstrahlung und der zweiten Harmonischen in Lasern dieses Typs existiert, und es bekannt ist, daß Spiegelbeschichtungen entweder eine Phasenverschiebung hinzufügen oder abziehen können, gibt es bis heute keine passenden Mittel, die eine Kompensation der Phasenverschiebungen in einer vorhersehbaren Weise liefern. Der beschriebene Mechanismus erfüllt deshalb das lang bestehende Bedürfnis für ein Mittel, um eine angenehme Auswahl der passenden Beschichtungseigenschaften zu erlauben, um eine optimale Laserausgangsleistung zu erreichen. Die aktuell beschriebene Vorrichtung besitzt die Fähigkeit, den konkaven Spiegel 109 so neu auszurichten, daß er die Ausrichtung des Lasers nicht stark stört, so daß der Laser sehr schnell auf die optimale Leistung gebracht werden kann, wobei an diesem Punkt der Laserausgang beobachtet wird und eine Entscheidung getroffen werden kann, ob der Spiegel in eine Position bewegt wurde, die besser oder schlechter als die vorhergehende Position ist. Mittel (nicht gezeigt) zum Verriegeln des Spiegels in einer gewählten Endposition sind vorgesehen.
Bezugnehmend auf 15 ist eine Trägervorrichtung für einen Q-Schalter zum Tragen eines kommerziell erhältlichen akustooptischen Q-Schalters 121 gezeigt, durch den sich der optische Strahl 122 ausbreitet. Elektrische HF-Leistung zum Betrieb des Schalters wird bei 124 zugeführt. Diese HF-Leistung schlägt sich innerhalb des Schalters nieder und wird in Wärme umgewandelt, die entfernt werden muß. Die Aufgabe dieser Vorrichtung besteht darin, ein Mittel zu schaffen, das sowohl eine Winkel- als auch eine Verschiebeeinstellung des Schalters 121 ermöglicht und das eine gute mechanische Kopplung an die gekühlte Platte 71 liefert, um die Wärme von dem Q-Schalter abzuführen.
Der Schalter 121 ist an einer ersten Platte 128 befestigt, die eine mittig angeordnete Bohrung 129 und zumindest einen bogenförmigen Schlitz 130 umfaßt, wobei der Radius des Schlitzes durch die Mitte der Bohrung 129 verläuft. Die Platte 128 ruht auf einer zweiten Platte 132, die einen Stift 131 aufweist, der von deren oberen Fläche hervorspringt, um mit der Bohrung 129 zusammenzuwirken, um eine Winkelausrichtung der Platte 128 bezüglich der Platte 132 zu ermöglichen. Eine Schraube 133 erstreckt sich durch den Schlitz 130 und in eine mit Gewinde versehene Bohrung 134, um die Platten miteinander zu verbinden. Eine Schraube 133 erstreckt sich durch den Schlitz 130 und in die mit einem Gewinde versehene Bohrung 134, um die Platten miteinander zu befestigen. Die einander gegenüberliegenden und zusammenwirkenden Flächen der Platten 128 und 132 werden sehr flach hergestellt, so daß durch eine Rotation der Platte 128 um den Stift 131 eine Winkeleinstellung des Schalters 121 um die Achse 0 ausgeführt werden kann, und daß zur gleichen Zeit ein inniger thermischer Kontakt zwischen den Platten 128 und 132 geschaffen wird. Um eine Verschiebung des Q-Schalters in vertikaler Richtung Z zu erlauben, ist die Platte 132 an dem oberen Block 136 eines Paars von keilförmigen Blöcken 136 und 138 befestigt. Wie dargestellt, hat der Block 138 eine sich schräg erstreckende Nut 139, die sich über den Block quer erstreckt, um eine schräg verlaufende Zunge 137 aufzunehmen, die in der unteren Fläche des Keils 136 gebildet ist, wobei die beiden dazu dienen, die Ausrichtung der Blöcke aufrechtzuerhalten, wenn der Block 136 an der Fläche des Blocks 138 auf- oder abbewegt wird. Obwohl eine relative Bewegung dieser Blöcke, um eine Z-Achseneinstellung zu schaffen, auch eine Verschiebung des Schalters 121 entlang der Achse des Strahls 122 herbeiführt, ist eine solche axiale Verschiebung im Hinblick auf den Betrieb des Schalters irrelevant, da die Lichtpunktgröße der Hohlraummode sich über die Verschiebungsdistanz kaum verändert. Ebenso wie die Berührungsflächen der Platten 128 und 132 sind die Berührungsflächen der Blöcke 136 und 138 bei geringen Toleranzen flach hergestellt, so daß ein guter thermischer Kontakt über den gesamten Weg am Block 138 nach unten aufrechterhalten wird. Um schließlich eine Verschiebung des Schalters 121 in der X-Richtung zu erlauben, wird die horizontale Bodenfläche des Blocks 138 mit einem Schlitz 140 versehen, der sich in X-Richtung erstreckt und ausgebildet ist, um mit einer Zunge 142, die in der oberen Fläche eines flachen Blocks 144 vorgesehen ist, zusammenzuwirken. Auch hier wird ein guter thermischer Kontakt zwischen den Blöcken 138 und 144 benötigt, und dies wird dadurch erreicht, daß ein hohes Maß an Präzision und Flachheit bei der Herstellung der zusammenwirkenden Flächen vorgesehen ist. Die Wärme wird von der gesamten Vorrichtung entfernt, indem der Block 144 auf und in Zusammenwirkung mit einem thermoelektrischen Kühler 146 plaziert wird, der die Wärme von der Vorrichtung abführt und sie in die gekühlte Grundplatte 71 führt, die allen Elementen innerhalb der Laservorrichtung gemeinsam ist.
