DE4444435A1 - Optisch angeregter Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen durch Laserdioden gepumpten Festkörperla­ ser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Festkörperlaser bieten neben einer hohen Effizienz - die bis zum Zehn­ fachen den Wirkungsgrad herkömmlicher Systeme übersteigen - auch Kompakt­ heit und weitgehende Wartungsfreiheit. Aufgrund des im Vergleich zu konventio­ nellen, durch Lampen gepumpten Festkörperlasern wesentlich vorteilhafteren An­ regungsmechanismus und der Möglichkeit, das Pumplicht auf den räumlichen Be­ reich der Lasermode zu beschränken, bietet die longitudinale Anregung mit einer Laserdiode als Pumpquelle sehr gute Voraussetzungen für optisch gepumpte Festkörperlaser.

Allerdings stößt auch dieser sehr effiziente Anregungsmechanismus bei hohen Pumpleistungen an seine physikalisch realisierbaren Grenzen. Aus der Druck­ schrift "TDA Progress report 42-80, Oct.-Dec. 1984" von D.L. Sipes Jr. läßt sich ableiten, daß die Zerstörgrenze aufgrund der thermischen Belastung bei dem wohl am weitest verbreiteten Laserkristall Nd:YAG bei 115 W/cm absorbierter Pumpleistung liegt. Da demnach der Laser nicht mit höherer Leistung pro Kristallänge gepumpt werden kann, ist auch seine Laserausgangsleistung dementsprechend begrenzt.

Nicht weniger einschränkend ist die Gegebenheit, daß Laserdioden mit ausrei­ chender optischer Ausgangsleistung nicht zur Verfügung stehen und deshalb im­ mer die Ausgangsleistung mehrerer Laserdioden erforderlich ist um einen Fest­ körperlaser hoher Leistung anzuregen. Dies kann beispielsweise geschehen, in dem man die Pumpleistung mehrerer Laserdioden in je eine Glasfaser einkoppelt und diese Glasfasern als Bündel vor dem Laserkristall positioniert, um so den La­ ser mit longitudinaler Pumpanordnung zu betreiben. Ein solches Experiment ist von Y. Kenada, M. Oka, H. Masuda und S. Kubota in dem Artikel "7.6 W of continous-wave radiation in a TEM₀₀ mode from a laser-diode end-pumped Nd:YAG laser", in Optics letters, Vol. 17, No. 14, July 15, 1992, pp 1003 be­ schrieben worden.

Eine andere Möglichkeit der longitudinalen Pumpanordnung mit mehreren La­ serdioden besteht darin, durch entsprechende Kollimations- und Fokussieroptiken die Strahlung mehrerer Dioden unter einem flachen Winkel in den Kristall einzu­ koppeln. Dies haben bereits S. Tidwell, J.Seamans, C. Hamilton, C. Muller und D. Lowenthal demonstriert (Optics letters, Vol. 16, No.8, April 15, 1991, pp584).

Wenn man auf keine dieser bewährten Methoden zurückgreifen will oder kann, bleibt nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nur, auf die hocheffiziente longitudinale Anregungsweise zu verzichten und mit der etwas weniger effizien­ ten, transversalen Pumpanordnung zu arbeiten. Diese transversale Pumpanord­ nung ist in der Literatur an vielen Stellen ausführlich beschrieben, sowohl für Slab-Kristalle von W. Koechner: "Solid state laser engineering", Springer Verlag, als auch für Laserstäbe von F. Hanson und D. Haddock ("Laser diode side pum­ ping of neodymium laser rods", Appl.Opt., Vol. 27, No. 1, Januar 1, 1988, pp80). Dabei wird die Pumpstrahlung der Laserdioden rechtwinklig zur optischen Achse des Festkörperlasers eingekoppelt, dies bietet die Möglichkeit durch Skalierung der Zahl der Laserdioden entlang des Laserkristalls die Ausgangsleistung des La­ sersystems zu erhöhen.

