DE19927918A1 - Gütegeschalteter, diodengepumpter Festkörperlaser - Google Patents

Gütegeschalteter, diodengepumpter Festkörperlaser

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen gütegeschalteten, diodengepumpten Festkörperlaser mit einer Pumpstrahlungsquelle und mit einer nachgeordneten, das Pumplicht auf den Laserkristall fokussierenden Optik. Innerhalb eines durch reflektierende Flächen begrenzten Laserresonators sind ein Laserkristall, eine Verzögerungsplatte und ein die Laserstrahlung frequenzverdoppelnder Kristall vorgesehen. Eine Pulsverlängerung der Laserstrahlung wird durch eine interne Überkopplung des Verdopplermechanismus innerhalb des Laserresonators vorgenommen. Als Güteschalter ist ein akusto-optischer Modulator vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gütegeschalteten, diodengepumpten Festkörperlaser, der gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs ausgebildet ist, insbesondere für Anwendungen in der Medizin, speziell in der Ophthalmologie.
Diodengepumpte und frequenzverdoppelte Festkörperlaser sind in vielen Bereichen der Forschung, Technik und Medizin weit verbreitet. Konstruktionsbedingt zeichnen sie sich gegenüber blitzlampengepumpten Systemen durch einen höheren Wirkungsgrad, kompaktere Bauweise und geringere Anforderungen an die Kühlung aus. Die Güteschaltung solcher Lasersysteme dient der Erzeugung kurzer Pulse. Eine aktive, d. h. steuerbare Güteschaltung kann im allgemeinen durch elektrooptische Modulation der Laserresonatorverluste erreicht werden. Die Methode ist nicht anwendbar, wenn der Polarisationszustand des Lichtes im Innern des Laserresonators unbestimmt ist. In bestimmten Fällen ist jedoch ein unbestimmter Polarisationszustand für eine effektive Frequenzverdopplung notwendig.
Für technische und medizinische Anwendungen kann es notwendig sein, die kurzen Lichtimpulse des gütegeschalteten Lasers kontrolliert zu verlängern. Ein Beispiel dafür ist in der Augenheilkunde die Mikrosekunden-PRP (Panretinale-Photokoagulation).
Methoden und Anordnungen zur Verlängerung der Dauer von Laserimpulsen bei diodengepumpten Festkörperlasern sind bekannt, wobei besonders auf folgende Literatur hingewiesen wird:
[1] IEEE Journal of Quantum Elektronics, Vol QE-16, No. 7, July 1980, Seiten 790-794;
[2] DE 44 01 917 A1; DE 44 01 917 C2;
[3] Applied Physics Letters, Vol. 18, No. 4, 15 February 1971, Seiten 129-130;
[4] Journal of Applied Physics, Vol. 41, No. 2, February 1970, Seiten 609-613.
Hier ist wesentlich, daß die in [1] und [2] beschriebenen Verfahren einen bestimmten Polarisationszustand des Lichtes voraussetzen und außerdem eine umfangreiche elektronische Steuerung und Rückkopplung notwendig machen. Daraus ist auch bekannt, daß innerhalb des Laserresonators angeordnete nichtlineare Kristalle zur einer Pulsverlängerung beitragen können, sofern der nichtlineare Kristall in geeigneter Winkellage zur Polarisationsebene der Fundamentalwelle orientiert ist ([2], Spalte 1). Dabei wird auch das nichtlineare Verhalten des innerhalb des Laserresonators angeordneten Kristalls ausgenutzt. Die Benutzung von Pockelszellen zur Pulsverlängerung ist ebenfalls aus [2] bekannt. Die Güteschaltung mittels Pockelszellen verlangt jedoch einen gerichteten Polarisationszustand des Lichtes und außerdem eine relativ aufwendige elektronische Steuerung und Rückkopplung. Außerdem werden Pockelszellen mit Hochspannungen im Bereich bis 10 kV betrieben, was insbesondere für Laseranwendungen in der Medizin ungünstig ist und nicht gewünscht wird.
Es ist aus [2] ferner bekannt, neben der Verlängerung der Pulsdauer auch Möglichkeiten der Pulsformung auszunutzen, in dem Sinne, daß flachere Pulse erzeugt werden. Eine derartige Pulsformung und Verlängerung wird besonders bei hohen, durch eine oder mehrere Quarzfasern zu übertragenden Strahlungsleistungen erforderlich, um die Fasern nicht zu beschädigen.
Bei der in [3] beschriebenen Methode ist dieser hohe Aufwand nicht erforderlich, wobei allerdings die großen Vorteile der diodengepumpten Festkörperlaser nicht ausgenutzt werden.