Wie zuvor vorgeschlagen, benutzt die vorliegende Erfindung einen schmalen Bauch (etwa 60 Mikrometer) für das LBO-Verdoppler/Verdreifacherpaar (T bzw. D), das durch die Kombination der Intra-Hohlraumlinse L1 und dem konkaven Spiegel M1 gebildet ist. Eine große Hohlraummode (etwa 500 Mikrometer) wird innerhalb der Nd:YVO4-Platte S aufrechterhalten, um eine wirkungsvolle Modenüberdeckung mit dem breiten Pumpvolumen, das durch den fokussierten Diodenbalken angeboten wird, zu schaffen. Die Wahl des Pumpenvolumens, um eine gleichmäßige thermi sche Linse innerhalb der Platte zu erzielen, ist kritisch und ist in einem späteren Abschnitt beschrieben. Schließlich wird die Kombination der thermischen Linse innerhalb des Nd:YVO4 und einem Teil der Fokussierungsleistung der Linse L1 verwendet, um einen zweiten schmalen Bauch an dem flachen Spiegel M1 zu bilden. Ein akusto-optischer Q-Schalter wird nahe des zweiten Bauches plaziert. Eine Plazierung nahe des Bauches reduziert die HF-Leistungsanforderungen des Schalters. Ein TEM00-Betrieb wird durch ein entsprechendes Verhältnis der Hohlraummodengröße zu der Öffnung, die die Nd:YVO4-Platte liefert, ausgewählt.
Die dritte harmonische Strahlung, die in der gleichen Ebene wie die Grundstrahlung polarisiert ist, wird mit vernachlässigbarem Verlust durch die Kombination des Intra-Hohlraum-Brewster-Prismas P und des Strahlabgriffspiegels M3 extrahiert. Diese UV-Extraktionstechnik wurde gegenüber anderen Methoden ausgewählt, die dichroitische Spiegel verwenden, um den optischen Verlust und die Komplexität zu reduzieren, die normalerweise mit solchen Spiegelbeschichtungen einhergehen. Die vorliegende Technik erfordert einigen Platz innerhalb des Hohlraums, um eine ausreichende Trennung der dritten Harmonischen aus der Grundstrahlung zu ermöglichen, aber dieser Platz ist nützlich, um radikal unterschiedliche Lichtpunktgrößen zwischen dem Verstärkungsmedium und dem Verdoppler/Verdreifacherpaar zu erzwingen.
Die Intra-Hohlraumlinse L1 und der konkave Spiegel M1 sind die dominierenden Elemente innerhalb des Lasers, die die Hohlraumstabilität steuern. Als Ergebnis ist ein breiter Leistungsbereich der thermischen Linsenbildung innerhalb der Vanadat-Platte akzeptabel und induziert nur kleine Änderungen der Größe der Hohlraummoden an der Nd:YVO4-Platte und sogar kleinere Veränderungen an dem Verdoppler/Verdreifacher-Bauch. Ein Computermodell hat bspw. gezeigt, daß die Brennweite der thermischen Linse sich zwischen 200 mm und 400 mm verändern kann bei einer Änderung der Größe der Hohlraummode von weniger als zehn Prozent (10 %) an der Nd:YVO4-Platte.
Das Verstärkungsgebiet innerhalb einer Platte, die durch ein Diodenbalkenfeld gepumpt wird, hat gewöhnlich die Form eines rechteckförmigen Blocks, wobei die Länge des Blocks durch die Länge des Diodenbalkens festgelegt ist, und wobei die Tiefe des Blocks durch die Absorptionstiefe der Pumpbestrahlung und die Höhe des Blocks festgelegt ist, die durch die Optik zur Parallelausrichtung, die vor dem Diodenbalken plaziert ist, bestimmt wird. In einigen Ausführungsformen werden die Tiefe und die Höhe des Verstärkungsgebiets etwa gleich gemacht, wobei bei anderen Methoden das Verstärkungsgebiet die Form eines dünnen Blattes einnimmt. All diese Methoden leiden unter einer schlechten Effizienz bedingt durch die schlechte Überdeckung zwischen der TEM00-Hohlraummode in der Mitte der Platte und der nicht benutzten Verstärkungsgebiete näher an den Seiten der Platte. Wenn das Verstärkungsgebiet die Form eines dünnen Blattes einnimmt, können Verbesserungen bezüglich der Effizienz herbeigeführt werden, falls elliptische Hohlraummoden verwendet werden. Dieser Aufbau erfordert jedoch zylindrische Intra-Hohlraumelemente (Linsen und Spiegel), um sowohl diese elliptischen Moden zu erzeugen und um die astigmatische thermische Linse zu kompensieren, die durch das dünne gepumpte Gebiet erzeugt wird, wobei diese Elemente dem Hohlraum Komplexität hinzufügen. Deshalb war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Methode zu entwerfen, die sowohl die Pumpeffizienz verbessert, während sie gleichzeitig eine thermische Linse, die symmetrisch ist, aufrechterhält.
