DE4425050A1 - Von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Festkörperlaser bieten neben einer hohen Effizienz, die bis zum Zehnfachen den Wirkungsgrad herkömmlicher Systeme übersteigt, auch Kompaktheit und weitgehende Wartungsfreiheit.

Für das Aufbauprinzip wird sehr häufig als longitudinale Anregung des Lasermaterials genutzt, um eine möglichst gute Strahlqualität zu erhalten. Solche Konzeptionen sind bereits in vielfältigen Ausführungsformen Stand der Technik, sie lassen sich jedoch nur bedingt für hohe Leistungen nutzen, weil die Zerstörschwelle des Lasermaterials ziemlich schnell erreicht wird. Diese wird beispielsweise in der Druckschrift "TDA Progress report 42-80, Oct.-Dec. 1984" von D. L. Sipes Jr. mit 115 W absorbierter Pumpleistung pro cm angegeben. Außerdem ist noch anzuführen, daß thermische Effekte im Lasermaterial zur Minderung der Strahlqualität führen, unter Umständen bis zu einer Instabilität des Resonators.

Bei der ebenfalls bekannten transversalen Pumpanordnung, bei der die Pumpstrahlung der Laserdioden senkrecht zur optischen Achse des Festkörperlasers eingekoppelt wird, kann man die Leistung des Festkörperlasers durch Aneinanderreihen mehrerer Laserdioden nach oben skalieren. Dabei kommt man aber sehr schnell an eine Grenze des praktikablen und effizienten Einsatzes, weil z. B. das Lasermaterial eine große Länge besitzen muß. Transversale Pumpanordnungen sind in der Literatur vielfach beschrieben, sowohl für Slab- Kristalle (siehe W. Köchner: "Solid state laser engineering - Springer Verlag"), als auch für Laserstäbe (siehe bspw. F. Hanson, D. Haddock: "Laser diode pumping of neodymium laser rods" - in Applied Optics, Vol. 27, No. 1, Jan. 1, 1988, pp 80).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von Laserdioden angeregten Festkörperlaser zu schaffen, bei dem nicht nur die Zerstörschwelle und die Strahlqualität des Lasermaterials erhöht ist, sondern auch eine effiziente Ankopplung von mehreren Laserdioden in mehreren Ebenen erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Schemabild in perspektivischer Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels mit einem Laserkristall in Form eines Stabes mit quadratischem Querschnitt,

Fig. 2 ein Schemabild in perspektivischer Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Laserkristall in Form eines Stabes mit quadratischem Querschnitt,

Fig. 3 ein Schemabild in einer Aufsichtdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit einem Laserkristall in Form eines Stabes mit sechseckigem Querschnitt,

Fig. 4 ein Schemabild in perspektivischer Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels mit extern positionierten Endspiegeln.

Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Konfiguration wird ein Laserkristall 10 in der Form eines Stabes mit quadratischem Querschnitt verwendet. Bei diesem in optischer Qualität geschliffenen und polierten Kristall sind die vier Seitenflächen 12 durch eine dielektrische Vielschichtbedampfung hochreflektierend für die Wellenlänge des Festkörperlasers und hochtransmittierend für die Pumplichtwellenlänge der Laserdioden 16 beschichtet. Eine Endfläche 15 des Laserkristallstabes 10 ist hochreflektierend für die Wellenlänge des Lasers beschichtet und definiert um zwei Winkel um die Achsen x und y verkippt. Zusammen mit den Spiegeln 13 und 14 wird der Laserresonators gebildet, wobei ein Spiegel als hochreflektierender Endspiegel, der andere als teilreflektierender Auskoppelspiegel dient.

Die sich innerhalb des Resonators ausbildende Lasermode 11 wird auf ihrem Weg durch den Laserkristall 10 an den hochreflektierend beschichteten Kristallseitenflächen 12 zurückgeworfen und verläuft auf diese Weise im Zickzack zunächst in einer Ebene durch den Laserkristallstab 10. An dessen Endfläche 15 wird die Lasermode 11 in der Weise umgelenkt, daß erneut ein Zickzack- Verlauf entsteht, der aber nun um 90° versetzt um die Symmetrieachse des Kristalls 10 verläuft, also senkrecht zur ersten Zickzackebene.

Durch die gezeigte Konzeption wird erreicht, daß die Pumpstrahlung der Laserdioden 16 über die als Option einsetzbare Koppeloptik 17 effizient an die Lasermode 11 angekoppelt und gleichzeitig von vier verschiedenen Richtungen gepumpt werden kann. Dabei können Laserdioden 16 hoher Leistung und großer Streifenbreite der Emitter verwendet werden, da bei der gezeigten Anordnung genügend Platz zur Kühlung der Laserdioden 16 zur Verfügung steht. Durch das Pumpen des Laserkristalls 10 über einen schmalen Streifen an jeder seiner Flächen verbleibt eine ausreichend große Fläche, über die der Kristall gefaßt und auch gekühlt werden kann. Da hier die Auftreffpunkte der Lasermode 11 an den Mantelflächen 12 des Kristalls 10 so nahe beieinanderliegen, kann diese gleichzeitig an mehreren solcher Auftreffpunkte von einem Laserdiodenarray effizient gepumpt werden.