Bei den in der genannten Literatur beschriebenen Methoden und Anordnungen erfolgt die Pulsverlängerung mittels überkoppelter, interner Frequenzverdopplung ([3] und [4]).
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen gütegeschalteten, diodengepumpten und frequenzverdoppelten Festkörperlaser zu schaffen, bei welchem besonders einfach und effizient eine Verlängerung der Laserimpulse realisiert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem diodengepumpten Festkörperlaser mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs angegebenen Mitteln erreicht. In den weiteren Ansprüchen sind Einzelheiten der Erfindung dargelegt.
Die Güteschaltung des Lasers mit einem akusto-optischen Modulator anstelle einer elektrooptischen Anordnung hat dem Vorteil, daß ein gerichteter Polarisationszustand der Strahlung des Lasers und Hochspannungen zum Betrieb des akusto-optischen Modulators nicht erforderlich sind. Auch können akusto-optische Modulatoren wesentlich kleiner als Pockelszellen hergestellt werden, was einer Verwendung von akusto­ optischen Modulatoren in kompakten, diodengepumpten Festkörperlasern entgegenkommt. Es ist vorteilhaft, wenn zwischen dem Verdopplerkristall und dem akusto-optischen Modulator eine Verzögerungsplatte im Form einer λ/4- oder λ/8-Platte angeordnet ist. Damit kann im Laserresonator auf der Grundfrequenz Strahlung mit veränderlicher Polarisation erzeugt werden.
So ist es auch vorteilhaft, wenn der akusto-optische Modulator zwischen der Verzögerungsplatte und dem frequenzverdoppelnden Kristall angeordnet ist und auf seiner dem frequenzverdoppelnden Kristall zugewandten Fläche für die frequenzverdoppelte Strahlung hochverspiegelt ist. Als Werkstoff für den akusto­ optischer Modulator kann vorteilhaft Te O2 oder Si O2 Anwendung finden. Durch die für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierende Beschichtung der dem frequenzverdoppelnden Element zugewandten Fläche des akusto-optischen Modulators wird erreicht, daß auch der Teil der frequenzverdoppelten Strahlung, welche in Richtung des akusto-optischen Modulators abgestrahlt wird, in Richtung des End- oder Auskoppelspiegels reflektiert und somit der Auskopplung zugeführt wird.
Es ist vorteilhaft im Sinne einer kompakten Bauweise des Lasers, daß eine Endfläche des Laserkristalls als ein den Laserresonator begrenzender Endspiegel ausgebildet ist, der für die Strahlung der Grundfrequenz hochreflektierend ist. Diese Endfläche des Laserkristalls ist weiterhin für die von der Pumpstrahlungsquelle emittierte Pumpstrahlung hochgradig transparent.
Um eine besonders effiziente Frequenzverdopplung und ein effektives Güteschalten des Lasers zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Strahlungsführung innerhalb des Laserresonators so vorgesehen ist, daß mindestens ein Strahlungsfokus ausgebildet ist, in welchem der Verdopplerkristall oder der als Güteschalter dienende akusto-optische Modulator angeordnet sind. Vorteilhaft ist es auch, wenn mehrere Strahlungsfoki innerhalb des Laserresonators vorgesehen sind, in denen der Verdopplerkristall und der akusto-optische Modulator angeordnet sind.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist schematisch ein erfindungsgemäß aufgebauter, diodengepumpter Festkörperlaser dargestellt.
Der erfindungsgemäße, gütegeschaltete, diodengepumpte Festkörperlaser umfaßt einen Laserkristall 1, dem ein als Güteschalter dienender akusto-optischer Modulator 2 nachgeordnet ist. Zur Erzeugung der notwendigen Pumpstrahlung 3 ist eine Pumpstrahlungsquelle 4, beispielsweise eine oder mehrere Laserdioden oder eine andere geeignete Strahlungsquelle, dem Laserkristall 1 vorgeordnet. Die den Laserkristall 1 anregende Pumpstrahlung 3 kann dabei direkt (Zeichnung) oder indirekt, unter Zwischenschaltung entsprechender Lichtleiter oder anderer optischer Übertragungsmittel (nicht dargestellt) übertragen, und dann durch eine Endfläche des Laserkristalls 1, die der Pumpstrahlungsquelle zugewandt ist, in den Laserkristall 1 eingekoppelt werden. Durch die Verwendung von Lichtleitern ist ferner die Möglichkeit gegeben, die Pumpstrahlungsquelle 4 und den Laserkristall 1 getrennt voneinander anzuordnen und so flexiblere Aufbauten zu realisieren. Die eine Endfläche 5.1 ist dabei mit einer Beschichtung versehen, die für die Pumpstrahlung 4 hochgradig transparent, für die durch den Laserkristall 1 emittierte Strahlung der Lasergrundfrequenz jedoch hochreflektierend ist. Diese Endfläche 5.1 stellt die eine Begrenzungsfläche für den Laserresonator 6 dar, die andere Begrenzungsfläche wird durch den Auskoppelspiegel 7 gebildet. Die andere Endfläche 5.2 des Laserkristalls 1 weist eine Beschichtung auf, welche für die Grundwellenstrahlung transparent und für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierend ist.
