DE3643648C2 - Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser mit resonatorinterner Frequenzverdopplung - Google Patents

Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser mit resonatorinterner Frequenzverdopplung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen laserdiodengepumpten Festkörperlaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er in der älteren Anmeldung beschrieben ist, die zur DE 36 14 401 A1 geführt hat.
Es wurde bereits eine große Zahl verschiedener Arten von Festkörperlasern entwickelt, die sich voneinander durch das Trägermaterial, durch die aktiven Laserdioden, mit denen das Trägermaterial dotiert ist, und durch Ausgangscharakteristiken unterscheiden. Von diesen sind vornehmlich Rubin, Neodym-YAG und Neodym-dotierte Glaslasersysteme von größerer Bedeutung in industriellen und Laborentwicklungen. Sie sind insbesondere verwendbar zur Materialbearbeitung, wie Bohren, Schweißen, Schneiden und Gravieren.
Es werden fortlaufend eine Vielzahl von Neodym-YAG-Lasern und industrielle Systeme hergestellt. Ihre Nützlichkeit und Vielseitigkeit beruht z. T. auf der Tatsache, daß sie in unterschiedlichen Moden betrieben werden können.
Es ist jedoch auch erwiesen, daß Neodym-YAG-Laser einen relativ geringen Wirkungsgrad und eine relativ kurze Lebensdauer aufgrund der Grenzen der Pumpquellen haben, die normalerweise Lichtbogen, Glühlampen oder lichtemittierende Dioden sind.
Das Pumpen durch Lichtbogen oder Glühlampen ist wegen der begrenzten Lebensdauer unerwünscht. Die Lampen selbst haben eine Lebensdauer von etwa einigen hundert Stunden und erfordern einen periodischen Austausch. Darüber hinaus erzeugen sie ungewünschte und schädliche Ultraviolett-Strahlung, die es mit sich bringt, daß das YAG-Material selbst altert.
Das Pumpen durch lichtemittierende Dioden hat den Nachteil der begrenzten Leistung, Fokussierbarkeit und des geringen Wirkungsgrades. Zusätzlich haben lichtemittierende Dioden ein breites Emissions-Spektrum, das entsprechende Einsatzgrenzen bildet, wenn diese als Pumpquellen für Neodym-YAG-Laser verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser der in der älteren Anmeldung angegebenen Art mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer so zu verbessern, daß insbesondere bei Einsatz einer Frequenzverdoppelung kein gesonderter Polarisator erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung gibt einen laserdiodengepumpten Festkörperlaser mit einem mit seltenen Erden dotierten doppelbrechenden Laserstab (genannt RE-Typ) an, der einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer aufweist. Ein derartiger Laser ist sehr kompakt und zum Einsatz mit Frequenzverdopplung geeignet.
Die Erfindung gibt in besonderer Ausgestaltung weiter einen laserdiodengepumpten Festkörperlaser des RE-Typs an, der eine Innenraum-Frequenzverdopplung im sichtbaren Bereich mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
Für den Laserstab können in bevorzugter Ausgestaltung Neodym-YLF oder Neodym-YALO verwendet werden.
Gemäß der Erfindung ist ein innenraumfrequenzverdoppelter Festkörper-Laser des RE-Typs angegeben, der ein wirkungsvolles Pumpen bei hoher Leistung der Laserdiodenanordnung ermöglicht. Um das Fokusbild des Laserdiodenarrays an den Laserstab anzupassen, wird eine Vergrößerung des Laservolumens angewendet. Eine Strahltaille ermöglicht ein wirkungsvolles Frequenzverdoppeln. In einer Ausführungsform mit einem gefalteten Laserraum ist ein Paar von Strahltaillen vorgesehen.
Das Laserdiodenarray stellt trotz der begrenzten Fokussierbarkeit des Ausgangsstrahls eine große Leistung zur Verfügung. Die Zusammenfassung der emittierten Strahlen einer Mehrfach-Streifenanordnung, mit z. B. 10 Emittern in einer Reihe, wobei jeder eine eliptische Strahlkonfiguration hat, zu einem rechteckigen, geometrischen Strahl, würde eine zu große räumliche Struktur erfordern. Bei der vorliegenden Erfindung wird dieser Nachteil in vorteilhafter Weise dadurch ausgeglichen, daß eine Vergrößerung des Laserstrahlquerschnitts vorgenommen wird, um das Volumen des Laserstrahls an das fokussierte Bild des Laserdiodenarrays anzupassen. Daher kann deren hoher Wirkungsgrad trotz geringer Fokussierqualität verwendet werden.
