DE60037962T2

DE60037962T2 - Aktives Element für eine Laser-Quelle und Anwendung in einer Laser-Quelle

Info

Publication number: DE60037962T2
Application number: DE60037962T
Authority: DE
Inventors: Louis Cabaret; Jean-Eucher Montagne
Original assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Current assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: US20010019570A1; JP2001217489A; FR2803697B1; EP1115186B1; EP1115186A1; FR2803697A1; US6611545B2; IL140430A; DE60037962D1; IL140430A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Element für eine Laserquelle sowie eine Laserquelle mit einem solchen aktiven Element.
Auf bekannte Weise umfasst eine solche Laserquelle im Allgemeinen:

– ein aktives Element, das einen langgestreckten Stab umfasst, dessen Querschnitt im Allgemeinen, jedoch nicht ausschließlich, kreisförmig ist und der eine dotierte Matrix umfasst, die geeignet ist, ein Pumpbündel zu absorbieren, um eine Laserstrahlung zu verstärken, die sich in Längsrichtung mit oder ohne Rückprall ausbreitet; und
– mindestens eine Pumpquelle, zum Beispiel eine Laserdiode, die geeignet ist, ein Pumpbündel auszusenden, das in den Stab eindringt.

Auf bekannte Weise kann das Pumpbündel wie folgt ausgesendet werden:

– entweder in Längsrichtung in Bezug auf die Achse des langgestreckten Stabs. In diesem Fall wird der zylinderförmige Stab direkt als Lichtleiter verwendet, wobei entweder eine Totalreflexion an den Wänden des Zylinders erzeugt wird oder ein Reflektor außerhalb der Wände angeordnet wird, um die Verstärkung der spontanen Emission zu begrenzen;
– oder quer zur Achse des Stabs, wie dies zum Beispiel in den Dokumenten EP-0 377 207 und US-4 756 002 beschrieben ist.

Es ist bekannt, dass einer der Hauptzwänge in Verbindung mit dem Pumpen des verstärkenden Mediums (Stabs) durch eine Pumpquelle mit der Amplitude der Wellenlängendrift, die akzeptiert werden muss, zusammenhängt, wobei gleichzeitig konstante Parameter beim ausgesendeten Laserbündel beibehalten werden müssen. Dieser Zwang macht es notwendig, unabhängig von der Temperatur:

– einen maximalen Absorptionsgrad beizubehalten (und/oder die vom Pumpbündel im aktiven Medium durchlaufene Distanz zu erhöhen); und
– eine optimale transversale Homogenität des Pumpens aufrechtzuerhalten.

Es ist bekannt, dass zur Erfüllung dieser Bedingungen ein Stab von rechteckigem Querschnitt im Allgemeinen besser geeignet ist, als ein Stab von kreisförmigem Querschnitt, da er es insbesondere erlaubt, die thermooptischen Verzerrungen zu kompensieren. Darüber hinaus kann die Pumpdistanz erhöht werden, indem ein Reflektor an der Fläche angeordnet wird, die der Fläche zum Eintritt des Pumpbündels gegenüberliegt.
Allerdings ist selbst in diesem Fall mit einem doppelten Durchgang des Pumpbündels die Distanz, die von dem Letztgenannten im verstärkenden Medium durchlaufen wird, im Allgemeinen noch viel zu kurz, um die Wellenlängendrift der Pumpquelle zu bewältigen, wenn sie nicht temperaturgeregelt ist.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Mängeln abzuhelfen. Sie betrifft ein aktives Element für eine Laserquelle, die es einem Pumpbündel ermöglicht, das verstärkende Medium auf homogene Weise entlang einer erhöhten und regulierbaren Distanz zu durchlaufen.
Zu diesem Zweck umfasst erfindungsgemäß das aktive Element für eine Laserquelle mit einem optischem Block:

– einen langgestreckten Stab, der eine dotierte Matrix umfasst, die geeignet ist, ein Pumpbündel zu absorbieren, um eine Laserstrahlung zu verstärken, die sich in Längsrichtung ausbreitet, und der in den optischen Block integriert ist;
– mindestens eine Fläche zum Eintritt des Laserbündels;
– eine erste Fläche zur Reflexion des Laserbündels, die in Bezug auf die Längsachse des Stabs geneigt ist; und
– mindestens eine zweite Reflexionsfläche, die mit der ersten Reflexionsfläche zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche in Bezug auf die Längsachse des Stabs geneigt ist.

