DE10127014A1

DE10127014A1 - Laser mit veränderbarer Wellenlänge

Info

Publication number: DE10127014A1
Application number: DE10127014A
Authority: DE
Inventors: Michael Kempe; Dirk Muehlhoff
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2002-12-12
Also published as: US20020181089A1; GB2380854A; GB0212006D0

Abstract

Um bei einem Laser die Nutzwellenlänge verstellen zu können, ist vorgesehen ein Laser mit einem laseraktiven Material (100), das bei mindestens zwei Laserwellenlängen zur Emission von Strahlungen mit einer Verstärkung anregbar ist, wobei die Verstärkung bei den zwei Laserwellenlängen unterschiedlich ist, einem zwei Endspiegel (102, 110; 130, 132) aufweisenden Resonator, in dem das laseraktive Material (100) angeordnet ist und der hinsichtlich seiner Resonanzbedingungen auf die Laserwellenlänge mit der geringeren Verstärkung ausgelegt ist, wobei einer der Endspiegel (110, 132) für Strahlung bei den Laserwellenlängen teildurchlässig ist, einem Auskoppelspiegel (116), der für die Laserwellenlängen teildurchlässig und im Strahlengang dem teildurchlässigen Endspiegel (110, 132) nachgeordnet ist, einem optischen Element (112, 120), das zwischen dem teildurchlässigen Endspiegel (110, 132) und dem Auskoppelspiegel (116) angeordnet ist, mit der Strahlung bei den Laserwellenlängen beaufschlagt ist und eine optische Eigenschaft aufweist, die eine Selektion der Wellenlänge von am Auskoppelspiegel (116) austretender Nutzstrahlung (118) bewirkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser mit einem laseraktiven Medium, das bei mindestens zwei Laserwellenlängen zur Emission von Strahlung anregbar ist, einem zwei Spiegel aufweisenden Resonator, in dem das laseraktive Medium angeordnet ist, wobei der Laser hinsichtlich der Wellenlängen der abgegebenen Nutzstrahlung veränderbar ist.

Laser sind bekanntermaßen vielfältig einsetzbar, geben jedoch in der Regel nur Nutzstrahlung mit einer Wellenlänge ab. Oftmals besteht aber Bedarf, die Nutzstrahlung zwischen verschiedenen Wellenlängen umzuschalten.

Aus dem Stand sind dazu Faserlaser bekannt, die Strahlung veränderbarer Wellenlänge abgeben können. Diese bekannten Wellenlängenumschaltungen sind jedoch für viele Anwendungen zu langsam. Ein weiteres Problem der bekannten, umschaltbaren Laser liegt in mangelnder Stabilität bzw. geringer Leistung, wenn der Laser auf Emissionslinien des laseraktiven Materials mit geringer Verstärkung betrieben wird. Solche Stabilitätsmängel erfordern regelmäßig eine Regelung, die aber die Umschaltung zwischen den verschiedenen Wellenlängen noch zusätzlich verlangsamt.

Aus der US 5.159.601 ist ein Faserlaser bekannt, dessen Auskoppelspiegel hinsichtlich seiner Wellenlängentransmissionseigenschaften, bspw. durch elektrische Beheizung verstellbar ist.

Die US 5.691.999 schildert einen Faserlaser, dessen Faser durch Stauchung hinsichtlich ihrer Resonanzeigenschaften veränderbar ist, wodurch eine Wellenlängeneinstellbarkeit der abgegebenen Nutzstrahlung erreicht wird. Diese Druckschrift beschreibt darüberhinaus Reflexionselemente zum Aufbau eines Resonators, die elektrisch hinsichtlich ihrer Reflexionseigenschaften veränderbar sind.

