WO2024056390A1 - Kurzer festkörperlaser - Google Patents

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WO2024056390A1
WO2024056390A1 PCT/EP2023/073893 EP2023073893W WO2024056390A1 WO 2024056390 A1 WO2024056390 A1 WO 2024056390A1 EP 2023073893 W EP2023073893 W EP 2023073893W WO 2024056390 A1 WO2024056390 A1 WO 2024056390A1
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doped yag
laser
solid
yag material
coating
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PCT/EP2023/073893
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Daniel Kopf
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Montfort Laser Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a solid-state laser with a resonator, which has a first doped YAG material as an active laser medium for forming laser radiation, a second doped YAG material as a saturable absorber, a first end mirror which is composed of a coating of the first doped YAG material on the side remote from the second doped YAG material, and having a second end mirror formed by a coating of the second doped YAG material on the side remote from the first doped YAG material, pump radiation for pumping the laser medium through the
  • the first end mirror can be irradiated, with a coating arranged between the first doped YAG material and the second doped YAG material being provided, which is at least 50% reflective for the pump radiation and at least partially transparent for the laser radiation, the reflection of the laser radiation being caused by the Coating is at least 5%.
  • Short solid-state lasers are usually designed in the form of microchip lasers, which have a monolithic resonator, i.e. H .
  • the components of the resonator are connected to one another in a materially coherent manner.
  • These are usually passive Q-switched lasers to produce pulsed laser radiation, with the saturable absorber often being formed by a SESAM.
  • Microchip lasers are usually pumped using laser diodes. The dimensions of such a microchip laser depend on the materials used and the configuration. Examples of possible laser mediums include Yb:YAG, Nd:YVO 4 or Nd:YAG.
  • a solid-state laser in which the laser medium is formed by Nd:YAG and the saturable absorber by Cr 4+ :YAG is, for example, from Zayhowski JJ and Wilson AL “Short-pulsed Nd: YAG/Cr 4+ : YAG passively Q-switched microchip lasers", OSA/CLEO 2003.
  • a first end mirror is formed by a coating of the first doped YAG material on the side remote from the second doped YAG material and a second end mirror is formed by a coating of the second doped YAG material on the side from The first doped YAG material is formed on the remote side, with pump radiation for pumping the laser medium being able to be irradiated through the first end mirror.
  • the length of the laser medium is 1 mm and the Length of the saturable absorber is also 1 mm, giving a pulse width of 169 ps and a pulse energy of 29 pj.
  • Microchip lasers that use yttrium vanadate, in particular Nd 3+ :YVO 4 , as the active laser medium differ significantly in their parameter ranges from microchip lasers that use a doped YAG material as the laser medium.
  • the achievable pulse energies are significantly lower (in the nJ range).
  • Significantly shorter dimensions of the resonator can be achieved, for example of a few 10 pm, with even shorter pulse durations, down to the 20 ps range, being possible.
  • Such a microchip laser is based, for example, on Eva Mehner et al., "Sub-20-ps pulses from a passively Q-switched microchip laser at 1 MHz repetition rate", OPTICAL LETTERS, VOL.39, No.
  • a SESAM is used as a saturable absorber in such microchip lasers. It is stated that the SESAM is provided with a highly reflective coating for the pump radiation in order to prevent the SESAM from being pre-saturated by the pump radiation.
  • EP 3 167 516 Bl Another microchip laser with Nd 3+ :YVO 4 as the active laser medium and a SESAM to form a saturable absorber is shown in EP 3 167 516 Bl. Between the absorber layer of the SESAM and the laser crystal there is a reflection layer for the pump radiation, which is at least partially transparent to the laser beam, for example 30%.
  • a solid-state laser of the type mentioned at the beginning emerges from EP 4 120 014 Al.
  • a wide variety of materials are listed for the active laser material, including Nd:YAG and Yb:YAG.
  • a coating is arranged between the laser medium and the absorber. This is considered highly reflective for the pump radiation and anti-reflecting for the laser radiation, although a partially reflective design for the laser radiation is also mentioned.
  • the resonator is designed as an unstable resonator. Very high pulse energies can be achieved. A pulse energy of 13.2 mJ is stated, with the pulse duration and pulse repetition rate given as 476 ps and 10 Hz.
  • the object of the invention is to provide an advantageous solid-state laser of the type mentioned at the outset, which enables relatively high pulse energies with short pulse durations. According to the invention, this is achieved using a solid-state laser with the features of claim 1.
  • such high pulse energies can be achieved that the desired material processing or tissue removal is possible without amplifying the pulse energy.
  • the solid-state laser of the invention which has a first doped YAG material as the active laser medium and a second doped YAG material as the saturable absorber, there is a gap between the first doped YAG material, i.e. the active laser medium, and the second doped YAG material, i.e. the saturable absorber, arranged coating is provided, which is at least 50% reflective for the pump radiation and at least partially transparent for the laser radiation, with a coating arranged between the first doped YAG material and the second doped YAG material being provided, which for Pump radiation is at least 50% reflective and at least partially transparent to the laser radiation, with the reflection of the laser radiation due to the coating is at least 5%.