In dem vorliegenden Entwurf, und wie in 7a-7c dargestellt, wird die Pumpeffizienz des seitengepumpten Systems verbessert, indem die Hohlraummode von der als Pumpe dienenden Plattenwand intern reflektiert wird, wodurch die Hohlraummode in das Gebiet der größten Pumpabsorption hineingesetzt wird. Natürlich ist diese Technik speziell nützlich bei Materialien, wie Nd:YVO4, die kurze Pumpabsorptionslängen zeigen. In der vorliegenden Arbeit wird das Ausgangssignal des SDL 20-Watt-Diodenbalkens zunächst von der Stablinse L3 mit 2 mm Durchmesser parallel gerichtet und dann durch die Linse L2 mit 25 mm Brennweite fokussiert auf einen rechteckigen Lichtpunkt, der etwa 5 mm lang und 1 mm breit ist (ein Lambda-Halbe-Plättchen W dreht die Pumppolarisation in Ausrichtung mit der C-Achse der Nd:YVO4-Platte). Aufgrund der schlechten optischen Strahlqualität des Diodenbalkenausgangs ist es schwierig, den Diodenbalkenausgang auf einen Lichtpunkt zu fokussieren, der sehr viel kürzer in der Länge ist als 5 mm. Deshalb wird die lange Achse des rechteckigen Pumplichtpunkts mit der Ebene der Reflexion innerhalb der Platte ausgerichtet, und ein flacher Reflexionswinkel wird gewählt, so daß die Projektion der TEM00-Mode auf die Pumpfläche etwa gleich oder etwas länger als die Länge des rechteckförmigen Pumplichtpunkts ist. Diese interne Reflexion macht die ansonsten asymmetrische thermische Linse symmetrisch, was durch die schnell absinkende Pumpbestrahlung entfernt von der Pumpfläche verursacht wird, was ansonsten über dem Strahlprofil (in der Ebene der Reflexion) auftreten würde.
Eine weitere Verbesserung der thermischen Asymmetrie wird erreicht, indem die Größe des gepumpten Volumens im Vergleich mit den Plattenabmessungen und mit der Absorptionslänge der Pumpbestrahlung sorgfältig berücksichtigt wird. Eine umfangreiche Menge an Arbeiten haben die thermische Linsenbildung in Lasern mit gleichmäßig gepumpten Platten beschrieben, die von zwei gegenüberliegenden Flächen gekühlt werden. Die gleichmäßigen Pumplade- und -Kühlgrenzbedingungen induzieren eine thermische Linse, die allgemein zylindrisch ist, und eine Linsenwirkung nur in der Ebene senkrecht zu den gekühlten Flächen aufweist. In dem vorliegenden Entwurf ist die Nd:YVO4-Platte längs zweier einander gegenüberliegender horizontaler Flächen gekühlt durch einen innigen Kontakt mit einer gekühlten Trägerbefestigung des in 9 gezeigten Typs. Diese gekühlten Flächen sind senkrecht zu der Fläche, die gleichzeitig für die Intra-Hohlraumreflexion und den Pumpeingang verwendet wird. Falls die Pumpabsorptionslänge vergleichbar mit der Breite der Platte wäre, dann würde die Platte eine große zylindrische thermische Linse in vertikaler Richtung darstellen. Aufgrund der kurzen Pumpabsorptionslänge von Nd:YVO4 ist die Pumpbelastung stark ungleichmäßig und nahe der gepumpten Fläche konzentriert. Dieser Effekt kann verwendet werden, um eine Linsenwirkung in horizontaler Richtung zusätzlich zu der bereits vorhandenen vertikalen zuvor erwähnten Linse hinzuzufügen. Für eine gegebene Pumpabsorptionslänge (gegeben durch die Nd-Dotierung und die Pumplinienbreite) zeigt ein Computermodell, daß ein Pumplichtpunkt, der zu schmal ist, eine thermische Linse mit übermäßiger Wirkung in der vertikalen Richtung erzeugt, während ein Pumplichtpunkt, der zu breit ist, eine unzureichende Wirkung in vertikaler Richtung im Vergleich zu der Linsenwirkung in horizontaler Richtung erzeugt. Die beinahe symmetrische thermische Linse, die mit einer richtigen Pumplichtpunktbreite erreicht wird, vereinfacht den Hohlraumentwurf, insbesondere wenn eine weite Variation der Größe der Hohlraummode innerhalb eines kurzen Hohlraums erforderlich ist. In der Tat kann die thermische Linse so zugeschnitten sein, daß sie kaum astigmatisch ist, um den geringen Astigmatismus zu kompensieren, der durch das Intra-Hohlraum-Brewster-Prisma P induziert wurde. Schließlich sind die Diodenbalken und Seitenpump-Optiken billiger und leichter zusammenzubauen und auszurichten, und weniger fehleranfällig als die fasergekoppelten Diodenbalkenvorrichtungen, die in einigen endgepumpten Geometrien verwendet werden.