Durch die vielfachen Reflexionen, die an den zusammenarbeitenden Reflexionsflächen erzielt werden können, und durch den schrägen Durchgang des Pumpbündels, der durch die Neigung der geneigten Flächen erzielt wird, kann das Pumpbündel somit das verstärkende Medium (nämlich den Stab) entlang einer erhöhten Distanz durchlaufen, was es ermöglicht, den oben genannten Mängeln abzuhelfen. Diese Distanz kann insbesondere durch die Wahl geeigneter Neigungswinkel in Bezug auf die Längsachse des Stabs reguliert werden.
Darüber hinaus kann durch eine geeignete Wahl der Neigungswinkel auch das transversale Pumpen homogener gestaltet werden.
Es ist festzustellen, dass die früheren Dokumente EP-0 404 635 und US-5 048 026 aktive Elemente für eine Laserquelle beschreiben, die eine Struktur aufweisen, die jener des aktiven Elements gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich ist. Diese bekannten aktiven Elemente umfassen jedoch keine in Bezug auf die Längsachse des Stabs geneigte Eintrittsfläche, so dass sie es nicht ermöglichen, die im verstärkenden Medium durchlaufene Distanz zu regulieren, das Pumpen transversal homogener zu gestalten oder die Rücksendung des Pumpbündels präzise zu regeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform des aktiven Elements gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Stab einen rechteckigen, zum Beispiel quadratischen Querschnitt auf, und der optische Block umfasst mindestens ein erstes optisches Element, das aus einem Material gebildet ist, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Matrix des Stabs aufweist, das an einer ersten Fläche des Stabs befestigt ist und das mindestens eine Fläche aufweist, die in Bezug auf die Längsachse des Stabs geneigt ist, wobei die erste geneigte Reflexionsfläche auf der geneigten des ersten optischen Elements gebildet ist.
In diesem Fall umfasst der optische Block in einer ersten Variante zusätzlich ein zweites optisches Element, das aus einem Material gefertigt ist, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Matrix des Stabs aufweist, das an einer zweiten Fläche des Stabs befestigt ist und das mindestens eine Fläche aufweist, die in Bezug auf die Längsachse des Stabs geneigt ist, wobei die zweite Reflexionsfläche auf der geneigten Fläche des zweiten optischen Elements gebildet ist.
In diesem Fall sind das erste und zweite optische Element vorzugsweise identisch und auf symmetrische Weise an dem Stab befestigt, was es insbesondere ermöglicht, die Homogenisierung des Pumpens zu erleichtern.
Im Übrigen ist in einer zweiten Variante die zweite Reflexionsfläche direkt an einer Fläche des Stabs gebildet.
Darüber hinaus sind gemäß der Erfindung die Reflexionsflächen:

– entweder eben;
– oder abgerundet.

Im letztgenannten Fall bildet jede der Reflexionsflächen vorzugsweise einen Abschnitt einer Kegelfläche eines ersten Kegelstumpfs eines optischen Elements.
Darüber hinaus umfasst das optische Element vorteilhafterweise einen zweiten Kegelstumpf, wobei der erste und zweite Kegelstumpf auf koaxiale Weise den Stab umgeben und aus einem Material gefertigt sind, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Matrix des Stabs aufweist, wobei die Kegelfläche des zweiten Kegelstumpfs die Eintrittsfläche des optischen Blocks umfasst.
Darüber hinaus ist die Eintrittsfläche vorteilhafterweise mit einem Antireflexbelag versehen.
Darüber hinaus ist vorteilhafterweise mindestens eines der optischen Elemente:

– dotiert, vorzugsweise anders als der Stab, insbesondere um eventuelle Störerscheinungen zu kontrollieren; und/oder
– aus mindestens einem der folgenden Materialien gefertigt: Yttrium-Aluminium-Granat, Vanadat, Glas und Saphir; und/oder
– durch Diffusionsschweißen („diffusion bonding") an dem Stab befestigt. Die getrennte Bildung des Stabs und der optischen Elemente erlaubt es, einen einfachen Bearbeitungsvorgang anzuwenden und erleichtert somit die Bildung des aktiven Elements für eine Laserquelle.