  • the resonator is designed as a stable resonator, the length of the resonator being less than 2 mm and the length of the second doped YAG material forming the saturable absorber being more than twice as long as the length of the first doped YAG material forming the active laser medium .
  • the pulse width is increased by such a coating between the first doped YAG material and the second doped YAG material can be further reduced.
  • Pre-saturation of the saturable absorber formed by the second doped YAG material due to irradiation of pump light is at least reduced.
  • the solid-state laser is preferably designed in the form of a microchip laser.
  • the laser therefore has a monolithic resonator, i.e. H .
  • the components of the resonator are connected to one another in a materially coherent manner.
  • the reflection of the laser radiation by the coating mentioned is at least 10%.
  • the reflection of the laser radiation through the coating should be small enough so that purely pulsed operation of the solid-state laser is maintained.
  • Purely pulsed operation of the solid-state laser is understood to mean that essentially no laser radiation is emitted between the individual pulses, i.e. H .
  • the intensity of the laser radiation in the middle between two Pulsing is in any case less than 0.1 b of the intensity of the laser radiation at the maximum of a respective pulse.
  • the first doped YAG material forms a kind of “sub-cavity” with this coating and the first end mirror. This means that an increase in the intensity of the laser radiation can be achieved in the laser medium. This results This creates an effect like a higher amplification of the laser medium or an increase in the emission cross section c.
  • the pulse rate can thus be increased. With a certain desired total energy, the energy emitted per pulse can be reduced, which reduces damage problems caused by the laser radiation This is particularly advantageous for Yb:YAG, since this laser medium has a comparatively very low emission cross section.
  • the reflection of the laser radiation through the coating were to be too large, a continuous emission of laser radiation could form in the laser medium, which is undesirable.
  • the length of the resonator is less than 1.5 mm.
  • the length of the saturable absorber being more than twice as long as the length of the laser medium, especially in connection with the Forming the previously mentioned sub-cavity, a certain wavelength selection for the laser light can be achieved, as will be explained in more detail below.
  • the laser radiation from the laser according to the invention has at least essentially only a single longitudinal mode.
  • at least essentially means that more than 95% of the energy of the laser radiation is contained in this mode.
  • pump radiation 1 which is indicated by an arrow in the figure, is irradiated into a resonator 2 of the solid-state laser.
  • the resonator 2 has a first doped YAG material 3 as the active laser medium.
  • the resonator 2 has a second doped YAG material 4 as a saturable absorber.
  • the first doped YAG material 3 is provided with a coating on the side remote from the second doped YAG material 4, which forms a first end mirror 5 of the resonator 2.
  • the pump radiation 1 is passed through this first end mirror 5 into the first doped YAG material 3 irradiated.
  • the first end mirror 5 is designed to be highly transparent for the pump radiation.
  • the first end mirror 5 is designed to be highly reflective for the laser radiation formed.
  • the second doped YAG material 4 is provided with a coating on the side remote from the first doped YAG material 3, which forms a second end mirror 6 of the resonator 2.
  • this second end mirror 6 is used to decouple the laser radiation 7, which is indicated by an arrow in the figure.
  • the second end mirror 6 for the laser radiation 7 is designed to be approximately 50% reflective and approximately 50% transmissive.
  • An advantageous range for the transmission can be between 30 to 70%, preferably between 40 to 60%.
  • the first doped YAG material 3 in the exemplary embodiment is Yb:YAG.
  • Other doped YAG materials can also be used as an active laser medium, as is known per se, for example Nd:YAG or Er:YAG.
  • the wavelength of the continuously irradiated pump radiation is 940 nm, which is particularly useful for Yb:YAG.
  • the pump radiation is also laser radiation. To distinguish it from the laser radiation emitted by the solid-state laser, the radiation used to pump the laser is always referred to as pump radiation in this document.
  • the second doped YAG material 4 in the exemplary embodiment is Cr 4+ :YAG.
  • Other doped YAG materials can also be used as a saturable absorber, as is known per se, for example V:YAG.
  • V:YAG the combination of Nd:YAG with V:YAG or Cr 4+ :YAG is useful.
  • a coating 8 which is at least 50%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 90% reflective for the pump radiation. A value of more than 95% is even more preferred. In the exemplary embodiment, the reflection of the coating 8 for the pump radiation is approximately 98%.
  • the coating 8 is partly transparent and partly reflective for the laser radiation.
  • the reflection of the coating 8 for the laser radiation is at least 5%, preferably at least 10%, in the exemplary embodiment approximately 15%.
  • a “sub-cavity” is formed for the laser radiation between the first end mirror 5 and the coating 8. There is therefore no saturable absorber in this sub-cavity.
  • the laser begins to laser even with a lower excitation of the active laser medium. The pulse rate therefore becomes higher. At a certain desired output energy of the laser, the energy per laser pulse can be lower. This means that the Problems caused by damage reduced.
  • the reflection of the laser radiation through the coating 8 should be small enough so that purely pulsed operation of the solid-state laser is maintained. If the reflection were too high, continuous lasing could be triggered in the active laser medium.