Bei der Erfindung wird ein Festkörperlaser des RE- Typs durch ein Laserdiodenarray gepumpt, um einen Ausgangsstrahl im nahen Infrarot-Bereich zu erzeugen, der mit einer Innenraum- Frequenzverdopplung zur Erzeugung eines sichtbaren Strahls verdoppelt wird. Die Polarisation des Strahls wird durch den Laserstab selbst zur wirkungsvollen Erzeugung einer Frequenzverdopplung vorgenommen.
Das Amplitudengeräusch wird durch ein Etalon in dem Resonator oder alternativ durch eine ringförmige Hohlraumanordnung oder durch ein Paar von Viertelwellen-Platten unterdrückt werden. Ein Pulsbetrieb kann durch Verwendung eines Q-Schalters erreicht werden.
Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines durch eine Laserdiode gepumpten Festkörperlasers gemäß der genannten älteren Anmeldung mit einem Laserrohr, einer Laserdiode, einem Laserresonator, einem Gehäuse, einer Kühlanordnung und anderer zugehöriger Komponenten und zeigt in gestrichelten Linien die zusätzlichen Merkmale eines Frequenzverdopplers, eines Etalons zur Rauschunterdrückung und eines Q-Schalters,
Fig. 2a, b, c sind schematischee Schnittansichten des Systems mit verschiedenen alternativen Ausbildungsformen zur Polarisierung des Laserstrahls gemäß der genannten älteren Anmeldung,
Fig. 2d ist eine schematische Schnittansicht des Systems mit einem Etalon und einem Q-Schalter,
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Laserstrahlform innerhalb des Laserraums gemäß der genannten älteren Anmeldung, wobei eine Strahltaille zwischen dem Laserstab und einem Ausgangskoppler am vorderen Ende der Anordnung ausgebildet ist, wobei außerdem die Position der optischen Elemente (nicht maßstabsgerecht) dargestellt ist,
Fig. 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Laserstabs gemäß der genannten älteren Anmeldung, um die speziellen Oberflächen des Stabs darzustellen,
Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht in Längsrichtung einer gefalteten Resonatoranordnung,
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Form eines Laserstrahls innerhalb des gefalteten Resonators mit zwei Strahlteilen.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Neodym-YAG-Laser 10 in einer Längsschnittansicht. Die wesentlichen Teile des Lasers 10 sind ein Neodym-YAG-Laserstab 11 und eine Laserdiode 12 am Ende der Anordnung. Die Anordnung enthält Linsen 13 und 14, die der Laserdiodenstrahl auf seinem Weg zum Laserstab 11 durchläuft, einen Frequenzverdoppler 16 (in gestrichelten Linien) an der Ausgangsseite des Laserstabes, einen Ausgangskoppler 17 (der die Vorderfläche eines Spiegels enthält) am vorderen Ende der Anordnung, eine Wärmesenke 18 am hinteren Ende der Anordnung, einen Peltier-Kühler 19 zwischen der Laserdiode 12 und der Wärmesenke 18, und ein Gehäuse 21, das vordere und rückwärtige Gehäusekomponenten 22 und 23 aufweisen kann, an dem diese Arbeitskomponenten angeordnet sind. Ferner ist an der Anordnung eine Temperatursteuerung 24 und eine Energierversorgung 26 angeschlossen.
Die Energieversorgung 26 liefert elektrische Leistung an die Laserdiode 12, die dadurch einen Laserdiodenstrahl 27 aussendet und eine gewisse überschüssige Wärme erzeugt, die durch den Peltier-Kühler 19 und die Wärmesenke 18 abgeführt wird. Die Temperatursteuerung 24 ist in der Darstellung mit dem Peltier-Kühler 19 verbunden, um die Temperatur der Laserdiode 12 zu regulieren und sie auf eine Temperatur der richtigen Wellenlänge zum Pumpen des Neodym- YAG-Laserstabes 11 zu halten. Die Laserdiode 12, die eine Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs)-Laserdiodenanordnung sein kann, ist so hergestellt, daß sie in ihrer Wellenlänge der des Neodyms-YAG-Stabs zur Anregung nahekommt. Die Temperatursteuerung ist erforderlich, um ein genaues Einstellen des Diodenausgangsstrahls 27 vornehmen zu können. In einer bevorzugten Ausführungsform sendet die Laserdiode 12 einen Strahl mit einer Wellenlänge von 0,808 µm aus, welches die geeignete Wellenlänge ist, und den Nd-YAG-Stab 11 zu pumpen. Eine derartige Laserdiode hat einen Wirkungsgrad von etwa 20%.