Darüber hinaus kann jedes der optischen Elemente, vorzugsweise auf die oben genannte Art, wie folgt an einer Fläche des Stabs befestigt werden:

– entweder direkt;
– oder indirekt, zum Beispiel in einer besonderen Ausführungsform, bei der das aktive Element einen Kühlfluidkreislauf zwischen einer Fläche des Stabs und der gegenüberliegenden Fläche eines optischen Elements umfasst.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Laserquelle von dem Typ, der Folgendes umfasst:

– ein aktives Element für eine Laserquelle; und
– mindestens eine Pumpquelle, die geeignet ist, ein Pumpbündel auszusenden, das in das aktive Element eindringt.

Gemäß der Erfindung ist die Laserquelle dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element so ausgestaltet ist, wie dies oben beschrieben ist.
Darüber hinaus weist die Pumpquelle vorteilhafterweise eine Oberfläche zur Aussendung des Pumpbündels auf, deren Breite um eine vordefinierte Spanne kleiner ist als die Breite der Eintrittsfläche des aktiven Elements.
Die beiliegenden Zeichnungen verdeutlichen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche Elemente.
1 zeigt schematisch eine Laserquelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch den Weg eines mittleren Pumpstrahls mit symmetrischem Rückweg in der in 1 dargestellten Laserquelle.
3 zeigt schematisch den Weg eines Pumpstrahls, der in Bezug auf einen mittleren Pumpstrahl in der in 1 dargestellten Laserquelle seitlich verschoben ist.
4 zeigt schematisch den Weg eines mittleren Pumpstrahls, der in Bezug auf einen mittleren Pumpstrahl in der in 1 dargestellten Laserquelle winkelverschoben ist.
5 ist eine Grafik, die es ermöglicht, die Eintrittsflächen der in 1 dargestellten Laserquelle zu definieren.
6 ist eine Grafik, die die Außenmaße der in 1 dargestellten Laserquelle zeigt.
7 und 8 zeigen schematisch eine Laserquelle gemäß einer zweiten bzw. dritten Ausführungsform der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Laserquelle 1, die in 1 schematisch in einer ersten, bevorzugten Ausführungsform dargestellt ist, umfasst auf bekannte Weise:

– ein aktives Element 1A für eine Laserquelle, das einen langgestreckten Stab 2 mit der Längsachse X-X und rechteckigem, zum Beispiel quadratischen Querschnitt umfasst. Der Stab 2 vom herkömmlichen Typ umfasst eine dotierte Matrix, die geeignet ist, ein Pumpbündel zu absorbieren, um eine Laserstrahlung zu verstärken, die sich in Längsrichtung ausbreitet; und
– Pumpquellen 3, 4, vorzugsweise Laserdioden, die geeignet sind, Pumpbündel F1, F2 auszusenden, die dazu bestimmt sind, in den Stab 2 einzudringen und das durch den Letztgenannten gebildete verstärkende Medium zu durchlaufen.

Gemäß der Erfindung umfasst das aktive Element 1A, das in Form eines optischen Blocks gebildet ist, darüber hinaus:

– optische Elemente 5 und 6, die aus dem gleichen, unten genannten Material wie die Matrix des Stabs 2 oder zumindest aus einem Material gebildet sind, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Matrix aufweist, die an den Flächen 2A bzw. 2B des Stabs 2 befestigt sind und die jeweils mindestens eine Fläche 5B, 6B zum Eintritt des Pumpbündels F1, F2 aufweisen, die in Bezug auf die Längsachse X-X des Stabs 2 geneigt ist; und
– mindestens zwei Reflexionsflächen S1 und S2, von denen mindestens eine in Bezug auf die Achse X-X geneigt ist, und zwar mit einer Neigung, die jener der Eintrittsflächen 5B, 6B entgegengesetzt ist.