Prinzipiell wäre es, um Nutzstrahlung bei wählbarer Wellenlänge zur Verfügung zu haben, auch denkbar, zwischen den Strahlungen mehrerer Laser umzuschalten. Dies ist jedoch aufwendig und garantiert trotz nahezu verdoppelten Aufwand nicht immer, daß der Laserstrahl unter gleichen Bedingungen abgegeben wird, zum Beispiel auf einer Probe am gleichen Ort und unter gleichen Winkel auftritt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen einfachen Laser zu schaffen, der eine schnelle Umschaltung der Wellenlänge der Nutzstrahlung gestattet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Laser mit einem laseraktiven Material, das bei mindestens zwei Laserwellenlängen zur Emission von Strahlungen anregbar ist, wobei im allgemeinen die Verstärkung bei den zwei oder mehr Laserwellenlängen unterschiedlich ist, einem zwei Endspiegel aufweisenden Resonator, in dem das laseraktive Material angeordnet ist und der hinsichtlich seiner Rückkopplungsbedingungen auf die Laserwellenlänge mit der geringeren Verstärkung ausgelegt ist, wobei einer der Endspiegel für Strahlung bei den Laserwellenlängen teildurchlässig ist, einem Auskoppelspiegel, der für die Laserwellenlängen teildurchlässig im Strahlengang dem teildurchlässigen Endspiegel nachgeordnet ist, einem optischen Element, das zwischen dem teildurchlässigen Endspiegel und dem Auskoppelspiegel angeordnet ist, mit der Strahlung bei den Laserwellenlängen beaufschlagt ist und eine optische Eigenschaft aufweist, die eine Selektion der Wellenlänge vom am Auskoppelspiegel austretender Nutzstrahlung bewirkt.

Der Resonator ist bevorzugterweise auf die für die stimulierte Laseremission geforderte Resonanz- und Rückkopplungsbedingung für diejenige Laserwellenlänge ausgelegt, die die geringste Verstärkung im laseraktiven Material hat. Das optische Element selektiert die Nutzwellenlänge des Lasers auf genau diese im laseraktiven Material angeregte Laserwellenlänge durch Einführen von erhöhten Verlusten für alle anderen Wellenlängen. Durch Veränderung, Austausch oder Entfernen des optischen Elementes verändert sich das Wellenspektrum der Nutzstrahlung. Ohne Element ist ein Nutzstrahl möglich, der Licht mit der Laserwellenlänge mit der geringsten Verstärkung im laseraktiven Material aufweist, wobei unter geeigneten, am Auskoppelspiegel einstellbaren Resonanzbedingungen auch weitere Laserwellenlängen simultan mit austreten können. Die Selektion der Wellenlänge der am Auskoppelspiegel austretenden Nutzstrahlung ist somit sehr einfach erreicht, insbesondere muß der Resonator, in dem das laseraktive Material angeordnet ist, nicht zur Änderung der Nutzwellenlänge verstellt werden, was auf Grund der mitunter recht schmalbandigen Resonanzbedingung eine hohe Verstellgenauigkeit erfordern würde.

Dieses Konzept hat den Vorteil, daß das optische Element, das die Wellenlänge des emittierten Nutzlichtes abstimmt, kein justagekritisches Element hinsichtlich der Resonanzeigenschaft ist.

Dadurch, daß der Resonator hinsichtlich seiner Resonanzbedingungen auf die Laserwellenlänge mit der geringeren Verstärkung ausgelegt ist, wird die Ausgangsleistung für diese Laserwellenlänge maximiert. Bei Laserwellenlängen, bei denen das laseraktive Material eine höhere Verstärkung hat, können in der Regel trotz erhöhter Verluste eine vergleichbare Ausgangsleistungen erzielt werden.

Die optischen Eigenschaften müssen lediglich so gestaltet sein, daß sich zwischen dem einen Endspiegel des Resonators und dem teiltransmittiven Endspiegel sowie dem Auskoppelspiegel auf Grund der optischen Eigenschaften des optischen Elementes die gewünschte Nutzwellenlänge/gewünschte Nutzwellenlängen noch ausreichende Verstärkung erfährt/erfahren.

Das laseraktive Material muß bei mindestens zwei Laserwellenlängen zur Emission anregbar sein. Besonders bevorzugt ist ein laseraktives Material, das Emission bei spektral weit voneinander entfernten Laserwellenlängen aufweist. Dann ist das Umschalten zwischen verschiedenen Nutzwellenlängen durch Verändern des optischen Elementes besonders toleranzunempfindlich. Ein besonders kostengünstiges und einfach zu handhabendes laseraktives Material, ist eine Lichtleitfaser, deren Kern zu Laseremission anregbar ist. Üblicherweise wird dies erreicht, in dem der Kern einer Faser mit einem geeigneten Material dotiert wird, das stimulierte Emission bei entsprechender Anregung ermöglicht.