  • the reflection of the laser radiation through the coating in order to achieve such purely pulsed operation of the solid-state laser is less than 50% or less than 30% or less than 20%. In the exemplary embodiment, the reflection is approx. 15%.
  • T R is the round-trip time in the cavity and is therefore proportional to the length of the resonator 2.
  • AR is the modulation depth e of the saturable absorber, related to the intensity and therefore corresponds to the absorption of the saturable absorber (if other losses in the absorber material are neglected).
  • the length s of the resonator, measured parallel to the axis of the laser beam, from the outer surface of the first end mirror 5 to the outer surface of the second end mirror 6, is less than 2 mm, particularly preferably less than 1.5 mm.
  • the length of the first doped YAG material 3 is, particularly when using Yb:YAG, advantageously more than 0.05 mm, preferably more than 0.1 mm.
  • the length of the second doped YAG material 4 is, particularly when using Cr 4+ :YAG, advantageously more than 0.3 mm, preferably more than 0.5 mm.
  • the length of the second doped YAG material 4 forming the saturable absorber is more than twice as long as the length of the first doped YAG material 3 forming the active laser medium.
  • the sub-cavity formed by the coating 8 becomes less than a third as long as the resonator 2. This means that an advantageous wave selection can be achieved due to the larger mode spread in the sub-cavity, i.e. the wavelength at which the laser starts and thus emits the laser radiation.
  • the length of the second doped YAG material 4 can be more than three times as long as the length of the first doped YAG material 3.
  • the length of the first doped YAG material 3 is approximately 0.25 mm and the length of the second doped YAG material 4 is approximately 0.8 mm.
  • the length s of the resonator is approximately 1 mm to 1.1 mm in the exemplary embodiment.
  • the doping of the first doped YAG material 3 is approximately 10% in the exemplary embodiment and the doping of the second doped YAG material 4 in the exemplary embodiment is such that the transmission T o is 68%.
  • the wavelength of the emitted laser radiation is 1,030 nm.
  • the laser radiation has at least essentially a single longitudinal mode, ie at least more than 95% of the energy of the laser radiation is contained in a single longitudinal mode.
  • the coating 8 is designed in the manner of a Bragg coating, i.e. H .
  • Two materials with different refractive indices are alternately applied in a large number of layers, for example 24, as is known per se.
  • silicon dioxide and hafnium oxide can be used.
  • the absorption of the laser radiation when passing through the coating 8 is advantageously less than 1 k».
  • the coating 8 is applied to one of the two doped YAG materials 3, 4.
  • the other doped YAG material 3, 4 is bonded thereto, for example by diffusion bonding.
  • the resonator is therefore designed to be monolithic, i.e. H .
  • the components of the resonator are connected to one another in a materially coherent manner. It is therefore a microchip laser.
  • a laser according to the invention can achieve pulse lengths of less than 200 ps, preferably less than 150 ps or even less than 100 ps (the pulse length being determined as usual as the FWHM of the power).
  • the configuration of the laser will result in the resonator being longer than that of Yb:YAG, so compared to Yb:YAG longer pulses can be obtained and also multiple longitudinal modes can be obtained.
  • the resonator is designed as a stable resonator.
  • the two end mirrors 5 , 6 are planar and the mode-shaping element is thus formed by the thermal lens formed.
  • pulse energies of more than 10 pj, preferably more than 30 pj, can be achieved.
  • pump radiation with a pump power of 3 W was used for a pulse energy of 30 pj, which was focused in the active laser medium to a diameter of 60-70 pm.
  • a coupling out of the laser radiation at the first end mirror could also be provided, with the pump radiation and the laser radiation subsequently being able to be separated from one another by a dichroic mirror.

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Abstract

Ein Festkörperlaser weist einen stabilen Resonator (2) auf, welcher als aktives Lasermedium ein erstes dotiertes YAG-Material (3), als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG-Material (4), einen ersten Endspiegel (5), der von einer Beschichtung des ersten dotierten YAG-Materials (3) auf der vom zweiten dotierten YAG-Material (4) abgelegenen Seite gebildet wird, und einen zweiten Endspiegel (6) aufweist, der von einer Beschichtung des zweiten dotierten YAG-Materials (4) auf der vom ersten dotierten YAG-Material (3) abgelegenen Seite gebildet wird, wobei Pumpstrahlung (1) zum Pumpen des Lasermediums durch den ersten Endspiegel (5) einstrahlbar ist. Eine zwischen dem ersten dotierten YAG-Material (3) und dem zweiten dotierten YAG-Material (4) angeordnete Beschichtung (8) ist vorgesehen, welche für die Pumpstrahlung (1) zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung (7) zumindest zu 5% reflektierend ist. Die Laserstrahlung (7) weist zumindest im Wesentlichen einen einzigen longitudinalen Mode auf.