Raumtemperatur, Winkelabstimmung, phasenangepaßte Typ I-Verdoppler und Typ II-Verdreifacher (Summenfrequenzerzeugung) in LBO werden in der bevorzugten Ausführungsform verwendet, um die dritte harmonische Strahlung zu erzeugen. Wie in 11 dargestellt, sind beide Kristalle (10 mm lang) auf Temperatur gesteuerten Plattformen montiert, wobei jede um zwei senkrechten Rotationsachsen und entlang einer Translationsachse eingestellt werden kann. Die Rotation gewährleistet, daß die Phasenanpassung nahe der Raumtemperatur erreicht wird, und mit der Verschiebung wählt man einen defektfreien Bereich des Kristalls aus. Der Verdoppler erzeugt einen zweiten harmonischen Strahl, der an beiden Enden des Verdopplers austritt. Der Strahl, der an der Verdopplerfläche, die am nächsten zu dem Verdreifacher liegt, austritt, wird sehr leicht mit der zweiten Harmonischen im Hohlraum summiert, um eine Strahlung mit der dritten Harmonischen der Grundstrahlung zu erzeugen. Der Strahl, der aus der Verdopplerfläche gegenüber dem Verdreifacher austritt, würde verlorengehen, wenn es nicht die Spiegelbeschichtung auf M1 gäbe, die ausgelegt ist, um sowohl die Grundstrahlung als auch die zweite harmonische Strahlung zu reflektieren, um damit die zweite Harmonische wiederzugewinnen. Aufgrund einer Streuung auf dem Luftweg zwischen dem Spiegel und dem Verdoppler/Verdreifacherpaar kann eine Phasenverschiebung zwischen der zweiten Harmonischen und der Grundstrahlung auftreten, die die Effizienz der Summenfrequenzerzeugung in dem Verdreifacher reduziert. Zusätzliche Phasenverschiebungen können in den AR-Beschichtungen auf den Flächen des Verdopplers auftreten. Wie zuvor ausgeführt, kann diese Phasenverschiebung durch eine passende Beschichtung auf M1, die speziell zur Kompensation der berechneten Phasenverschiebung ausgelegt ist, ausgelöscht werden. Eine Beschichtung mit einem vorhersehbaren reflektierten Phasenunterschied zwischen der Grundstrahlung und der zweiten Harmonischen ist schwierig zu erhalten und erklärt nicht eine möglicherweise unbekannte zusätzliche Phasenverschiebung an der Verdopplerfläche. Wie in 13 und 14 dargestellt, soll die Lösung an einer Beschichtung des Spiegels M1 angewendet werden, dessen Phasenverschiebung sich bekanntlich über die Fläche des Spiegels willkürlich ändert. Solche Verschiebungen sind in der Tat bei einer Beschichtung aufgrund des kurzen Radiuses der Krümmung des Spiegels immer vermeidbar, aber diese Phasenverschiebung kann in eine spezielle Richtung verstärkt werden. Dann kann der Spiegel so ausgerichtet werden, daß der Intra-Hohlraumstrahl einen Bereich der Spiegelfläche mit der passenden Phasenverschiebung trifft. Diese Einstellung läßt sich sehr leicht herbeiführen, indem ein Spiegelträger auf einer halbkreisförmigen Bahn verwendet wird, deren Zentrum der Krümmung mit der Mitte der Krümmung von M1 zusammenfällt. Die Bewegung des Trägers entlang dieser Bahn erhält deshalb die Winkelausrichtung des konkaven Spiegels innerhalb des Laserhohlraums aufrecht, während der Intra-Hohlraumstrahl von unterschiedli chen Bereichen des Spiegels reflektiert wird. Vorzugsweise ist der Spiegel so ausgerichtet, daß die Richtung des Phasenverschiebungsgradienten parallel zu der Ebene der halbkreisförmigen Spiegelträgerbahn ist. Auf diese Weise kann der Spiegelträger entlang der halbkreisförmigen Bahn für größte Umwandlungseffizienz der dritten Harmonischen ohne große Verschlechterung der Ausrichtung des Laserhohlraums eingestellt werden.
Der Laser wird in einem abgedichteten trockenen Gehäuse von etwa 175 mm × 450 mm × 100 mm eingebaut, das alle optischen Komponenten einschließlich des Diodenbalkens aufnimmt. Das abgedichtete Gehäuse vermindert die Gefahr einer optischen Beschädigung, die durch die Ablagerung von Schmutz aus der Raumluft verursacht wird, und erlaubt eine Kühlung des Diodenbalkens auf Temperaturen, die andernfalls unter dem Taupunkt liegen würden. Die Kühlung wird an dem Äußeren des Gehäuses vorgenommen, und die Wärme wird von verschiedenen internen elektrischen und optischen Komponenten über thermoelektrische Kühler übertragen. Die Leistungsversorgung und Steuerungselektronik ist in einem zusätzlichen 19''-Rahmen-Gehäuse untergebracht. Der gesamte elektrische Leistungsverbrauch beträgt im schlechtesten Fall etwa 600 Watt.