In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Reflexionsflächen S1 und S2 auf den geneigten Flächen 5A bzw. 6A der optischen Elemente 5 und 6 gebildet, so dass diese beiden Reflexionsflächen S1 und S2 in Bezug auf die Achse X-X geneigt sind.
Darüber hinaus sind die optischen Elemente 5 und 6 identisch und auf symmetrische Weise in Bezug auf die Achse X-X angeordnet, so dass die Reflexionsflächen S1 und S2 die gleiche Neigung in Bezug auf die Achse X-X aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch denkbar:

– Reflexionsflächen vorzusehen, die unterschiedliche Neigungen in Bezug auf die Achse X-X aufweisen; und
– eine der Reflexionsflächen auf einer der Flächen 2A und 2B des Stabs 2 zu bilden, die parallel zur Achse X-X sind, so dass somit nur eine der Reflexionsflächen geneigt ist.

Auf diese Weise erfahren dank der Erfindung die Pumpbündel F1 und F2 nacheinander und abwechselnd eine Vielzahl von Reflexionen, d. h. Totalreflexionen, an den Flächen S1 und S2 und durchlaufen nach jeder Reflexion den Stab 2. Da jeder Durchgang durch den Stabs 2 schräg ist, ist er zudem länger als ein transversaler Durchgang.
Folglich erlaubt es die vorliegende Erfindung, die Durchlaufdistanz im verstärkenden Medium zu erhöhen.
Durch eine geeignete Wahl der Neigungswinkel der Eintrittsflächen 5B, 6B (und somit der Pumpbündel F1 und F2, die im rechten Winkel zu diesen Eintrittsflächen 5B, 6B ausgesendet werden) sowie der Reflexionsflächen S1 und S2 kann, wie dies im Folgenden präzisiert wird:

– die Durchlaufdistanz im verstärkenden Medium geregelt werden; und
– das Pumpen transversal homogener gestaltet werden, und dies unabhängig von der Temperatur.

Die Eintrittsflächen 5B und 6B des optischen Blocks 1A sind vorzugsweise mit Antireflexbelägen versehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das aktive Element oder der optische Block 1A aus einem einzigen Stück gebildet sein. Allerdings ist vorzugsweise jedes optische Element 5, 6 des optischen Blocks poliert, um ein Diffusionsschweißen vom herkömmlichen Typ, genannt „diffusion bonding", an der entsprechenden Fläche 2A, 2B des Stabs 2 vornehmen zu können, bevor die anderen Bearbeitungsvorgänge an dem optischen Block ausgeführt werden.
Darüber hinaus ist gemäß der Erfindung:

– das Material der optischen Elemente 5, 6 und der Matrix des Stabs 2 Yttrium-Aluminium-Granat, Vanadat, Glas oder Saphir; und
– die Dotierung jedes Stabs 2 mit einem der folgenden Ionentypen ausgeführt: Von Neodym, von Erbium, von Holmium oder von Chrom.

Im Allgemeinen sind die optischen Elemente 5, 6, die zur Vermeidung optischer Störungen aus dem gleichen Material oder aus einem Material mit im Wesentlichen dem gleichen Brechungsindex wie die Matrix des Stabs gebildet sind, nicht dotiert.
In einer besonderen Ausführungsform kann jedoch eine spezifische Dotierung vorgesehen werden, insbesondere um eventuelle Störerscheinungen zu kontrollieren.
Darüber hinaus umfasst in einer besonderen, nicht dargestellten Ausführungsform die optische Quelle mehr als zwei optische Elemente, vorzugsweise vier optische Elemente, die jeweils an den vier Flächen des Stabs 2 mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen sind. Dies ermöglicht es insbesondere, die Anzahl der Pumpquellen zu erhöhen.
Neben den oben genannten Vorteilen weist die Laserquelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zahlreiche weitere Vorteile auf. Insbesondere:

– kommt es zu keinen Verlusten beim Pumpbündel;
– ist keinerlei optische Kopplung zwischen den Pumpquellen 3, 4 und den optischen Elementen 5, 6 notwendig;
– können herkömmliche Pumpquellen verwendet werden (im Handel erhältliche Standard-Dioden);
– wird eine robuste Laserquelle 1 erzielt, die nur ein Minimum an Einstellungen erfordert; und
– kann die Erfindung für die meisten existierenden Laserkonfigurationen angewendet werden: für Oszillatoren, für Verstärker, für Niedrigenergie- und Hochenergieanwendungen, für eine Montage in Serie, für einen direkten Durchgang oder für mehrfache Durchgänge.