Description

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KURZER FESTKÖRPERLASER
Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser mit einem Resonator, welcher als aktives Lasermedium zur Ausbildung von Laserstrahlung ein erstes dotiertes YAG- Material , als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG- Material , einen ersten Endspiegel , der von einer Beschichtung des ersten dotierten YAG-Materials auf der vom zweiten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet wird, und einen zweiten Endspiegel aufweist , der von einer Beschichtung des zweiten dotierten YAG-Materials auf der vom ersten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet wird, wobei Pumpstrahlung zum Pumpen des Lasermediums durch den ersten Endspiegel einstrahlbar ist , wobei eine zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material angeordnete Beschichtung vorgesehen ist , welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung zumindest teildurchlässig ist , wobei die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung mindestens 5% beträgt .
Kurze Festkörperlaser sind meist in Form von Mikrochip-Lasern ausgebildet , welche einen monolithisch ausgebildeten Resonator aufweisen, d . h . die Komponenten des Resonators sind stof f schlüssig miteinander verbunden . Meist handelt es sich hierbei um passiv gütegeschaltete Laser, um gepulste Laserstrahlung aus zubilden, wobei der sättigbare Absorber häufig von einem SESAM gebildet wird . Üblicherweise werden Mikrochip-Laser mittels Laserdioden gepumpt . Die Abmessungen eines solchen Mikrochip-Lasers hängen von den verwendeten Materialien und der Konfiguration ab. Als Lasermedium kommen beispielsweise Yb:YAG, Nd:YVO4 oder Nd:YAG in Frage.
Ein Festkörperlaser, bei dem das Lasermedium von Nd:YAG und der sättigbare Absorber von Cr4+:YAG gebildet wird, geht beispielsweise aus Zayhowski J.J. und Wilson A.L. „Short- pulsed Nd : YAG/Cr4+ : YAG passively Q-switched microchip lasers", OSA/CLEO 2003 hervor. Ein erster Endspiegel wird von einer Beschichtung des ersten dotierten YAG-Materials auf der vom zweiten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet und ein zweiter Endspiegel wird von einer Beschichtung des zweiten dotierten YAG-Materials auf der vom ersten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet, wobei Pumpstrahlung zum Pumpen des Lasermediums durch den ersten Endspiegel einstrahlbar ist. Es werden verschiedene mögliche Konfigurationen genannt, welche zu unterschiedlichen Pulsweiten und Pulsenergien führen. In der kürzesten Konfiguration beträgt die Länge des Lasermediums 1 mm und die Länge des sättigbaren Absorbers ebenfalls 1 mm, wobei eine Pulsweite von 169 ps und eine Pulsenergie von 29 pj erhalten wird .
Weitere Laser mit Nd:YAG als aktivem Lasermedium und Cr4+:YAG als sättigbarem Absorber gehen aus Rakesh Bhandari und Takunori Taira, „Palm-top size megawatt peak power ultraviolett microlaser", Optical Engineering 52 (7) , 076102 (July 2013) , aus der EP 3 694 062 Al und aus der EP 3 667 838 Al hervor. In der ersten dieser zuvor genannten Veröffentlichungen wird am Ausgang des Lasers eine Wellenlängenreduktion durchgeführt, bei der zweiten der zuvor genannten Veröffentlichungen wird am Ausgang eine Pulsweitenkompression durchgeführt und bei der dritten dieser Veröffentlichungen ist der Resonator als instabiler Resonator ausgebildet. Als weitere mögliche dotierte YAG-Materialien für das aktive Lasermedium sind Yb : YAG und Er:YAG genannt.
Mikrochip-Laser, welche als aktives Lasermedium ein Yttriumvanadat , insbesondere Nd3+:YVO4, verwenden, unterscheiden sich in ihren Parameterbereichen wesentlich von Mikrochip-Lasern, welche als Lasermedium ein dotiertes YAG- Material verwenden. So sind die erreichbaren Pulsenergien wesentlich geringer (im nJ-Bereich) . Es sind wesentlich kürzere Abmessungen des Resonators erreichbar, beispielsweise von einigen 10 pm, wobei nochmals kürzere Pulsdauern, bis unter den 20 ps-Bereich erreicht werden können. Ein solcher Mikrochip-Laser geht beispielsweise aus Eva Mehner et al., „Sub-20-ps pulses from a passively Q-switched microchip laser at 1 MHz repetition rate", OPTICAL LETTERS, VOL.39, No. 10/May 15, 2014, Seite 2940-2943 hervor. Als sättigbarer Absorber wird bei derartigen Mikrochip-Lasern ein SESAM eingesetzt. Es ist angeführt, dass der SESAM mit einer hochreflektierenden Beschichtung für die Pumpstrahlung versehen ist, um eine Vorsättigung des SESAM durch die Pumpstrahlung zu verhindern.
Ein weiterer Mikrochip-Laser mit Nd3+:YVO4 als aktivem Lasermedium und einem SESAM zur Ausbildung eines sättigbaren Absorbers geht aus der EP 3 167 516 Bl hervor. Zwischen der Absorberschicht des SESAM und dem Laserkristall befindet sich eine Reflexionsschicht für die Pumpstrahlung, welche für den Laserstrahl zumindest teildurchlässig ist, z.B. zu 30%.