Eine besonders einfache Umschaltung der Nutzwellenlänge während des Laserbetriebes erreicht man durch ein optisches Element, das hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit seiner optischen Eigenschaft veränderbar ist. Durch Veränderung der optischen Eigenschaft wird dann die Nutzwellenlänge umgeschaltet.

Wesentlich für das optische Element ist es, daß seine optischen Eigenschaften die Nutzwellenlänge, wie vorstehend erläutert, bestimmt. Eine besonders einfache Gestaltung des optischen Elementes liegt in Form eines Filters vor, der sich im Strahlengang befindet.

Will man mit einem solchen Filter die Laserwellenlänge mit der geringeren Verstärkung als Nutzwellenlänge auswählen, sollte zweckmäßigerweise der Transmissionsgrad des Filters für Strahlungen mit der Laserwellenlänge, bei der die Verstärkung am Geringsten ist, größer sein als für andere Laserwellenlängen. Solche Filter sind z. B. in Form von Kantenfilter bekannt. Befindet sich der Filter im Strahlengang, tritt am Auskoppelspiegel die Laserwellenlänge mit der geringsten Verstärkung auf. Wird das Filter aus dem Strahlengang entfernt, dominieren andere Laserwellenlängen, deren Verstärkung größer ist.

Besonders einfach ist das Umschalten dann, wenn der Filter aus dem Strahlengang entfernbar ist, z. B.: schwenkbar im Strahlengang sitzt. Durch Ein- bzw. Ausschwenken erfolgt dann die Umschaltung der Nutzwellenlänge. Statt einer Schwenkbewegung ist natürlich auch eine Schiebebewegung denkbar, mit der ein Filter in den Strahlengang eingeführt wird. Eine solche mechanische Konstruktion kann bspw. wie ein Diawechsler aufgebaut sein. Da die Position des Filters im Strahlengang im gewählten erfindungsgemäßen Aufbau unkritisch ist, ist die hinsichtlich mechanischer Schwingungen oder Toleranzen des Filters erforderliche Genauigkeit der mechanischen Umschaltung einfach zu realisieren, ohne daß negative Auswirkungen auf die Stabilität der Lasertätigkeit zu befürchten wären.

In einer alternativen Ausgestaltung kann das optische Element auch als steuerbarer dichroitischer Reflektor ausgebildet sein.

Um zwischen mehreren Nutzwellenlängen umschalten zu können, ist es zweckmäßig, das optische Element in Form mehrerer Filter zu gestalten. Dann können für verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Transmissionsgrade des Filters vorgesehen werden. Die verschiedenen Filter können auf mechanische Weise zum Umschalten der Wellenlängen des Nutzlaserlichtes im Strahlengang gewechselt werden. Die mechanische Konstruktion kann zu einer besonders schnellen Umschaltung mit einem Transport wie bei einer Filmprojektion ausgestattet werden. Diejenigen Filter, die nacheinander in den Strahlengang gebracht werden sollen, sind dann in der gewünschten Reihenfolge in Art eines umlaufenden Filmes gestaltet.

In einer besonders einfach zu realisierenden Weiterbildung sind mehrere Filter als Sektoren eines Rades angeordnet, das im Strahlengang drehbar angeordnet ist. Die Wellenlängenselektion der Nutzstrahlung erfolgt dann einfach durch Drehen dieses Filterrades. Damit kann eine sehr schnelle Umschaltung der Wellenlänge der Nutzstrahlung erreicht werden. Bei Drehzahlen in der Größenordnung von 2.000 Umdrehungen pro Minute und 100 Sektoren in einem Filterrad erreicht man Umschaltzeiten in der Größenordnung 300 µs.

Einen besonders niedrigen Aufwand für geringere Schaltzeiten beim Umschalten zwischen einzelnen Nutzwellenlängen erreicht man mit einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, bei der das optische Element durch elektrische Ansteuerung hinsichtlich seiner Wellenlängenabhängigkeit veränderbar ist. Besonders einfach wird der Aufbau, wenn das optische Element die Wellenlängenselektion durch elektrisch beeinflußbare Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften bewirkt. Hierzu kommen insbesondere Modulatoren oder Elemente in Frage, die den Kerr- oder Faradayeffekt ausnützen, wobei akustooptische Modulatoren besonders geeignet sind, da sie klein bauen.