Das Lasersystem der vorliegenden Erfindung erzeugt über 2 Watt maximal Durchschnittsleistung bei 355 nm und arbeitet mit Wiederholungsraten von über 100 kHz. Das System verwendet eine Nd:YVO4-Platte, die durch einen 20 Watt Diodenbalken gepumpt wird, und umfaßt Intra-Hohlraumtyp I und Typ II LBO-winkelabgestimmte Verdoppler bzw. Verdreifacher. Neue Merkmale, die zu dem Erfolg dieses Systems beitragen, sind die UV-Extraktion über ein Intra-Hohlraum-Brewster-Prisma, eine Nd:YVO4 seitengepumpte Platte, deren Pumpprofil sorgfältig angepaßt ist, um Asymmetrien in der thermischen Linse zu reduzieren, ein Hohlraum, der von sich aus unempfindlich gegen eine thermische Linsenbildung in dem Verstärkungsmedium ist, und eine Streuungskompensation für eine Wiedergewinnung der zweiten Harmonischen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer speziellen Ausführungsform beschrieben wurde, ist es klar, daß Veränderungen und Modifikationen dieser Ausführungsform ohne Zweifel für den Durchschnittsfachmann naheliegen. Bspw. kann für eine Niedrigenergie-CW-Laseranwendung der Q-Schalter weggelassen werden.

Claims

Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser mit: einem ersten und einem zweiten Reflektormittel (M1, M2), die beabstandet zueinander angeordnet sind und einen Resonatorhohlraum bilden; einem Laserkristall (S), der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist, wobei der Laserkristall länglich ist und einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, der durch eine gepumpte Seitenfläche, eine gegenüberliegende Seitenfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche definiert ist, und einander gegenüberliegende Endflächen umfasst, die die gepumpte Seitenfläche in einem spitzen Winkel schneiden; einem Kristall zur Frequenzverdoppelung (D, Verdopplerkristall), der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist; einem Kristall zur Frequenzverdreifachung (T, Verdreifacherkristall), der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist; einem Diodenpumpmittel (DP) zum Pumpen des Laserkristalls (S), um eine Strahlung mit dessen Grundwellenlänge zu erzeugen, wobei eine Hohlraummode, die den Kristall durchläuft, die gepumpte Seitenfläche in der Mitte längs der Länge des Kristalls schneidet und daran reflektiert wird, wobei die Grundstrahlung in den Verdopplerkristall (D) gerichtet ist, um eine zweite harmonische Strahlung zu erzeugen, und wobei die Grundstrahlung und die zweite harmonische Strahlung in den Verdreifacherkristall (T) gerichtet sind, um die dritte harmonische Strahlung durch eine Summenfrequenzmischung der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung auszubilden, wobei die dritte harmonische Strahlung aus dem Resonatorhohlraum als ein Ausgangslaserstrahl (UV) ausgegeben wird, und einem Brewster-Prisma (P), das innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist und die dritte harmonische Strahlung von der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung trennt.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, ferner mit einem Güte-Schalter, der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 2, ferner mit einem thermoelektrischen Kühlmittel zum Tragen und Ausrichten des Güteschalters und zum Entfernen seiner Wärme.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, wobei eine reflektierende Fläche von zumindest einem des ersten und des zweiten Reflektormittels (M1, M2) mit einem Material beschichtet ist, das eine optische Phasenverschiebungseigenschaft zeigt, die sich über die beschichtete Oberfläche verändert, wobei das beschichtete Reflektormittel (M1, M2) positioniert ist, um die Streuung in Luft der zweiten harmonischen Strahlung zu kompensieren und dadurch die wirksame zweite harmonische Leistung, die für den Eingang des Verdreifacherkristalls (T) zur Verfügung steht, zu optimieren.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, wobei zumindest eines der beschichteten Reflektormittel relativ zu der Laserachse des Lasers seitlich bewegbar ist, um die Auswahl einer optimalen Phasenverschiebungseigenschaft zu ermöglichen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 5, wobei zumindest eines der beschichteten Reflektormittel einen konkaven Aufbau hat und von einem Halter getragen wird, der um einen Punkt drehbar ist, der längs der Laserachse liegt, um somit eine Positionseinstellung zu ermöglichen, um die optimale Phasenverschiebungseigenschaft ohne Verstimmung des Lasers auszuwählen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, ferner mit Mitteln zum Kühlen der oberen und der unteren Fläche des Laserkristalls (S), so daß der Kristall (S) zu beiden Seiten seiner Längsmitte gekühlt ist.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, wobei die Hohlraummode der Grundstrahlung zu einem Lichtpunkt auf der gepumpten Seitenfläche fokussiert ist, und wobei der Lichtpunkt allgemein eine elliptische Form besitzt, wobei dessen Hauptachse in Richtung der Länge der gepumpten Seitenfläche verläuft, und wobei die Länge der Hauptachse geringer ist als die Länge der gepumpten Seitenfläche.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 7, wobei die Kühlmittel mechanische Klemmittel umfassen, die innig und gleichmäßig mit wesentlichen Bereichen der oberen Fläche und der unteren Fläche zusammenwirken.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 9, wobei das Diodenpumpmittel (DP) einen Pumpstrahl erzeugt, der allgemein zu einem elliptischen Lichtpunkt auf der gepumpten Seitenfläche fokussiert ist, wobei die Länge des Lichtpunkts kürzer ist als die Länge der ausstrahlenden Fläche des Diodenpumpmittels (DP).