Grundsätzlich sind scheinbare Mischformen aus longitudinaler und transversaler Pumpanordnung bekannt (C. Pfisterer, P. Albers, H.P. Weber: "Efficient Nd:YAG slab, longitudinally pumped by diode lasers", WEE Journal of Quantum Electro­ nics, Vol. 26, Nr. 5, pp 827-829, May 1990). Ebenso finden sich in der Literatur Beschreibungen von Lasern, die zur besseren Ausnutzung des im Laserkristall angeregten Volumens, mehrfache Reflexionen des Laserstrahls im Kristall aus­ nutzen (R. Scheps, J. Myers: "Scalable internally folded Nd:YAG laser end-pum­ ped by laser diodes", SPW Vol. 1864, Solid State Lasers IV 1993, pp 132 oder Q. Lü, J. Eichler: "Off-axis prism resonator for improved beam quality of slab lasers", Optics letters, Vol. 15, Nr. 23, Dec.1, 1990, pp 1357).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von Laserdioden angeregten Festkörperlaser zu schaffen, der den Einsatz von mehreren Laserdi­ oden erlaubt, die den Festkörperlaser in einer effizienten longitudinalen Pump­ konfiguration anregen, wobei thermisch induzierte Verzerrungen der optischen Phasenfronten wesentlich minimiert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele beschrieben und erläutert, sowie in der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels mit einem Laserkristall in Form eines Pentagons, der an vier Grenzflächen mit insgesamt acht La­ serdioden optisch angeregt werden kann,

Fig. 2 ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels mit einem Laserkristall in Form eines regelmäßigen Achtecks. Hierbei kann das Pumplicht von insgesamt vierzehn Laserdioden in longitudinaler Aufbauweise über sieben Kristallflächen in den Laserkristall einkoppeln.

Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Konfiguration wird ein Laserkristall (1) in der Form eines regelmäßigen Fünfecks verwendet. Bei diesem in optischer Quali­ tät geschliffenen und polierten Fünfeck sind vier Kristallflächen (2) durch eine dielektrische Vielschichtbedampfung hochreflektierend für die Wellenlänge des Festkörperlasers und hochtransmittierend für die Pumpwellenlänge der Laserdi­ oden (4) vergütet. Die verbleibende Kristallfläche (3) ist für die Wellenlänge des Festkörperlasers antireflektierend bedampft. Zusätzlich befinden sich außerhalb des Laserresonators die Spiegel (5 und 6), von denen einer als hochreflektieren­ der Endspiegel (5), der andere als teilreflektierender Auskoppelspiegel (6) arbei­ tet.

Die sich innerhalb des Resonators ausbildende Lasermode wird (10) auf ihrem Weg durch den Laserkristall an den hochreflektierend beschichteten Kristallflä­ chen reflektiert, wobei sie sich in dem Bereich jeder Kristallfläche je zweimal in dem von den Laserdioden (4) longitudinal über die Transferoptik (7) gepumpten Volumen befindet.

Entsprechend dem Gesetz der Brechung an optischen Flächen vergrößert sich der Winkel zur Flächennormalen (8), unter dem die Laserdioden in den Kristall ein­ strahlen, auf den Wert β, wenn im Kristall die Lasermode unter dem Winkel α zur Flächennormalen (8) auf die Kristallfläche trifft. Dabei gilt: sin α/sin β = 1/n, mit n gleich dem optischen Brechungsindex des Laserkristalls. Dadurch ist ein genügend großer Raum geschaffen, um auch bei kleinen Laserkristallen pro Kristallfläche zwei Laserdioden als longitudinale Pumpquelle einzusetzen.

Grundsätzlich besitzen alle derzeit als Pumpquellen zur Verfügung stehenden Hochleistungslaser-Dioden eine Array- oder Breitstreifenstruktur, welche die Ei­ genschaft hat, ein stark asymmetrisches Strahlprofil zu erzeugen; in der Ebene des als aktive Zone wirkenden pn-Übergangs ist der Divergenzwinkel der entste­ henden Laserstrahlung mit einigen Grad deutlich geringer als der Divergenzwin­ kel von einigen 10 Grad in der Ebene senkrecht dazu.

Orientiert man die Laserdioden derart, daß der große Divergenzwinkel gemäß Abb. 1 in der Zeichenebene liegt, so kann der Kristall auch von jeweils nur einer Laserdiode pro Kristallfläche gepumpt werden, bei einem trotzdem sehr guten Überlappungsbereich von Pump- und Modenvolumen. Dadurch kann man die technischen Anforderungen an die Kollimations- und Fokussieroptik werden wesentlich reduziert. Trotzdem sind in diesem Falle immer noch beispielsweise vier Laserdioden als Pumpquelle an einem Laserkristall mit fünf Kristallflächen einsetzbar.