Wie etwas schematisch in den Zeichnungen dargestellt ist, kann die Laserdiode 12 im Gehäuse durch eine Diodenklammer 28 gehalten sein.
Eine feste Linsenhalterung 31 ist in einem Teil des Gehäuses befestigt, welches ein rückwärtiger Endflansch 32 des vorderen Gehäuseteils 22 sein kann und enthält die Linse 13 darin in einer festen Position. Die fixierte Linse 13 dient als Kollimatorlinse, um den divergierenden Strahl 27 der Laserdiode 12 in einem im wesentlichen parallelen Strahl zu konvertieren.
Der ausgerichtete Laserdiodenstrahl 27a durchläuft dann die Linse 14, die eine Fokussierlinie ist, zur Fokussierung des Strahls auf das hintere Ende des Nd-YAG-Kristalls 11. Wie dargestellt ist, ist die Fokussierlinse 14 einstellbar auf einer einstellbaren Linsenhaspel 33 befestigt, die innerhalb einer dargestellten Gewindebohrung drehbar ist, um die Längsstellung der Linse 14 einzustellen. In dem vorderen Gehäuseteil 22 ist vorzugsweise eine Öffnung 34 vorgesehen, um Zugang zur einstellbaren Linsenhaspel 33 zu haben, um diese über eine Reihe von Löchern 36 in der Linsenhaspel 33 drehen zu können.
Der fokussierte konvergierte Laserdiodenstrahl 27b tritt in den Nd-YAG-Laserstab 11 ein und erregt die Neodym-Atome in dem Stab zur Erzeugung eines Laserstabs im nahen Infrarotbereich.
Der Laserresonator für den Nd-YAG-Laserstab ist durch den Ausgangskoppler 17 bestimmt, der eine teilverspiegelte Oberfläche enthält und einen gegenüberliegenden rückwärtigen Spiegel, der etwa am hinteren Ende des Nd-YAG-Stabes 11 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist die rückwärtige Oberfläche 39 des Laserstabes 11 selbst hochreflektierend für 1,06 µm beschichtet, welche als rückwärtiger Spiegel des Laserresonators dient. Dies ist in Fig. 4 gezeigt, in der der Nd-YAG-Laserstab 11 in vergrößerter Ansicht dargestellt ist. Der Begriff "verspiegelt", wie er hier verwendet ist, beinhaltet auch eine Teilverspiegelung.
Vor dem Nd-YAG-Laserstab 11 befindet sich der Innenraum- Frequenzverdoppler 16, der vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, in der Anordnung 10 enthalten ist. Der austretende Laserstrahl 41 aus dem Nd-YAG-Laserstab 11 durchläuft den Frequenzverdoppler 16, indem seine Wellenlänge halbiert und seine Frequenz verdoppelt wird. Vorzugsweise ist der Frequenzverdoppler 16 ein Kristall, der als nahezu idealer Frequenzverdoppler für diesen Zweck aus der Gruppe KTP, LiNbO3 und LiIO3 ausgewählt ist. Ein KTP-Kristall ist ein geeigneter und bevorzugter Frequenzverdoppler, der ein wirkungsvolles Verdopplungselement bei den Wellenlängen, die hier angesprochen sind, ist. Die Ausgangsleistung des KTP-Kristall-Frequenzverdopplers erhöht sich fast quadratisch mit der Erhöhung der Leistung bei einem 1,06 µm-Laserstrahl, so daß der Wirkungsgrad eines Systems unter Verwendung dieses Frequenzverdopplers sehr viel größer bei höheren Leistungen als bei niedrigeren Leistungen ist.
Der Laserstrahl sollte innerhalb des Laserresonators zur Erreichung eines höchsten Wirkungsgrades bei der Frequenzverdopplung polarisiert sein. Der Innerraum-Frequenzverdoppler 16 wandelt nur das einfallende Licht in ein polarisiertes entlang bestimmter Achsen. Unpolarisiertes Licht durchläuft den Frequenzverdoppler 16 entlang einer orthogonalen Achse und wird nicht in der Frequenz verdoppelt. Daher sollte der eintretende Laserstrahl polarisiert sein, um mit der Achse des Verdopplers 16 übereinzustimmen. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen.
Eine gemäß der älteren Anmeldung bevorzugte Methode ist es, den Nd- YAG-Stab 11 einer quergericheteten Belastung zu unterziehen, die den Effekt hat, daß eine Strahlpolarisierung entlang der Belastungsachse erzeugt wird. Die Belastungsachse und daraus resultierende Strahlpolarisierung sollte relativ zur Wandlungsachse des Verdopplers 16 liegen, um eine hohe Umwandlung zu erreichen.