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 10, wobei die Länge des Pumplichtpunktes in Verbindung mit der Pumpstrahlabsorptionslänge über den Laserkristall (S) zugeschnitten ist, um im wesentlichen eine gleiche thermische Linsenbildung in der vertikalen und der horizontalen Richtung über den Laserkristall (S) zu erhalten, um somit die Notwendigkeit für astigmatische Hohlraumeigenschaften zu beseitigen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, ferner mit einem Prisma (P), das innerhalb des Hohlraums angeordnet ist, zum Trennen der dritten harmonischen Strahlung aus der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, wobei der Laserkristall (S) ein Neodym-Yttrium-Orthovanadat (Nd:YVO4) ist.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, wobei Mittel zum thermischen Kühlen von zumindest dem Verdopplerkristall (D) oder dem Verdreifacherkristall (T) vorgesehen sind.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, wobei der Dopplerkristall zwischen dem ersten Reflektormittel (M1) und dem Laserkristall (S) angeordnet ist, und wobei der Verdreifacherkristall (T) zwischen dem. Verdopplerkristall (D) und dem Laserkristall (S) angeordnet ist, und mit einem Güte-Schalter, der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 15, ferner mit einem Prisma (P), das innerhalb des Hohlraums und zwischen dem Verdreifacherkristall (T) und dem Laserkristall (S) angeordnet ist, um die dritte harmonische Strahlung aus der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung zu trennen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 16, wobei der Laserkristall (S) länglich ist und einen rechteckförmigen Querschnitt besitzt, der von einer Pumpseitenfläche und einer gegenüberliegenden Seitenfläche, einer oberen Fläche und einer unteren Fläche definiert ist, und Endflächen aufweist, die die gepumpte Seitenfläche in einem spitzen Winkel schneiden, und wobei die Hohlraummode, die den Laserkristall (S) durchläuft, die Pumpseitenfläche in der Mitte entlang der Länge des Laserkristalls (S) schneidet und daran reflektiert wird.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 17, ferner mit einem Kühlmittel zum Kühlen der oberen Fläche und der unteren Fläche, so daß der Laserkristall (S) symmetrisch zu beiden Seiten der Längsmitte gekühlt wird, und wobei das Kühlungsmittel mechanische Klemmittel umfaßt, die innig und gleichmäßig mit wesentlichen Bereichen der oberen Fläche und der unteren Fläche zum Entfernen der Wärme zusammenwirken.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 18, wobei das Diodenpumpmittel (DP) einen Pumpstrahl erzeugt, der zu einem allgemein elliptischen Lichtpunkt auf der gepumpten Seitenfläche fokussiert wird, wobei die Länge des Lichtpunktes kürzer ist als die Länge der ausstrahlenden Fläche des Diodenpumpmittels (DP), und wobei die Länge des Pumplichtpunktes in Verbindung mit der Pumpstrahlabsorptionslänge über den Laserstrahl zugeschnitten wird, um im wesentlichen eine gleiche thermische Linsenwirkung in vertikaler und horizontaler Richtung über den Laserkristall zu erhalten, um somit die Notwendigkeit für eine astigmatische Linsenkorrektur zu beseitigen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter. Laser nach Anspruch 3, wobei zumindest eines der ersten und der zweiten Reflektormittel (M1, M2) mit einem Materi al beschichtet ist, das eine optische Phasenverschiebungseigenschaft zeigt, die sich über die Spiegeloberfläche ändert, wobei das beschichtete Reflektormittel (M1, M2) positioniert ist, um die Streuung der zweiten harmonischen Strahlung in der Luft zu kompensieren, und damit die wirksame Leistung der zweiten Harmonischen, die für den Eingang des Verdreifacherkristalls verfügbar ist, zu optimieren.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 20, wobei zumindest einer der beschichteten Reflektormittel (M1, M2) einen konkaven Aufbau hat und von einem Halter getragen wird, der um einen Punkt drehbar ist, der längs der Laserachse liegt, um eine Positionseinstellung des einen beschichteten Reflektormittels (M1, M2) relativ zu der Laserachse zu ermöglichen, um eine optimale Phasenverschiebungseigenschaft ohne Verstimmung des Lasers auszuwählen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 21, wobei der Laserkristall (S) länglich ist und einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, der durch eine Pumpseitenfläche, eine gegenüberliegende Seitenfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche definiert ist, und Endflächen besitzt, die die gepumpte Seitenfläche in einem spitzen Winkel schneiden, und wobei die Hohlraummode, die den Kristall (S) durchläuft, die gepumpte Seitenfläche mittig entlang der Länge des Kristalls (S) schneidet und daran reflektiert wird, wobei die Hohlraummode der Grundstrahlung auf einen ersten Lichtpunkt auf der gepumpten Seitenfläche fokussiert wird, wobei der ers te Lichtpunkt allgemein eine elliptische Form hat, mit einer Hauptachse in Richtung der Länge der gepumpten Seitenfläche, und wobei die Länge der Hauptachse geringer ist als die Länge der gepumpten Seitenfläche.