Nun sollen die verschiedenen geometrischen Daten angegeben werden, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
Um die Merkmale hervorzuheben, die es insbesondere erlauben, die geeigneten Abmessungen der optischen Elemente 5 und 6 zu bestimmen, wird daher auf 2 Bezug genommen, die eine vereinfachte Darstellung des Dieders zeigt, der durch die Reflexionsflächen S1 und S2 gebildet wird und als Leiter für das Pumpbündel dient. Diese Reflexionsflächen S1, S2 bilden zwischen sich einen Winkel 2β.
Als Referenz wird der Mittelstrahl Rm verwendet, der aus der Mitte der Pumpquelle 3 austritt und sich in einer Ebene fortpflanzt, die rechtwinklig zur Kante des Dieders ist. Es wird angenommen, dass dieser Strahl Rm, nachdem er n aufeinanderfolgende Reflexionen ausgeführt hat, in umgekehrter Richtung zurückkehrt, wobei er einem Rückweg folgt, der symmetrisch zum Hinweg ist. In 2 ist n gleich 3. Dieser Referenzstrahl Rm schneidet eine Fläche des Dieders in einer Höhe hO in Bezug auf die Symmetrieachse X-X und bildet mit dieser Achse einen Winkel γ0.
Die Werte h0, γ0, n und β sind die Eingangsparameter, die die Ausbreitung des Mittelstahls Rm in dem Pumpbündelleiter charakterisieren.
Bei einer Reflexion dreht sich der Strahl Rm um einen Winkel 2(γn – 1 + β), wobei γn – 1 der Winkel zwischen dem Strahl Rm und der Achse X-X vor der n-ten Reflexion ist. Dies äußert sich durch eine Zunahme des Winkels γn – 1 nach der Reflexion um 2β. Daher gilt: γn = γn – 1 + 2β,wobei γn der Winkel zwischen dem Strahl Rm und der Achse X X nach der n-ten Reflexion ist.
Rekursiv ist dies: γn = γ0 + 2nβ (1)
Wenn der Rückweg symmetrisch ist, ist der Winkel γnr nach der letzten Reflexion ein rechter Winkel. Dies ergibt somit: γnr = Π/2 = γ0 + 2nrβ,wobei nr die Anzahl der Reflexionen vor dem Rückweg ist.
Es wird folgende einfache Beziehung aufgestellt: γ0 = Π/2 – 2nrβ (2)
Die Anzahl nr an Reflexionen vor der Rückkehr ist ein Parameter, der durch die Gesamtlänge des Materials des Stabs 2 vorgegeben wird, die das Pumpbündel F1, F2 durchlaufen muss, um vollständigabsorbiert zu werden. Nachdem die Zahl nr feststeht, will man die Abmessungen kennen, die der Laserquelle 1 zu geben sind, wobei der Platzbedarf der Pumpquellen 3, 4 und des dotierten Teils zu berücksichtigen ist.
Ausgehend von 2 können auf einfache Weise einige Rekursionsbeziehungen erstellt werden. Wenn ln die Distanz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen n und n + 1 auf der Achse X-X ist, so ergibt sich: tgγn = (hn + δ)/ln und tgβ = (hn – δ)/ln, mit δ = hn + 1,wovon man erhält: ln = 2hn/[tg(γ0 + 2nβ) + tgβ] hn + 1 = δ = hn – lntgβoder auf äquivalente Weise: hn + 1 = hn{[tg(γ0 + 2nβ) – tgβ]/[tg(γ0 + 2nβ) + tgβ]}
Durch aufeinanderfolgende Anwendungen dieser Formeln kann die gesamte Pumplänge sowie die Öffnung am Ende des Leiters ermittelt werden.
Um den Weg eines verschobenen Randstrahls R1 zu schätzen, ist es notwendig, eine seitliche Verschiebung in Bezug auf den Mittelstrahl Rm ohne Veränderung des Winkels γn auszuführen.