Die Querbelastung des Laserstabes 11 kann durch eine einfache Setzschraube oder eine Belastungsschraube 42 erreicht werden, die in das Gehäuseteil 22, wie dargestellt, eingeschraubt ist. Da es wichtig ist, daß die Querbelastung auf den Laserstab im wesentlichen konstant bleibt, kann es von Vorteil sein, eine starke Kompressionsfeder der Setzschraube 42 hinzuzufügen, z. B. durch eine Belleville-Scheibe (Federscheibe) zwischen der Setzschraube und dem Laserstab 11. Obgleich dies nicht in Fig. 1 dargestellt ist, ist in Fig. 2a eine schematische Angabe der Belleville-Scheibe 43 angegeben, die an der Setzschraube 42 anliegt, wobei die Kraft der Belleville- Scheibe 43 auf die Seite des Nd-YAG-Stabs 11 durch ein Abstandsteil 44 aufgebracht wird.
Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen schematisch die Hauptkomponenten der Laserdioden- und Neodym-YAG-Laseranordnung und zeigen drei verschiedene Systeme zur Erzeugung einer Polarisation des Laserstrahls 41. In Fig. 2a ist, wie angegeben, die Querbelastung des Nd-YAG-Stabes selbst illustriert. Fig. 2b zeigt eine alternative Methode, in der eine Viertelwellen-Platte 46 zwischen dem Frequenzverdoppler 16 und der vorderen verspiegelten Oberfläche 17 verwendet ist. Fig. 2c zeigt die Verwendung einer Brewster- Platte 47, d. h. eines Glasstückes, das im Brewster-Winkel angeordnet ist.
Fig. 2d zeigt einen schematische Schnittansicht des Systems gemäß Fig. 1 mit einem Etalon 52 und einem Q-Schalter 66.
Wichtig ist die Strahlformung im Laserresonator. Wie in Fig. 1 und 2a bis c dargestellt ist, ist die teilverspiegelte Oberfläche 17 am Ausgangskoppler vorzugsweise konkav. In diesen Figuren und in Fig. 4 ist ebenfalls dargestellt, daß die vordere Endoberfläche 48 des Nd-YAG-Laserstabes 11 konvex gekrümmt sein kann. Die Krümmung der Vorderseite des Nd-YAG-Stabes, welche eine sphärische Krümmung von etwa 15 mm Radius sein kann, bringt im Ergebnis eine Linse in den Laserraum, die die Strahlung fokussiert. Zur Formung des Laserraum, die die Strahlung fokussiert. Zur Formung des Strahls innerhalb des Laserraums wirkt diese Linse mit dem Ausgangskoppler-Spiegel 17 zusammen.
Die graphische Darstellung in Fig. 3 zeigt grundsätzlich den Laserstrahl 41 innerhalb des Laserresonators im Profil.
Es ist die Strahlformung zur Erzeugung einer Strahltaille 60 dargestellt, d. h. eines verengten Bereichs des Laserstrahls, wenn dieser innerhalb des Laserresonators zwischen den zwei verspiegelten Oberflächen in Resonanz steht. In der Darstellung von Fig. 3 ist die rückwärtige verspiegelte Oberfläche als flache Rückfläche 39 des Nd-YAG-Laserstabes angenommen.
Eine Veränderung des Radius der Krümmung der Linsenoberfläche 48 an der Vorderseite des Laserstabes hat, wie gefunden wurde, Einfluß auf die Größe der Strahltaille 60. Ein engerer Krümmungsradius erzeugt eine kleinere Einschnürung, die den Frequenzverdopplungs-Prozeß verbessert. Es wurde für den Wirkungsgrad des Lasers als vorteilhaft gefunden, die Strahltaille 60 bis zu einem kleinsten praktischen Durchmesser relativ zu den anderen Konstruktionsüberlegungen zu wählen, einschl. des erlaubten Bereiches des Radius der vorderen Endfläche 48 des Laserstabes, und den KTP-Frequenzverdopplungs-Kristall an der Strahltaille anzuordnen. Ein minimaler praktischer Strahldurchmesser ist etwa 40 µm für die dargestellte Ausführungsform.