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 22, mit Mitteln zum Kühlen der oberen und der unteren Fläche des Laserkristalls (S), so daß der Kristall symmetrisch zu beiden Seiten der Längsmitte gekühlt wird, wobei die Kühlungsmittel mechanische Klemmittel umfassen, die innig und gleichmäßig mit wesentlichen Bereichen der oberen Fläche und der unteren Fläche des Laserkristalls (S) zusammenwirken.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 23, wobei das Diodenpumpmittel (DP) einen Pumpstrahl erzeugt, der durch Fokussierungsmittel auf einen allgemein elliptischen zweiten Lichtpunkt auf der gepumpten Seitenfläche fokussiert, wobei die Länge des zweiten Lichtpunktes kürzer ist als die Länge der ausstrahlenden Fläche des Diodenpumpmittels (DP) und in Verbindung mit der Pumpstrahlabsorptionslänge über den Laserkristall (S) zugeschnitten ist, um eine im wesentlichen gleiche thermische Linsenwirkung in vertikaler und horizontaler Richtung über den Laserkristall (S) zu erhalten, um so die Notwendigkeit für astigmatische Hohlraumeigenschaften zu beseitigen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 24, ferner mit einem Prisma (P), das innerhalb des Hohlraums vorgesehen ist, um die dritte har monische Strahlung aus der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung herauszutrennen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 25, wobei das Fokussierungsmittel ein zylindrisches Linsenmittel, ein Mittel zum Ausrichten der Polarisation der Pumpstrahlung mit der optischen Achse des Laserkristalls und ein sphärisches Linsenmittel umfaßt, die alle gemeinsam der Fokussierung der Strahlung auf die gepumpte Seitenfläche dienen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 11, wobei das Fokussierungsmittel ein zylindrisches Linsenmittel, ein Mittel zum Ausrichten der Polarisation, der Pumpstrahlung mit der optischen Achse des Laserkristalls (S), und ein sphärisches Linsenmittel umfaßt, die alle gemeinsam der Fokussierung der Strahlung auf die gepumpten Seitenflächen dienen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 6, wobei Mittel zum Kühlen von zumindest dem Verdopplerkristall (D) oder dem Verdreifacherkristall (T) vorgesehen sind.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 6, wobei der Verdopplerkristall (D) zwischen dem ersten Reflektormittel (M1) und dem Laserkristall (S) positioniert ist, und wobei der Verdreifacherkristall (T) zwischen dem Verdopplerkristall (D) und dem Laserkristall (S) angeordnet ist, und ferner mit einem Güte-Schalter, der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 6, mit einem Prisma (P), das innerhalb des Hohlraums und zwischen dem Verdreifacherkristall (T) und dem Laserkristall (S) angeordnet ist, um die dritte harmonische Strahlung von der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung zu trennen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 6, wobei der Laserkristall (S) länglich ist und einen rechteckförmigen Querschnitt hat, der durch eine Pumpseitenfläche und eine gegenüberliegende Seitenfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche definiert ist, und der Endflächen besitzt, die die gepumpte Seitenfläche in einem spitzen Winkel schneiden, und wobei die Hohlraummode, die den Laserkristall (S) durchläuft, die Pumpseitenfläche mittig entlang der Länge des Laserkristalls (S) schneidet und daran reflektiert wird.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 31, ferner mit Kühlmitteln zum Kühlen der oberen Fläche und der unteren Fläche, so daß der Laserkristall (S) symmetrisch zu beiden Seiten der Längsmitte gekühlt wird, und wobei die Kühlungsmittel mechanische Klemmittel umfassen, die innig und gleichmäßig mit wesentlichen Bereichen der oberen Fläche und der unteren Fläche zum Entfernen von Wärme zusammenwirken.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 32, wobei das Diodenpumpmittel (DP) ein Pumpstrahl erzeugt, der zu einem allgemein elliptischen Lichtpunkt auf der gepumpten Seitenfläche fokussiert wird, wobei die Länge des Lichtpunkts kürzer als die Länge der abstrahlenden Fläche des Diodenpumpmittels (DP) ist, und wobei die Länge des Pumplichtpunktes in Verbindung mit der Pumpstrahlabsorptionslänge über den Laserkristall (S) zugeschnitten wird, um eine im wesentlichen gleiche thermische Linsenwirkung in der vertikalen und der horizontalen Richtung über den Laserkristall (S) zu erhalten, um somit die Notwendigkeit für astigmatische Linsenkorrekturen zu beseitigen.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 33, ferner mit einem Güte-Schalter, der innerhalb des Resonatorhohlraums angeordnet ist.