Ein Festkörperlaser der eingangs genannten Art geht aus der EP 4 120 014 Al hervor. Für das aktive Lasermaterial sind unterschiedlichste Materialien angeführt, u.a. auch Nd:YAG und Yb: YAG. Zwischen dem Lasermedium und dem Absorber ist eine Beschichtung angeordnet. Diese ist als hochreflektierend für die Pumpstrahlung und antiref lektierend für die Laserstrahlung angeführt , wobei aber auch eine teilreflektierende Ausbildung für die Laserstrahlung genannt ist . Der Resonator ist als instabiler Resonator ausgebildet . Es können dabei sehr hohe Pulsenergien erreicht werden . Es wird eine Pulsenergie von 13 , 2 mJ genannt , wobei die Pulsdauer und Pulswiederholrate mit 476 ps und 10 Hz angegeben sind .
Aufgabe der Erfindung ist es einen vorteilhaften Festkörperlaser der eingangs genannten Art bereitzustellen, der relativ hohe Pulsenergien bei kurzen Pulsdauern ermöglicht . Erfindungsgemäß gelingt dies durch einen Festkörperlaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .
Vorteilhafterweise können so hohe Pulsenergien erreicht werden, dass eine gewünschte Materialbearbeitung oder Gewebeabtragung ohne Nachverstärkung der Pulsenergie möglich ist .
Beim Festkörperlaser der Erfindung, der als aktives Lasermedium ein erstes dotiertes YAG-Material und als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG-Material aufweist , ist eine zwischen dem ersten dotierten YAG- Material , also dem aktiven Lasermedium, und dem zweiten dotierten YAG-Material , also dem sättigbaren Absorber, angeordnete Beschichtung vorgesehen, welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung zumindest teildurchlässig ist , wobei eine zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material angeordnete Beschichtung vorgesehen ist , welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung zumindest teildurchlässig ist , wobei die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung mindestens 5% beträgt . Der Resonator ist als stabiler Resonator ausgebildet , wobei die Länge des Resonators weniger als 2 mm beträgt und die Länge des den sättigbaren Absorber bildenden zweiten dotierten YAG- Materials mehr als doppelt so groß ist wie die Länge des das aktive Lasermedium bildenden ersten dotierten YAG-Materials .
Es wurde festgestellt , dass bei einem Laser, der als Lasermedium ein erstes dotiertes YAG-Material und als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG-Material aufweist , durch eine solche Beschichtung zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material die Pulsbreite weiter verringert werden kann . Eine Vorsättigung des vom zweiten dotierten YAG-Material gebildeten sättigbaren Absorbers aufgrund einer Einstrahlung von Pumplicht wird zumindest verringert .
Bevorzugterweise ist der Festkörperlaser in Form eines Mikrochip-Lasers ausgebildet . Der Laser weist also einen monolithisch ausgebildeten Resonator auf , d . h . die Komponenten des Resonators sind stof f schlüssig miteinander verbunden .
In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung beträgt die Reflexion der Laserstrahlung durch die genannte Beschichtung mindestens 10% . Die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung soll hierbei aber klein genug sein, sodass ein rein gepulster Betrieb des Festkörperlasers beibehalten wird .
Ein rein gepulster Betrieb des Festkörperlasers wird hierbei so verstanden, dass zwischen den einzelnen Pulsen im Wesentlichen keine Laserstrahlung emittiert wird, d . h . die Intensität der Laserstrahlung in der Mitte zwischen zwei Pulsen beträgt j edenfalls weniger als 0 , 1 b der Intensität der Laserstrahlung im Maximum eines j eweiligen Pulses .
Dadurch, dass von der Beschichtung der genannte Teil der Laserstrahlung reflektiert wird, bildet das erste dotierte YAG-Material mit dieser Beschichtung und dem ersten Endspiegel eine Art „Sub-Kavität" . Damit kann im Lasermedium eine Intensitätsüberhöhung der Laserstrahlung erreicht werden . Es ergibt sich dadurch ein Ef fekt wie bei einer höheren Verstärkung des Lasermediums bzw . einer Erhöhung des Emissionswirkungsquerschnitts c . Somit kann die Pulsrate erhöht werden . Bei einer gewissen gewünschten Gesamtenergie kann damit die pro Puls emittierte Energie verringert werden, wodurch sich Damage-Probleme durch die Laserstrahlung verringern . Dies ist insbesondere bei Yb : YAG vorteilhaft , da dieses Lasermedium einen vergleichsweise sehr niedrigen Emissionswirkungsquerschnitt besitzt .
Würde aber die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung zu groß ausgebildet , so könnte sich im Lasermedium eine kontinuierliche Emission von Laserstrahlung ausbilden, was unerwünscht ist . In konkreten Aus führungsbeispielen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung weniger als 50% , vorzugsweise weniger als 30% , besonders bevorzugt weniger als 20% beträgt , um den rein gepulsten Betrieb des Festkörperlasers zu gewährleisten .
Um eine kurze Pulsdauer zu erreichen, ist es bevorzugt , dass die Länge des Resonators weniger als 1 , 5 mm beträgt .
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Lasers mit der mehr als doppelt so großen Länge des sättigbaren Absorbers als die Länge des Lasermediums , insbesondere im Zusammenhang mit der Ausbildung der zuvor angesprochenen Sub-Kavität , kann eine gewisse Wellenlängenselektion für das Laserlicht erreicht werden, wie weiter unten genauer erläutert wird .