Ein anderer Gesichtspunkt zur Strahlformung gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Übereinstimmen des Strahlvolumens des Resonanzstrahls innerhalb des YAG-Stabes mit der Größe des Laserdiodenstrahls, der den YAG-Kristall anregt. Die Kombination des konkaven Ausgangskoppler-Spiegels 17 und des linsengeformten Endes 48 der Vorderseite des YAG-Stabes mit einer Stabverspiegelung an der Rückseite 39 ermöglicht es, die Strahlgröße an der Stelle 51 der Darstellung von Fig. 3, d. h. innerhalb des YAG-Stabes auf das richtige Volumen einzustellen. Der fokussierte Strahl der Laserdiode in den YAG-Kristall muß das Strahlvolumen 51 innerhalb des Laserstabes zur wirkungsvollen Anregung der Neodym-Atome innerhalb des Stabes überlappen. Das Pumpenvolumen muß im wesentlichen das gleiche wie das Laservolumen sein. Wenn das Laserstrahlvolumen innerhalb des YAG-Kristalls zu klein ist, stimmt das Pumpvolumen des Laserdiodenstrahls nicht gut damit überein und dies führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Lasers.
Die Kombination des linsengeformten Endes 48 des Laserstabs, des Ausgangskoppler-Spiegels 17 und seines Krümmungsradius, des Abstandes von der Linse 48 zum rückwärtigen Hohlraumspiegel 39 (vorzugsweise auf der flachen Rückfläche des YAG-Stabes), der etwa 5 mm beträgt, und der Anordnung des KTP-Verdopplungskristalls an der Strahleinschnürung 60, die die kleinste praktikable Größe aufweist, ergibt eine frequenzverdoppelte Laserausgangsleistung hohen Wirkungsgrades. Der Krümmungsradius des konkaven Spiegels am Ausgangskoppler ist in einer bevorzugten Ausführungsform etwa 37 mm. Der Abstand zwischen diesem konkaven Spiegel und dem vorderen Ende des KTP-Kristalls kann etwa 31 mm betragen. Ein KTP-Kristall von etwa 5 mm Länge kann verwendet werden. Die Entfernung zwischen der Rückseite des KTP-Kristalls zur linsengeformten Vorderseite des YAG-Stabes kann etwa 22 mm betragen. Wie bereits genannt ist, kann der YAG-Stab selbst etwa 5 mm Länge aufweisen, mit einem 15 mm Radius der Krümmung der Linse 48 am Vorderende.
Es wird darauf hingewiesen, daß die dargestellten und beschriebenen Spiegelanordnungen zwar bevorzugt werden, jedoch variieren können. Z. B. kann die rückwärtige Spiegeloberfläche des Laserraumes einen Spiegel enthalten, der etwas hinter der rückwärtigen Oberfläche 39 des Nd-YAG-Laserstabes liegt.
Mit der durch eine Laserdiode gepumpten Nd-YAG-Laseranordnung nach wurde gefunden, daß für einen sichtbaren Ausgangsstrahl ein Wirkungsgrad von etwa 0,5 bis 1% erreicht werden konnte. Mit z. B. einem Watt elektrischer Leistung, die der Laserdiode zugeführt wird, die einen Wirkungsgrad von etwa 20% aufweist, weist die Laserdiode eine Leistung von etwa 200 Milliwatt auf. Im allgemeinen beträgt bei dieser Pumpenleistung die 1,06 µm Ausgangsleistung etwa 30% der Laserdiodenausgangsleistung, so daß der 1,06 µm Ausgangsstrahl eine Leistung von etwa 70 Milliwatt aufweist. Daher wird ein Wirkungsgrad von etwa 5% bei 1,06 µm erreicht. Für ein wirkungsvolles Frequenzverdoppeln ist der Ausgangskoppler 17 bei 1,06 µm hochreflektierend beschichtet und hat eine hohe Durchlässigkeit bei 0,532 µm. Bei 200 Milliwatt Pumppegel beträgt die 1,06 µm-Innenraumintensität etwa 10 Watt. Bei diesem Leistungspegel ist der Wirkungsgrad durch das Verdoppeln mit dem KTP-Element ausreichend, um etwa 10 Milliwatt Ausgangsleistung bei 0,532 µm abzugeben.
Bei beträchtlich höherer Leistung, z. B. 10 Watt Eingangsleistung zur Laserdiode erregt ein 2-Watt-Ausgangsdiodenstrahl den YAG-Stab dazu, einen Laserstrahl von etwa 600 Milliwatt auszusenden. Bei dieser hohen Leistung ist der Wirkungsgrad des Frequenzverdopplers höher und eine Ausgangleistung im sichtbaren Bereich von etwa 100 Milliwatt kann erreicht werden. Daher wird 1% Wirkungsgrad bei einem sichtbaren Laser in einem mittleren Leistungsbereich erreicht.