Es wird eine positive Verschiebung a in Bezug auf den Mittelstrahl Rm angenommen (dessen Projektion auf die Achse X-X somit in der Ausbreitungsrichtung des Mittelstrahls Rm liegt), wie dies in 3 dargestellt ist.
Mit hn1 wird die auf die Achse X-X aufgetragene Höhe des Schnittpunkts des neuen Strahls R1 mit der Fläche S1 des Dieders bezeichnet. Die folgende Beziehung wird verifiziert: a/sin(γn – β) = (hn – hn1)/sinβd. h.: hn1 = hn – asinβ/sin(γn – β)
Im Allgemeinen erfolgt diese Verschiebung im Bereich des ersten einfallenden Strahls und betrifft somit die Höhe h0. Nachdem die Umwandlung von h0 in h01 erfolgt ist, werden die Rekursionsbeziehungen auf h01 angewendet.
Die Bewegung e1 des Schnittpunkts des Strahls mit dem Dieder entlang der Achse X-X wird durch folgende Beziehung ermittelt: e1/cosβ = a/sin(γn – β)oder auch: e1 = acosβ/sin(γn – β)
Anstatt eine seitliche Verschiebung aufzuweisen, wie dies in 3 dargestellt ist, kann ein Randpumpstrahl R2 darüber hinaus in einer Höhe hn auch eine Winkelabweichung α in Bezug auf den Mittelstrahl Rm aufweisen, wie dies in 4 dargestellt ist.
In diesem Fall bleiben die oben genannten Rekursionsformeln unter der Bedingung anwendbar, dass γn zu (γn + α) verändert wird, wenn die Drehung in der trigonometrischen Richtung durchgeführt wird, und in (γn – α) verändert wird, wenn sie in der umgekehrten Richtung durchgeführt wird.
Wenn die Winkelabweichung auf den ersten einfallenden Strahl angewendet wird und wenn α < β, so erfährt der Strahl R2 die gleiche Anzahl an Reflexionen vor der Rückkehr.
Wenn der Referenzstrahl eine symmetrische Konfiguration aufweist, bildet der zurückkehrende Strahl, der dem abgelenkten Strahl R2 entspricht, einen Winkel γnr = Π/2 +/– α mit der Achse X-X. Die Winkelverschiebung α in Bezug auf den Mittelstrahl Rm wird während der gesamten Ausbreitung des Strahls R2, insbesondere bei der Rückkehr, beibehalten.
Darüber hinaus wird die Breite d der Eintrittsfläche 5B, 6B des optischen Elements 5, 6, d. h. die Breite des Eintrittsfensters des Pumpstrahls F1, F2 ausgehend von den Abmessungen der Pumpquelle 3, 4 bestimmt, wobei die Breite d geringfügig größer ist, um für das Pumpbündel jedes Abblendrisiko zu vermeiden.
Da diese Breite d symmetrisch zu beiden Seiten des Referenz-Mittelstrahls Rm verteilt ist, ist es möglich, die Distanz e zwischen der Referenzebene, die h0 enthält, und dem Eintrittsende des prismatischen Leiters zu bestimmen, wie dies in 5 dargestellt ist. Die Längen c und c1, die in dieser 5 angegeben sind, verifizieren die Beziehungen: c = d/[2tg(γ0 – β)]und c1 = [dtgγ0]/2
Da im Übrigen gilt: e = (c – c1)cosγ0,gelangt man zu folgender Beziehung: e = (dcosγ0)/2[tg–1(γ0 – β) – tgγ0]
Darüber hinaus kann die Höhe h zwischen dem Ende der Eintrittsfläche 5B und der Achse X-X des Dieders (5) ausgehend von folgender Beziehung berechnet werden: h = h0 – csinγ0 – (dcosγ0)/2d. h.: h = h0(dcosγ0)/2[tgγ0tg–1(γ0 – β) + 1]
Anschließend werden die Abmessungen zweier unterschiedlicher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserquelle 1 unter Bezugnahme auf 6 präzisiert, d. h.