Die Laserstrahlung des erfindungsgemäßen Lasers weist zumindest im Wesentlichen nur einen einzigen longitudinalen Mode auf . Zumindest im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mehr als 95% der Energie der Laserstrahlung in diesem Mode enthalten ist .
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert . In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Aus führungsbeispiels für einen Festkörperlaser gemäß der Erfindung .
Insbesondere sind die Größenverhältnisse schematisiert dargestellt . So sind die Beschichtungen der Übersichtlichkeit halber wesentlich dicker dargestellt , als es den tatsächlichen Verhältnissen entspricht .
Von einer in der Figur nicht dargestellten Pumpstrahlungsquelle , welche in herkömmlicher Weise von einer Laserdiode bzw . einem Laserdioden-Array gebildet wird, wird Pumpstrahlung 1 , die in der Figur durch einen Pfeil angedeutet ist , in einen Resonator 2 des Festkörperlasers eingestrahlt . Der Resonator 2 weist als aktives Lasermedium ein erstes dotiertes YAG-Material 3 auf . Als sättigbarer Absorber weist der Resonator 2 ein zweites dotiertes YAG- Material 4 auf . Das erste dotierte YAG-Material 3 ist auf der vom zweiten dotierten YAG-Material 4 abgelegenen Seite mit einer Beschichtung versehen, welche einen ersten Endspiegel 5 des Resonators 2 ausbildet . Die Pumpstrahlung 1 wird durch diesen ersten Endspiegel 5 in das erste dotierte YAG-Material 3 eingestrahlt . Der erste Endspiegel 5 ist dazu für die Pumpstrahlung hochtransparent ausgebildet . Für die ausgebildete Laserstrahlung ist der erste Endspiegel 5 hochreflektierend ausgebildet .
Das zweite dotierte YAG-Material 4 ist auf der vom ersten dotierten YAG-Material 3 abgelegenen Seite mit einer Beschichtung versehen, welche einen zweiten Endspiegel 6 des Resonators 2 ausbildet . Durch diesen zweiten Endspiegel 6 erfolgt im Aus führungsbeispiel die Auskopplung der Laserstrahlung 7 , welche in der Figur durch einen Pfeil angedeutet ist . Beispielsweise ist der zweite Endspiegel 6 für die Laserstrahlung 7 zu etwa 50% reflektierend und zu etwa 50% transmittierend ausgebildet . Ein vorteilhafter Bereich für die Transmission kann zwischen 30 bis 70% , vorzugsweise zwischen 40 bis 60% liegen .
Beim ersten dotierten YAG-Material 3 handelt es sich im Aus führungsbeispiel um Yb : YAG . Auch andere dotierte YAG- Materialien können als aktives Lasermedium eingesetzt werden, wie dies an sich bekannt ist , beispielsweise Nd : YAG oder Er : YAG .
Im Aus führungsbeispiel beträgt die Wellenlänge der kontinuierlich eingestrahlten Pumpstrahlung 940 nm, was besonders für Yb : YAG zweckmäßig einsetzbar ist .
Bei der Pumpstrahlung handelt es sich ebenfalls um Laserstrahlung . Zur Unterscheidung von der vom Festkörperlaser emittierten Laserstrahlung wird die zum Pumpen des Lasers verwendete Strahlung in dieser Schri ft aber immer als Pumpstrahlung bezeichnet . Beim zweiten dotierten YAG-Material 4 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Cr4+:YAG. Auch andere dotierte YAG- Materialien können als sättigbarer Absorber eingesetzt werden, wie dies an sich bekannt ist, z.B. V:YAG. So ist beispielsweise die Kombination von Nd:YAG mit V : YAG oder Cr4+:YAG zweckmäßig.
Zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material befindet sich eine Beschichtung 8, welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50%, vorzugsweise zu mindestens 75%, besonders bevorzugt zu mindestens 90% reflektierend ist. Noch bevorzugter ist ein Wert von mehr als 95%. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Reflexion der Beschichtung 8 für die Pumpstrahlung ca. 98%.
Für die Laserstrahlung ist die Beschichtung 8 teilweise durchlässig, teilweise reflektierend. Die Reflexion der Beschichtung 8 für die Laserstrahlung beträgt mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 10%, im Ausführungsbeispiel ca. 15%.
Durch die teilweise Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung 8 wird quasi eine „Sub-Kavität" für die Laserstrahlung zwischen dem ersten Endspiegel 5 und der Beschichtung 8 ausgebildet. In dieser Sub-Kavität befindet sich somit kein sättigbarer Absorber. Durch die Ausbildung einer solchen Sub-Kavität wird insgesamt eine Erhöhung der Verstärkung erreicht. Der Laser beginnt also bereits bei einer geringeren Anregung des aktiven Lasermediums zu lasern. Die Pulsrate wird damit höher. Bei einer bestimmten gewünschten Ausgangsenergie des Lasers kann somit die Energie pro Laserpuls geringer sein. Dadurch werden die Probleme durch Damage verringert. Die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung 8 soll aber klein genug sein, sodass ein rein gepulster Betrieb des Festkörperlasers erhalten bleibt . Würde die Reflexion zu hoch, könnte ein kontinuierliches Lasern im aktiven Lasermedium ausgelöst werden .