Bei einem Hochleistungsausgang weist der Nd-YAG-Laser einen beträchtlichen höheren Wirkungsgrad auf. Wenn z. B. die Eingangsleistung der Laserdiode 40 Watt beträgt, wird ein Laserstrahl von etwa 2,4 Watt frequenzverdoppelt und bei dieser Leistung wandelt der KTP-Frequenzverdoppler nahezu 100% des 1,06 µm Ausgangsstrahls in das Sichtbare um. Daher kann ein Ausgangsstrahl von über 2 Watt im sichtbaren Bereich erreicht werden bei bis zu 5 bis 6% Wirkungsgrad.
Das System ist ebenfalls vorteilhaft bei der Erzeugung eines Lasers im nahen Infrarot-Bereich. Dabei wird der Frequenzverdoppler 16 (in gestrichelten Linien in Fig. 1) weggelassen. Daher ist der Wirkungsgrad des Systems nur durch den Wirkungsgrad von annähernd 20% des Laserdiode begrenzt und durch den Wirkungsgrad von annähernd 30% des Nd-YAG-Laserstabes selbst wird ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 6% unabhängig vom Leistungspegel erreicht.
In einer Form eines derartigen Infrarotlasers können die Enden des Nd-YAG-Laserstabs die beiden Spiegel des Laserraumes bilden. Daher ist jedes Ende teilverspiegelt, wodurch ein Laserresonator innerhalb eines Stabes selbst gebildet wird. Daraus resultiert ein äußerst wirkungsvoller naher Infrarotlaser, der noch kompakter als das System nach Fig. 1 ist, da der Ausgangskoppler mit dem Laserstab integriert ist.
Ein weiteres Problem, das bei miniaturisierten, lasergepumpten, frequenzverdoppelten Innenraum-Nd-YAG-Lasern, wie vorstehend beschrieben, auftritt, ist die Erzeugung von Amplitudenrauschen, einschl. größerer Amplitudenspikes, die die Verwendung verhindern oder begrenzen, wenn es auf hohe Stabilität oder eine konstante Ausgangsleistung ankommt. Obgleich der kurze Laserraum zu Längsmoden führt, die relativ weit auseinanderliegen, ist die Verstärkungskurve im allgemeinen ausreichend breit, so daß mehrere Längsmoden im Laserraum schwingen. Die Kombination dieser Mehrfachmoden erzeugt ein Amplitudenrauschen. Zur Verringerung oder Verhinderung des Amplitudenrauschens ist ein Etalon 52 zur Unterdrückung des Amplitudenrauschens im Laserresonator normal zum Strahl in den Fig. 1, 2d und 3 angegeben. Alternativ ist es möglich, zur Verringerung des Rauschens eine Phasenkopplung vorzunehmen. Ein Beispiel eines verwendbaren Etalons 52 ist eine optische Platte von etwa 0,5 mm Dicke. Da die Strahltaille 60 nicht nur der engste Teil des Strahls ist, sondern auch der Teil des Strahls, an dem alle Strahlen parallel liegen, wird das Etalon 52 vorzugsweise an der Strahltaille 60 angeordnet, um die optischen Verluste zu vermeiden. Da es außerdem von Vorteil ist, den Verdoppler 16 an der Einschnürung 60 anzuordnen, kann das Etalon 52 neben dem Doppler 16, wie in Fig. 3 dargestellt, angeordnet werden.