Die mit der Pumplichteinstrahlung verbundene Aufheizung des Laserkristalls kann durch Metallflächen, Mikrokühler oder ähnliches erfolgen, welche oberhalb und/oder unterhalb der durch die Zeichenebene gebildeten Fläche am Laserkri­ stall anliegen. Der Laserkristall kann insgesamt sehr dünn gehalten werden, so daß zum einen das Verhältnis Kristalloberfläche zu Kristallvolumen sehr groß wird, und der absolute thermische Widerstand sehr gering wird. Aus diesem Grunde sind thermisch induzierte Verzerrungen der optischen Phasenfronten, thermisch induzierte Doppelbrechung und thermische Linsenbildung minimiert, da deren Ursache in Temperaturgradienten innerhalb des Modenvolumens des Festkörperlasers liegt.

Die Fig. 2 veranschaulicht eine Laserkonfiguration, bei der der Laserkristall in Form eine Oktogons geschliffen und poliert ist. Bei analog zu Fig. 1 ausgeführ­ ter, hochreflektierender Beschichtung von nun sieben der acht Kristallflächen und antireflektierender Beschichtung der verbleibenden achten Kristallfläche wird der Laserresonator wieder durch den Endspiegel (5) und den Auskoppelspiegel (6) vervollständigt. Bei der hier veranschaulichten Laserkonfiguration können vier­ zehn Laserdioden als longitudinale Pumpquelle verwendet werden, wobei das ge­ samte Lasersystem trotzdem sehr klein und kompakt gehalten werden kann.

Grundsätzlich sind auch Glasfasern einsetzbar, um das Pumplicht einer Vielzahl von Laserdioden an die Kristallflächen heranzuführen. Dies ist besonders dann angezeigt, wenn durch einen Laserkristall mit vielen Einkoppelflächen eine große Pumpleistung eingestrahlt werden soll, wegen der Kompaktheit des Laserkristalls jedoch nicht genügend Raum für die Laserdioden inklusive ihrer Pumpoptik zur Verfügung steht.

Claims (6)

1. Mit Laserdioden gepumpter Festkörperlaser, dessen laseraktives Material ein Kristall mit geschliffenen und optisch polierten Flächen ist, die bis auf eine Fläche sowohl für die Laserwellenlänge hochreflektierend und als auch für die Pumplichtwellenlänge der Laserdioden hochtransmittierend beschichtet sind, und dieses laseraktive Material zwischen einem Einkoppelspiegel und einem Auskop­ pelspiegel einen stabilen Resonator bildend liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkristall (1) als ein ein Polygon bildendes Vieleck geschliffen und optisch poliert ist, dessen Flächen (2) durch eine dielektrische Vielschichtbedampfung für die Wellenlänge des Festkörperlasers hochreflektierend und für die Pumplichtwellenlänge der Laserdioden (4) hochtransmittierend vergütet sind und dessen eine Fläche (3) des polygonalen Kristalls für die Wellenlänge des Festkörperlasers antireflektierend bedampft ist, und daß der Einkoppel- (5) sowie der Auskoppelspiegel (6) des Laserresonators außerhalb des Kristalls (1) ange­ ordnet ist, so daß die Lasermode an den hochreflektierend beschichteten Flächen (2), einen sternförmigen Weg im Kristall (1) bildend, zurückgeworfen wird und die Mode in dem Bereich einer jeden Endfläche das von jeweils einer oder meh­ reren Laserdioden (4) über deren Kollimations- und Fokussieroptik (7) longitudi­ nal optisch gepumpte Volumen durchdringt.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die La­ serdioden (4) so orientiert sind, daß der große Divergenzwinkel in der Ebene des Resonatormodenverlaufes liegt.

3. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserkristall (1) rechtwinklig zu der durch die Lasermode auf­ gespannten Ebene durch Metallflächen oder Mikrokühler gekühlt wird, die ober­ halb und/oder unterhalb der durch die Papierebene gebildeten Fläche am Laser­ kristall (1) anliegen.

4. Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß pro Kristallfläche zwei Laserdioden (4) als longitudinale Pumplichtquellen angeordnet sind.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß pro Kristallfläche (2) mir eine Laserdiode (4) als Pumplichtquelle angeordnet ist, die so orientiert ist, daß ihre große Strahldivergenz in der durch die Lasermode aufgespannten Ebene liegt.

6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pumplicht der Laserdioden (4) mittels Glasfasern an die Kri­ stall-Einkoppelflächen herangeführt wird.