– erstens eines Oszillators; und
– zweitens eines Verstärkers.

Was den Oszillator betrifft, so werden folgende Eingangsparameter gewählt:

– Abmessung der Eintrittsfläche: d = 12 mm,
– Abmessung des Pumpbündels F1, F2: 2a = 10,2 mm,
– Höhe des Bezugs-Mittelstrahls Rm in Bezug auf die Achse X-X: h0 = 18 mm,
– Einfallswinkel des Mittelstrahls in Bezug auf die Achse X-X: γ0 = 38°,
– Anzahl der Reflexionen bei symmetrischer Situation des Mittelstrahls Rm: n = 2.

Ausgehend von der oben genannten Beziehung (2) erhält man β = 13°.
Ausgehend von der oben genannten Beziehung (1) erhält man γ1 = 64° und γ2 = 90°.
Der aus einer Pumpquelle 3 ausgetretene Referenz-Mittelstrahl Rm führt daher fünf Durchläufe in dem verstärkenden Medium durch, bevor er zu der gegenüberliegenden Pumpquelle 4 zurückkehrt. Wenn b die Querabmessung des dotierten Materials oder Stabs 2 ist, so beträgt die Gesamtdicke btot des vom Referenz-Mittelstrahl Rm durchlaufenen aktiven Mediums: btot = 2b/sinγ0 + 2b/sinγ1 + b
In dem hier betrachteten Beispiel gilt:
btot = 32,4 mm.
Die anderen Parameter des Mittelstrahls Rm sind folgende:

– l0 = 35,57 mm,
– h1 = 9,79 mm,
– l1 = 8,58 mm,
– h2 = 7,81 mm,
– e = 6,45 mm,
– h = 5,35 mm.

Zur Bestimmung der Gesamtlänge Ltot des aktiven Elements 1A müssen die Ausbreitung des am weitesten von der Achse X-X entfernten Randstrahls sowie die oben genannten Rekursionsbeziehungen berücksichtigt werden.
Auf herkömmliche Weise erhält man somit:
Ltot = 54,8 mm.
Darüber hinaus beträgt die Abmessung hbg an dem Ende, das den Eintrittsflächen des aktiven Elements 1A. entgegengesetzt ist, 7,72 mm.
Zweitens werden für das Beispiel eines Verstärkers folgende Eingangsparameter gewählt:

– d = 28 mm,
– 2a = 23 mm,
– h0 = 40 mm,
– γ0 = 38°,
– n = 2,
– b = 7 mm, wobei ausgehend davon berechnet wird:
– β = 13°,
– γ1 = 64°,
– γ2 = 90°,
– btot = 45,3 mm.

Darüber hinaus erhält man:
In einer in 7 dargestellten zweiten Ausführungsform weist die Laserquelle 7 ein aktives Element 7A auf, das Folgendes umfasst:

– einen langgestreckten Stab 8 mit kreisförmigem Querschnitt und einer Achse Y-Y; und
– ein optisches Element mit zwei kegelstumpfförmigen Abschnitten 9 und 10, die ein einziges Teil bilden, koaxial zur Achse Y-Y sind und Kegelflächen S3 bzw. 11 definieren. Die Kegelfläche 11 dient als Eintrittsfläche für ein nicht dargestelltes Pumpbündel.

Es ist festzustellen, dass in diesem Fall jede der mindestens zwei zusammenarbeitenden Reflexionsflächen abgerundet ist und einen nicht dargestellten Abschnitt der Kegelfläche S3 des Kegelstumpfes 9 bildet.
Darüber hinaus ist in 8 eine besondere Variante der Ausführungsform 1A von 1 dargestellt. In dieser Variante sind die optischen Elemente 5 und 6 nicht direkt an den Flächen 2A und 23 des Stabs 2 angeordnet, sondern das aktive Element 1A umfasst Durchgänge 15 und 16 zwischen den Flächen 2A bzw. 23 und den Flächen 5C bzw. 6C der ihnen gegenüberliegenden optischen Elemente 5 und 6. Diese Durchgänge 15 und 16 sind mit bekannten und nicht dargestellten Mitteln verbunden, die in den Durchgängen 15 und 16 eine Kühlfluidzirkulation erzeugen, wie dies durch die Pfeile E dargestellt ist.
Obwohl dies nicht ausdrücklich erwähnt ist, ist festzustellen, dass alle besonderen Merkmale (zum Beispiel der Materialtyp) der ersten Ausführungsform 1A von 1, die für mindestens eine Ausführungsform, gewählt aus der zweiten und dritten Ausführungsform von 7 und 8 gelten, in Kombination mit der oder den geeigneten besonderen Ausführungsformen Teil der vorliegenden Erfindung sind.