Zur Vermeidung von Schwierigkeiten bei der Anordnung zweier Elemente, des Dopplers 16 und des Etalons 52, an der Strahltaille 60 wird eine alternative Ausbildung mit gefaltetem Resonator 54, wie in Fig. 5 dargestellt, erfindungsgemäß bevorzugt. Ein gefalteter Resonator 54 enthält einen konkaven Faltspiegel 56, der mit der rückwärtigen Spiegeloberfläche 39 des Laserstabes 11 den ersten Arm des Laserresonators bildet und ferner einen konkaven Endspiegel 58, der mit dem Faltspiegel 56 den zweiten Arm des Laserresonators bildet. Der Faltspiegel 56 ist ein dichroitischer Spiegel, der hochreflektierend bei der nichtverdoppelten Frequenz und hochdurchlässig bei der verdoppelten Frequenz ist, und der als Ausgangskoppler für das sichtbare Licht verwendet ist. Der Spiegel 58 ist bei beiden Frequenzen hochreflektierend. Der Frequenzverdoppler 16 wird in dem zweiten Arm zwischen dem Spiegel 56 und 58 angeordnet, so daß der Laserstrahl, der durch den Stab 11 erzeug wird, mit geeigneter Polarisation durch den Spiegel 56 reflektiert wird und durch den Doppler 16 tritt. Der frequenzverdoppelte Strahl wird durch den Spiegel 58 zum Spiegel 56 zurückreflektiert, durch den der Strahl austritt. Die Strahlung mit der doppelten Frequenz tritt daher nicht durch den ersten Arm zurück zum Laserstab 11. Ein Etalon 52 zur Amplitudengeräusch-Unterdrückung kann in dem ersten Arm zwischen dem Spiegel 56 und dem Laserstab 11 angeordnet werden. Ein erläuterndes Strahlprofil innerhalb des gefalteten Raums 54 ist graphisch in Fig. 6 dargestellt. Eine erste Strahltaille 60 wird in dem ersten Arm erzeugt und eine zweite Strahltaille 62 ist in dem zweiten Arm mit dem Profil gebildet, das sich zwischen der Spiegeloberfläche 39 und dem Spiegel 58 mit einem mittleren Punkt 64 am Spiegel 56 ausbildet. Wie bereits dargestellt ist, stimmt die Strahlweite des Laserstabs 11 mit dem Laserdioden-Pumpvolumen überein. Der Doppler 16 wird an der Verengung 62 angeordnet, während das Etalon 52 an der Verengung 60 angebracht ist. Typische Dimensionen der gefalteten Raumanordnung sind eine Gesamtlänge von 100 bis 130 mm, ein Krümmungsradius der Spiegel 56 und 58 von typisch 37 mm, eine Strahlverengung 60, 62 von typisch weniger als 100 µm.
Ein wichtiger Grund des Auftretens von Multilängsmoden in einem Nd-YAG-Laser ist das räumliche Einbrennen (hole burning) in dem aktiven Medium. Es sind verschiedene Techniken bekannt zur Verhinderung des räumlichen Einbrennens einschließlich der Verwendung einer Ringlaser-Anordnung oder das Einsetzen des aktiven Mediums zwischen Viertelwellenplatten, welches in W. Koechner, Solid State Laser Engineering (Springer-Verlag, New York, 1976) S. 226 angegeben ist. Jede dieser Techniken kann bei Innenraum-Lasersystemen mit Verdopplung, wie hier beschrieben, anstelle der Verwendung eines Etalons benutzt werden. Durch Verhinderung des räumlichen Einbrennens arbeitet der Laser mit einem einzigen Längsmode, und es treten daher keine Moden-Instabilitäten oder Amplitudenschwankungen, wie beschrieben, auf. Die Verwendung einer Ringlaser-Resonatorgeometrie oder eines Paares von Viertellängenplatten hat den Vorteil, daß nur wenig Leistung verlorengeht, wenn diese Elemente in den Resonator eingesetzt werden, während die Verwendung von Etalons zur Erzeugung eines Einzelmode-Betriebs häufig zu mehr Leistungsverlust führt.
Wie beschrieben ist, muß zur Verwendung des Innenraum-Frequenzverdopplers zur Erzeugung einer frequenzverdoppelten Laserausgangsleistung der Ausgang des Laserstabes zur Übereinstimmung mit der richtigen Achse des Dopplerkristalls polarisiert werden. Wenn ein nicht doppelbrechendes Material, wie z. B. YAG (Yttrium-Aluminium-Garnet Y3Al5O12) für den Laserstab verwendet ist, ist ein Polarisator innerhalb des Raumes erforderlich, wie vorher dargestellt.
Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, ein doppelbrechendes Material für den Laserstab zu verwenden. Der Ausgang des doppelbrechenden Laserstabes ist dann polarisiert, ohne daß ein Polarisator erforderlich ist, und der Laserstab und der Dopplerkristall können zu einer Frequenzumwandlung mit hohem Wirkungsgrad geeignet ausgerichtet werden. Ein geeignetes doppelbrechendes Material für den Laserstab ist YLF (Yttrium-Lithium-Fluorid YLiF4). Entsprechend ist Nd-YLF ein bevorzugtes Material der Erfindung. Andere doppelbrechende Materialien wie z. B. Nd-YALO können auch verwendet werden. Festkörper-Materialien, die mit anderen seltenen Erden dotiert sind, können ebenfalls verwendet werden, solange die lasenden Ionen einen Absorptionsbereich aufweisen, der der Laserdiodenwellenlänge entspricht.