Werden die externen Spiegel 13, 14 weggelassen oder durch Spiegel anderer Reflexionsgrade ersetzt, so kann die gezeigte Konzeption als sehr effizienter Verstärker eingesetzt werden.

Für den Zickzack-Verlauf im Kristall 10 wird der Winkel 18 vorzugsweise klein gewählt, um dadurch eine große Anzahl von Auftreffpunkten der Lasermode 11 auf den Seitenflächen 12 zu erreichen und dadurch eine effiziente Ankopplung an eine Laserdiodenzeile bzw. eine hohe Verstärkung zu erhalten.

Wird der Winkel 18 jedoch groß gewählt, so besteht die Möglichkeit, die Auftreffpunkte der Lasermode 11 so einzustellen, daß sie jeweils den einzelnen Pumpdioden gegenüberliegt. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Laserdioden 16 aufgrund ihrer Baugröße es erfordern. Diese Konzeption ist in schematischer Weise in der Fig. 2 skizziert.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Konfiguration wird ein Laserstab 10 mit einem gleichseitigen Sechseck-Querschnitt verwendet, dessen beide Endflächen so angeordnet sind, daß die Lasermode 11 im Zickzack in drei Ebenen im Kristall 10 verläuft. Dadurch wird die Anzahl der Laserdioden 16, die am Umfang des Laserkristalls 10 angeordnet sind, von vier auf sechs oder mehr erhöht.

Die Fig. 4 der Zeichnung veranschaulicht eine Konzeption, bei der das in Fig. 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel so modifiziert wird, daß alle Endspiegel 13, 14, 19 und 20 extern angebracht sind. Diese Ausführungsform bringt den Vorteil, daß der Kristall einfacher und damit preisgünstiger hergestellt werden kann. Weiterhin sind dann die Reflexionswinkel im Kristall frei wählbar, und das Lasersystem kann leichter optimiert werden.

Claims (7)

1. Von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser, dessen aktives Material als Laserkristall ausgebildet, wobei dessen Mantelflächen hochreflektierend für die Laserwellenlänge und hochtransmittierend für die Pumplichtwellenlänge der optisch anregenden Laserdioden beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Material (10) gleichzeitig sowohl longitudinal als auch transversal durch die Laserdioden (16) gepumpt wird, wobei die Lasermode (11) einen Zick-Zack-Durchlauf in mehreren zueinander senkrecht oder in einem entsprechenden Winkel zueinander stehenden Ebenen vornimmt und hierzu das Lasermaterial (10) stabförmig mit einem mehreckigen Querschnitt geschliffen und in optischer Qualität poliert ist und durch eine raumschräg angebrachte hochreflektierend verspiegelte Endfläche (15) des Laserkristalls (10) oder externe Spiegel (19, 20) zusammen mit zwei außerhalb des Laserkristalls (10) angeordneten Spiegel (13, 14) von denen einer hochreflektierend und der andere als Auskoppelspiegel ausgebildet sind, ein stabiler Laserresonator gebildet wird, dessen Lasermode (11) den zick-zack-förmigen Weg in mindestens zwei Ebenen des Kristalls durchführt.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkristall (10) als sechseckiger Stab ausgebildet ist, der mit zwei in der Weise integriert angeordneten und für die Laserwellenlänge hochreflektierend beschichteten Endflächen versehen ist, so daß drei Zick-Zack-Ebenen im Winkel von 120° zueinander entstehen und jeder seiner sechs Seitenflächen (12) ein oder mehrere Pump-Laserdioden (16) zugeordnet sind.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verzicht auf eine optische Beschichtung der Kristallmantelflächen (12) der Lasermode im Kristall so verläuft, daß sich an den Kristallmantelflächen Totalreflexion ergibt.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die extern angeordneten Spiegel (13, 14) in ihrem Reflexionsgrad variabel einsetzbar sind.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Endfläche (15) des Laserkristalls (10) definiert um zwei Winkel um die Achsen x und y verkippt angeordnet ist.

6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Laserdioden (16) mit hoher Leistung und großer Emitter-Streifenbreite angeordnet sind.

7. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (13, 14) oder Reflexionsflächen (15) so angeordnet und ausgebildet sind, daß der Winkel (18) des Zick-Zack-Verlaufs im Laserkristall (10) so klein ist, daß sich möglichst viele Reflexionspunkte für eine effiziente Pumplichteinkopplung an den Kristallmantelflächen ergeben.