Im Resonator 6 sind ferner dem akusto-optischen Modulator 2 eine Verzögerungsplatte 8, z. B. eine λ/4- oder λ/8-Platte, und ein frequenzverdoppelnder Kristall 9 nachgeordnet. Die Verzögerungsplatte 8 dient vorallem der Stabilisierung der Ausgangsleistung des Lasers und, bei bestimmten Kristalltypen, auch zur effizienten Frequenzverdopplung. Es können weiterhin eine Fokussieroptik 10, beispielsweise eine Fokussierlinse oder andere geeignete Elemente, zwischen der Verzögerungsplatte 8 und dem frequenzverdoppelnden Kristall 9 vorgesehen sein.
Die Güteschaltung des Festkörperlasers wird mit Hilfe des akusto-optischen Modulators 2 realisiert, wobei als Kristallwerkstoffe z. B. Te O2 oder Si O2 zur Anwendung kommen. So ist es auch wesentlich, daß der akusto-optische Modulator 2 an seiner, dem frequenzverdoppelnden Kristall 9 zugewandten Fläche eine Beschichtung 11 besitzt, welche hochreflektierend für die frequenzverdoppelte Strahlung ist und welche bewirkt, daß auch der Teil dieser Strahlung, der in Richtung des akusto-optischen Modulators 2 abgestrahlt wird, in Richtung des Auskoppelspiegels 7 zurückreflektiert und somit der Auskopplung zugeführt wird.
Der frequenzverdoppelnde Kristall 9 besitzt ferner an seinen beiden Endflächen eine für die frequenzverdoppelte und die Grundwellenstrahlung hochtransparente Beschichtung 9.1 und 9.2, welche jedoch für die Strahlung mit der Grundfrequenz des Laserkristalls 1 hochtransparent ist.
Als Werkstoffe für den frequenzverdoppelnden Kristall 6 können bekannterweise KTP, KDP, BBO, Li Nb O3 oder Ba2 Na Nb5 O15 Anwendung finden. Der Laserkristall 1 ist auf der dem akusto-optischen Modulator 2 zugewandten Fläche durch die Beschichtung 5.2 für die Grundwellenstrahlung entspiegelt und für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierend ausgebildet.

Claims (7)

1. Gütegeschalteter, diodengepumpter Festkörperlaser mit einer Pumpstrahlungsquelle und eine nachgeordnete, das Pumplicht auf den Laserkristall fokussierende Optik, umfassend innerhalb eines durch reflektierende Flächen begrenzten Laserresonators
  • - einen Laserkristall,
  • - eine Verzögerungsplatte,
  • - und einen die Laserstrahlung frequenzverdoppelnden Kristall,
dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsverlängerung durch interne Überkopplung des Verdopplermechanismus innerhalb des Laserresonators erfolgt und daß als Güteschalter ein akusto-optischer Modulator vorgesehen ist.
2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der akusto-optische Modulator zwischen der Verzögerungsplatte und dem Laserkristall angeordnet ist und auf seiner dem frequenzverdoppelnden Kristall zugewandten Fläche für die frequenzverdoppelte Strahlung hochverspiegelt ist.
3. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Endfläche des Laserkristalls als ein den Laserresonator begrenzender Endspiegel ausgebildet ist, der für die Laserstrahlung hochreflektierend ist.
4. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Strahlungsführung innerhalb des Laserresonators so vorgesehen ist, daß mindestens ein Strahlungsfokus gebildet ist, in welchem der Verdopplerkristall oder der akusto-optische Modulator angeordnet sind.
5. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß mehrere Strahlungsfoki innerhalb des Laserresonators so vorgesehen ist, in welchen der Verdopplerkristall und der akusto-optische Modulator angeordnet sind.
6. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß für den akusto-optischer Modulator Kristalle aus Si O2 oder Te O2 vorgesehen sind.
7. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der akusto-optische Modulator zwischen der Verzögerungsplatte und dem Laserkristall angeordnet ist und auf beiden Seiten für die frequenzverdoppelte Strahlung als auch für die Strahlung auf der Grundfrequenz entspiegelt ist und der Laserkristall auf der dem akusto-optischen Modulator zugewandten Seite für die Grundwellenstrahlung entspiegelt und für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierend verspiegelt ist.
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