Je nach konkreter Konfiguration beträgt die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung, um einen solchen rein gepulsten Betrieb des Festkörperlasers zu erhalten, weniger als 50% oder weniger als 30% oder weniger als 20% . Im Aus führungsbeispiel beträgt die Reflexion ca . 15% .
Die Pulslänge tp der einzelnen Laserpulse beträgt im passiv gütegeschalteten Laser tp = 1 , 76 * 2 * TR /AR .
TR ist hierbei die Round-Trip-Zeit in der Kavität und somit proportional zur Länge des Resonators 2 . AR ist die Modulationstief e des sättigbaren Absorbers , bezogen auf die Intensität und entspricht somit der Absorbtion des sättigbaren Absorbers (wenn man sonstige Verluste im Absorbermaterial vernachlässigt ) .
Um eine kurze Pulslänge zu erhalten, beträgt die Länge s des Resonators , gemessen parallel zur Achse des Laserstrahls , von der äußeren Oberfläche des ersten Endspiegels 5 bis zur äußeren Oberfläche des zweiten Endspiegels 6 , weniger als 2 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 , 5 mm .
Die Länge des ersten dotierten YAG-Materials 3 beträgt , insbesondere bei der Verwendung von Yb : YAG, vorteilhafterweise mehr als 0 , 05 mm, vorzugsweise mehr als 0 , 1 mm . Die Länge des zweiten dotieren YAG-Materials 4 beträgt, insbesondere bei der Verwendung von Cr4+:YAG, vorteilhafterweise mehr als 0,3 mm, bevorzugterweise mehr als 0, 5 mm.
Die Länge des den sättigbaren Absorber bildenden zweiten dotierten YAG-Materials 4 ist mehr als doppelt so groß wie die Länge des das aktive Lasermedium bildenden ersten dotierten YAG-Materials 3. Es wird dadurch die durch die Beschichtung 8 ausgebildete Sub-Kavität weniger als ein Drittel so lang wie der Resonator 2. Damit kann durch die größere Modenspreizung in der Sub-Kavität eine vorteilhafte Wellenselektion erreicht werden, also der Wellenlänge, bei welcher der Laser anläuft und damit die Laserstrahlung emittiert. In einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung kann die Länge des zweiten dotierten YAG-Materials 4 mehr als dreimal so groß wie die Länge des ersten dotierten YAG-Materials 3 sein.
Im Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des ersten dotierten YAG-Materials 3 ca. 0,25 mm und die Länge des zweiten dotierten YAG-Materials 4 ca. 0,8 mm. Die Länge s des Resonators beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 1 mm bis 1,1 mm.
Die Dotierung des ersten dotierten YAG-Materials 3 beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 10% und die Dotierung des zweiten dotierten YAG-Materials 4 ist im Ausführungsbeispiel derart, dass die Transmission To 68% beträgt.
Im Falle der Verwendung von Yb : YAG als erstes dotiertes YAG- Material 3 beträgt die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung 1.030 nm. Die Laserstrahlung weist zumindest im Wesentlichen einen einzigen longitudinalen Mode auf, d.h. zumindest mehr als 95% der Energie der Laserstrahlung ist in einem einzelnen longitudinalen Mode enthalten .
Die Beschichtung 8 ist nach Art einer Bragg-Beschichtung ausgebildet , d . h . es werden wechselweise zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindi zes in einer Viel zahl von Schichten, beispielsweise 24 , aufgebracht , wie dies an sich bekannt ist . Um einer hohen Energie der Laserstrahlung widerstehen zu können, können hierzu Sili ziumdioxid und Hafniumoxid eingesetzt werden . Die Absorption der Laserstrahlung bei einem Durchlauf durch die Beschichtung 8 liegt günstigerweise unter 1 k» .
Die Beschichtung 8 wird auf eines der beiden dotierten YAG- Materialien 3 , 4 aufgebracht . Das andere dotierte YAG- Material 3 , 4 wird daran gebondet , beispielsweise durch Di f fusionsbonding .
Der Resonator ist somit monolithisch ausgebildet , d . h . die Komponenten des Resonators sind stof f schlüssig miteinander verbunden . Es handelt sich somit um einen Mikrochip-Laser .
Es ist grundsätzlich auch denkbar und möglich, Komponenten des Festkörperlasers gegeneinander zu verklemmen .
Durch einen erfindungsgemäßen Laser können Pulslängen von weniger als 200 ps , vorzugsweise weniger als 150 ps oder auch weniger als 100 ps erreicht werden (wobei die Pulslänge wie üblich als FWHM der Leistung bestimmt wird) .
Im Falle des Einsatzes von Nd : YAG als aktivem Lasermedium wird die Konfiguration des Lasers dazu führen, dass der Resonator länger als bei Yb : YAG ist , sodass im Vergleich zu Yb : YAG längere Pulse erhalten werden und auch mehrere longitudinale Moden erhalten werden können .