Intra-Hohlraum frequenzverdreifachter diodengepumpter Laser nach Anspruch 34, ferner mit einem thermoelektrischen Kühlungsmittel zum Tragen und Ausrichten des Güte-Schalters und zum Entfernen von dessen Wärme.
Verfahren zum Erzeugen einer dritten harmonischen Strahlung einer bestimmten Grundwellenlänge, mit den Schritten: Vorsehen eines ersten und eines zweiten Reflektormittels (M1, M2), die beabstandet zueinander angeordnet sind und einen Resonatorhohlraum definieren; Positionieren eines Laserkristalls (S), der in der Grundwellenlänge angeregt werden kann, eines Kristalls zur Frequenzverdoppelung (D, Verdopplerkristalls) und eines Kristalls zur Frequenzverdreifachung (T, Verdreifacherkristalls) innerhalb des Hohlraums, wobei der Laserkristall länglich ist und einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, der durch eine Pumpseitenfläche, eine gegenüberliegende Seitenfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche definiert ist, und einander gegenüberliegende Endflächen umfasst, die die gepumpte Seitenfläche in einem spitzen Winkel schneiden; Vorsehen von Pumpmitteln (DP) zum Pumpen des Laserkristalls (S), um eine Strahlung innerhalb des Hohlraums in der Grundwellenlänge zu erzeugen, wobei eine Hohlraummode, die den Kristall durchläuft, die gepumpte Seitenfläche in der Mitte längs der Länge des Kristalls schneidet und daran reflektiert wird; Ausrichten der Grundstrahlung auf den Verdopplerkristall (D), um eine zweite harmonische Strahlung zu erzeugen; Ausrichten der zweiten harmonischen Strahlung und der Grundstrahlung auf den Verdreifacherkristall (T), um eine dritte harmonische Strahlung durch eine Summe der Frequenzmischung der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung auszubilden; und Ausrichten der Grundstrahlung, der zweiten harmonischen und der dritten harmonischen Strahlung durch ein in dem Resonatorhohlraum angeordneten Brewster-Prisma (P), um die dritte harmonische Strahlung (UV) von der Grundstrahlung und der zweiten Strahlung für die Ausgabe aus dem Resonatorhohlraum als Ausgangslaserstrahl zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner mit den Schritten: Anordnen eines Güte-Schalters innerhalb des Resonatorhohlraums; und Betreiben des Güteschalters mit Hochfrequenzenergie, um den Laser zu veranlassen, Impulse hoher Energie in der dritten harmonischen Wellenlänge zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner mit den Schritten: Beschichten von zumindest einem der ersten und der zweiten Reflektormittel (M1, M2) mit einem Material, das eine optische Phasenverschiebungseigenschaft zeigt, die sich über die beschichtete Fläche ändert; und Positionieren der beschichteten Reflektormittel (M1, M2), um die Streuung in Luft der zweiten harmonischen Strahlung zu kompensieren, um die wirksame zweite harmonische Leistung, die für den Eingang in das Verdreifacherkristall (T) verfügbar ist, zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die beschichteten Reflektormittel (M1, M2) konkav im Aufbau sind und durch einen Halter getragen werden, der um einen Punkt drehbar ist, der längs der Laserachse des Lasers liegt, und mit dem Schritt: Drehen des beschichteten Reflektormittels (M1, M2) um den Punkt, um eine optimale Phasenverschiebungseigenschaft ohne Verstimmung des Lasers auszuwählen.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Laserkristall (S) länglich ist und eine flache, gepumpte Fläche umfaßt, die von der Hohlraummode, die den Laserkristall (S) durchläuft, geschnitten wird und daran reflektiert wird, und ferner mit den Schritten: Kühlen der Flächen des Laserkristalls (S) über und unter der gepumpten Fläche, so daß der Kristall (S) asymmetrisch zu beiden Seiten seiner Längsmitte gekühlt ist, und Veranlassen des Pumpmittels (DP), einen Pumpstrahl zu erzeugen, der zu einem allgemein elliptischen Lichtpunkt auf der gepumpten Fläche fokussiert ist, wobei die elliptischen Abmessungen des Pumplichtpunktes in Verbindung mit der Pumpstrahlabsorptionslänge über dem Laserkristall (S) zugeschnitten ist, um eine im wesentlichen gleiche Linsenwirkung in vertikaler und horizontaler Richtung über den Laserkristall (S) zu erhalten, so daß die Notwendigkeit für astigmatische Hohlraumeigenschaften beseitigt ist.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner mit dem Schritt: Anordnen eines Prismas innerhalb des Resonatorhohlraums zum Trennen der dritten harmonischen Strahlung von der Grundstrahlung und der zweiten harmonischen Strahlung.