Claims

Aktives Element für eine Laserquelle, wobei das aktive Element (1A, 7A) einen optischen Block (1A, 7A) aufweist, der Folgendes umfasst: – einen langgestreckten Stab (2, 8), der eine dotierte Matrix umfasst, die geeignet ist, ein Pumpbündel (F1, F2) zu absorbieren, um eine Laserstrahlung zu verstärken, die sich in Längsrichtung ausbreitet, und der in den optischen Block (1A, 7A) integriert ist; – mindestens eine Eintrittsfläche (5B, 6B, 11) für das Pumpbündel (F1, F2); – eine erste Reflexionsfläche (S1, S3) für das Pumpbündel (F1, F2), die in Bezug auf die Längsachse (X-X, Y-Y) des Stabs (2, 8) geneigt ist; und – mindestens eine zweite Reflexionsfläche (S2, S3), die mit der ersten Reflexionsfläche (S1, S3) zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (5B, 6B, 11) in Bezug auf die Längsachse (X-X, Y-Y) des Stabs (2, 8) geneigt ist.
Aktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (2) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dass der optische Block (1A) mindestens ein erstes optisches Element (5) umfasst, das aus einem Material gebildet ist, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Matrix des Stabs (2) aufweist, das an einer ersten Fläche (2A) des Stabs (2) befestigt ist und das mindestens eine Fläche (5A) aufweist, die in Bezug auf die Längsachse (X-X) des Stabs (2) geneigt ist, und dass die erste Reflexionsfläche (S1) auf der geneigten Fläche (5A) des ersten optischen Elements (5) gebildet ist.
Aktives Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Block (1A) ein zweites optisches Element (6) umfasst, das aus einem Material gefertigt ist, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Matrix des Stabs (2) aufweist, das an einer zweiten Fläche (2B) des Stabs (2) befestigt ist und das mindestens eine Fläche (6A) aufweist, die in Bezug auf die Längsachse (X-X) des Stabs (2) geneigt ist, und dass die zweite Reflexionsfläche (S2) auf der geneigten Fläche (6A) des zweiten optischen Elements (6) gebildet ist.
Aktives Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite optische Element (5, 6) identisch sind und auf symmetrische Weise an dem Stab (2) befestigt sind.
Aktives Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reflexionsfläche direkt an einer Fläche des Stabs gebildet ist.
Aktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (8) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (S1, S2) eben sind.
Aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (S3) abgerundet sind.
Aktives Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Reflexionsflächen einen Abschnitt einer Kegelfläche (S3) eines ersten Kegelstumpfes (9) eines optischen Elements (7A) bildet.
Aktives Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (7A) einen zweiten Kegelstumpf (10) umfasst, dass der erste und zweite Kegelstumpf (9, 10) auf koaxiale Weise den Stab (8) umgeben und aus einem Material gefertigt sind, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie die Matrix des Stabs (8) aufweist, und dass die Kegelfläche (11) des zweiten Kegelstumpfs (10) die Eintrittsfläche des optischen Blocks (7A) umfasst.
Aktives Element nach einem der Ansprüche 2 bis 5, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element (5, 6) dotiert ist.
Aktives Element nach einem der Ansprüche 2 bis 5 und 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element (5, 6) aus mindestens einem der folgenden Materialien gefertigt ist: Yttrium-Aluminium-Granat, Vanadat, Glas und Saphir.
Aktives Element nach einem der Ansprüche 2 bis 5 und 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element (5, 6) durch Diffusionsschweißen an dem Stab (2) befestigt ist.
Aktives Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (5B, 6B, 11) mit einem Antireflexbelag versehen ist.
Aktives Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel umfasst, die direkt an mindestens einer Fläche (2A, 2B) des Stabs (2) eine Kühlfluidzirkulation erzeugen.
Laserquelle, umfassend: – ein aktives Element (1A, 7A) für eine Laserquelle; und – mindestens eine Pumpquelle (3, 4), die geeignet ist, ein Pumpbündel (F1, F2) auszusenden, das in das aktive Element (1A, 7A) eindringt, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (1A, 7A) ein aktives Element nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ist.
Laserquelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle (3, 4) eine Oberfläche zur Aussendung des Pumpbündels aufweist, deren Breite (2a) um eine vordefinierte Spanne kleiner ist als die Breite (d) der Eintrittsfläche (5B, 6B) des aktiven Elements (1A).