Der Resonator ist als stabiler Resonator ausgebildet . Die beiden Endspiegel 5 , 6 sind plan und das modenformende Element wird somit von der ausgebildeten thermischen Linse gebildet .
Mit einem erfindungsgemäßen Laser können Pulsenergien von mehr als 10 pj, vorzugsweise mehr als 30 pj erreicht werden .
Im Aus führungsbeispiel wurde für eine Pulsenergie von 30 pj Pumpstrahlung mit einer Pumpleistung von 3 W eingesetzt , welche im aktiven Lasermedium auf einen Durchmesser von 60 - 70 pm fokussiert wurde .
Anstelle einer Auskopplung der Laserstrahlung am zweiten Endspiegel könnte auch eine Auskopplung der Laserstrahlung am ersten Endspiegel vorgesehen sein, wobei die Pumpstrahlung und die Laserstrahlung im Weiteren durch einen dichroitischen Spiegel voneinander getrennt werden können .
Bei der Verwendung von Nd : YAG für das erste dotierte YAG- Material könnte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1 , 3 pm oder 1 , 44 pm erhalten werden . Damit werden augensichere Laser bei einer höheren Leistung als bei 1 , 064 pm möglich . Bei diesen Wellenlängen kann als sättigbarer Absorber vorteilhafterweise V : YAG eingesetzt werden . L e g e n d e zu den Hinweisziffern: Pumpstrahlung Resonator erstes dotiertes YAG-
Material zweites dotiertes YAG-
Material erster Endspiegel zweiter Endspiegel Laserstrahlung Beschichtung

Claims

Figure imgf000017_0001
Patentansprüche Festkörperlaser mit einem Resonator (2) , welcher als aktives Lasermedium zur Ausbildung von Laserstrahlung (7) ein erstes dotiertes YAG-Material (3) , als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG-Material (4) , einen ersten Endspiegel (5) , der von einer Beschichtung des ersten dotierten YAG-Materials (3) auf der vom zweiten dotierten YAG-Material (4) abgelegenen Seite gebildet wird, und einen zweiten Endspiegel (6) aufweist, der von einer Beschichtung des zweiten dotierten YAG-Materials (4) auf der vom ersten dotierten YAG-Material (3) abgelegenen Seite gebildet wird, wobei Pumpstrahlung (1) zum Pumpen des Lasermediums durch den ersten Endspiegel (5) einstrahlbar ist, wobei eine zwischen dem ersten dotierten YAG-Material (3) und dem zweiten dotierten YAG-Material (4) angeordnete Beschichtung (8) vorgesehen ist, welche für die Pumpstrahlung (1) zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung (7) zumindest teildurchlässig ist, wobei die Reflexion der Laserstrahlung (7) durch die Beschichtung (8) mindestens 5% beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (2) als stabiler Resonator ausgebildet ist, dass die Länge des Resonators (2) weniger als 2 mm beträgt und die Länge des den sättigbaren Absorber bildenden zweiten dotierten YAG-Materials (4) mehr als doppelt so groß ist wie die Länge des das aktive Lasermedium bildenden ersten dotierten YAG-Materials (3) , wobei die Laserstrahlung (7) zumindest im Wesentlichen einen einzigen longitudinalen Mode aufweist . Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) für die Pumpstrahlung (1) zu mindestens 75%, vorzugsweise zu mindestens 90% reflektierend ist. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der Laserstrahlung (7) durch die Beschichtung (8) mindestens 10%, beträgt. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der Laserstrahlung (7) durch die Beschichtung (8) weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 20% beträgt. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der Laserstrahlung (7) durch die Beschichtung (8) ausreichend klein ist, um einen rein gepulsten Betrieb des Festkörperlasers zu erhalten. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (s) des Resonators (2) weniger als 1,5 mm beträgt. Festkörperlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des ersten dotierten YAG-Materials (3) mehr als 0,05 mm, vorzugsweise mehr als 0,1 mm beträgt und die Länge des zweiten dotierten YAG-Materials (4) mehr als 0,3 mm, vorzugsweise mehr als 0,5 mm beträgt. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste dotierte YAG- Material (3) Yb : YAG oder Nd:YAG ist. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite dotierte YAG- Material (4) Cr4+:YAG ist. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite dotierte YAG- Material (4) V : YAG ist. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge der Laserstrahlung weniger als 200 ps, vorzugsweise weniger als 150 ps, besonders bevorzugt weniger als 100 ps beträgt . Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser ein Mikrochip-Laser ist. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie mehr als 10 pj, vorzugsweise mehr als 30 pj beträgt. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endspiegel (5, 6) des Resonators (2) plan sind und das modenformende Element von der ausgebebildeten thermischen Linse gebildet wird. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , dadurch gekennzeichnet , dass die Länge des den sättigbaren Absorber bildenden zweiten dotierten YAG- Materials ( 4 ) mehr als dreimal so groß ist wie die
Länge des das aktive Lasermedium bildenden ersten dotierten YAG-Materials ( 3 ) .
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