In einigen Anwendungen sind gepulste Laserausgänge gewünscht. Die vorher beschriebenen Laser arbeiten grundsätzlich im kontinuierlichen Betrieb. Obwohl es möglich ist, einen gepulsten Laser durch Pulsen der Laserdioden, die den Laserstab pumpen, zu erzeugen, ist jedoch das bevorzugte Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangs das Umschalten mit Hilfe eines Q-Schalters. Wie in den Fig. 1 und 2d dargestellt ist, ist ein Q-Schalter 66, üblicherweise eine akustisch-optische oder elektro- optische Anordnung, in dem Laserraum angeordnet. Ein Q-Schaltertreiber 68 ist mit dem Q-Schalter 66 verbunden. Im Betrieb schaltet der Q-Schalter den Laser aus, um eine Besetzungsinversion aufzubauen, wenn der Laserstab durch die Laserdiode gepumpt wird. Der Q-Schalter wird dann ausgeschaltet, wodurch ein Hochenergie-Impuls erzeugt wird, da die gesamte gespeicherte Energie in dem Laserraum in kurzer Zeit freigegeben wird. Die Pulsbreite ist durch die Frequenz des Q-Schalters bestimmt. Für einen Pulsbetrieb kann YLF als bevorzugtes Material verwendet werden, da es mehr Energie (etwa doppelt so viel) als YAG speichern kann. Für den Pulsbetrieb ist das Amplitudenrauschen kein Problem. Sowohl frequenzverdoppelte als auch nichtfrequenzverdoppelte Laser können gepulst sein. Z. B. kann ein Laser, der 80 bis 100 mW Infrarot erzeugt, frequenzverdoppelt und mit einem Q-Schalter geschaltet sein, um 50 mW Durchschnittsleistung bei 100 kHz grüner Impulse zu erzeugen.

Claims (7)

1. Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser mit:
  • a- einem Gehäuse (21),
  • b) einem Reflektor (39) und einem Ausgangskoppler (17), die einen Laserresonator mit einer optischen Achse bilden, wobei ein Laserstab (11) in der optischen Achse des Laserresonators angeordnet ist und der Laserresonator sich in dem Gehäuse (21) befindet,
  • c) einem Laserdiodenarray (12) mit eingeschränkter Fokussierbarkeit, das einen Pumpstrahl entlang der optischen Achse des Laserresonators erzeugt,
  • d) optischen Mitteln (39, 48, 17), die den Querschnitt des Laserstrahls innerhalb des Laserstabs (11) im Bereich des Fokusvolumens des Laserdiodenarrays (12) derart vergrößert, daß der Laserstrahlquerschnitt der Fokusgröße des Pumplaserstrahls angepaßt ist, und die innerhalb des Laserresonators eine Strahltaille (60; 62) erzeugen,
  • e) eine Temperatursteuereinrichtung (24) zur Steuerung der Temperatur des Laserdiodenarrays (12), um das Laserdiodenarray (12) innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs so einzustellen, daß der Pumpstrahl ausreichend von dem Laserstab (11) absorbiert wird, wobei ein Wärmeableiter (18) zur Ableitung überschüssiger Wärme mit der Einrichtung (24) zur Temperatursteuerung verbunden ist,
  • f) einem Frequenzverdoppler (16) der sich an der Stelle geringsten Querschnitts des die Strahltaille (60; 62) aufweisenden Laserstrahls befindet,
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • g) der Laserstab (11) aus einem natürlich doppelbrechenden, mit Ionen der seltenen Erden dotierten Material besteht, das einen polarisierten Ausgangsstrahl für die Frequenzverdopplung erzeugt.
2. Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel (39, 48, 17) zur Strahlformung des Laserstrahls durch teilverspiegelte Vorder- und Rückflächen (39, 48) des Laserstabs (11) und einen konkaven Ausgangskoppelspiegel (17) gebildet sind, wobei die Vorderseite des Laserstabs (11) konvex ausgebildet ist.
3. Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab (11) aus Nd : YLF oder aus Nd : YALO besteht.
4. Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator als gefalteter Resonator mit einem konkaaven Faltspiegel (56) ausgebildet ist, wobei in jedem Arm des Laserresonators eine Strahltaille (60; 62) ausgebildet ist.
5. Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzverdoppler (16) an der Strahltaille (62) des zweiten Arms des Laserresonators angeordnet ist, der sich an dem dem Laserstab (11) entgegengesetzten Ende des Laserresonators befindet.
6. Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Strahltaille (60) des an den Laserstab (11) anschließenden ersten Arms des Laserresonators ein Etalon (52) zur Rauschunterdrückung angeordnet ist.
7. Laserdiodengepumpter Festkörper-Laser nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltspiegel (56) ein dichroitischer Spiegel ist und den Ausgangskoppler des Lasers bildet.
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