Es ist deshalb zu bevorzugen, daß das optische Element einen akustooptischen Modulator aufweist, dessen Transmissions- oder Reflektionseigenschaften veränderbar sind. Die Wirkung eines akustooptischen Modulators ist wellenlängenabhängig, was eine elektrisch einstellbare Wellenlängenselektion für unpolarisiertes oder polarisiertes Licht ermöglicht. Kerr- oder Faradayeffekt sind polarisationsabhängig und somit bei polarisierten Laserstrahlen anwendbar.

Verwendet man als laseraktives Medium eine Lichtleitfaser, ist es besonders zweckmäßig, die Endspiegel fest auf die Faserenden aufzubringen, da dann ein robuster Aufbau erreicht wird.

In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung kann der für die Strahlung bei den Laserwellenlängen teildurchlässige Endspiegel für Pumplicht, das zur Emission des laseraktiven Mediums verwendet wird, undurchlässig ausgebildet werden. Damit wird am teildurchlässigen Endspiegel zwar die erzeugte Strahlung bei den Laserwellenlängen ausgekoppelt, das Pumplicht jedoch nicht, so daß es maximal zur Stimulation von Lasertätigkeit ausgenutzt wird. Dadurch wird die Effektivität erhöht und es steht mehr Laserleistung zur Verfügung, bspw. auch für eine Intensitätsregelung zur Stabilitätserhöhung.

Erlaubt das optische Element Nutzstrahlung bei mehr als einer Laserwellenlänge, kann man die spektrale Zusammensetzung der Nutzstrahlung vorteilhafterweise durch einen Auskoppelspiegel mit bei den Laserwellenlängen unterschiedlichem Reflexions- und damit auch Transmissionsgrad bequem beeinflussen.

Die spektrale Zusammensetzung ist ferner auch bei gegebenem End- und Auskoppelspiegel durch Veränderung der Resonatorbedingung am Auskoppelspiegel - z. B. durch Veränderung seiner Lage oder seiner optischen Eigenschaften - kontrollierbar

In allen Anordnungen ist es problemlos möglich, den Resonator so zu gestalten, daß die Nutzstrahlung unabhängig von der Wellenlänge die gleiche räumliche Abstrahlcharakteristik besitzt. Insbesondere sind der Ort des Austretens aus dem Resonator, die Ausbreitungsrichtung, der Strahldurchmesser und die Strahldivergenz identisch.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Faserlasers mit einem außerhalb des Resonators liegenden optischen Element zur Wellenlängenselektion;

Fig. 2 einen ähnlichen Aufbau wie in Fig. 1, jedoch mit einem akustooptischen Modulator als optisches Element;

Fig. 3 einen ähnlichen Aufbau wie in Fig. 1, jedoch mit einer Auskopplung der Nutzlaserstrahlung auf der Seite, auf der Pumplicht eingekoppelt wird, und

Fig. 4 eine Kennlinienschar für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Faserlaser gezeigt der eine Faser 100 aufweist, deren Kern mit einem Material dotiert ist, das stimulierte Emission bei entsprechender Anregung gestattet.

Mit verschiedenen Dotierstoffen im Kern einer solchen Faser 100 lassen sich jeweils bei unterschiedlichen Laserwellenlängen den Atomniveaus zugeordnete Laserübergänge erzeugen. Man kann aber auch verschiedene Laserlinien eines einzigen Dotierstoffs verwenden, um unterschiedliche Laserwellenlängen zu erhalten. Dies ist bspw. bei sogenannten Upconversions-Faserlasern üblich.

Die Faser 100 weist an einem Ende einen Endspiegel 102 auf, der im Ausführungsbeispiel durch Aufdampfen hergestellt wurde und vorzugsweise als dielektrisches Schichtsystem ausgebildet ist, das für das Pumplicht durchlässig ist. Für die Laserwellenlängen, bei denen das Kernmaterial der Faser 100 zur stimulierten Emission anregbar ist, hat der Endspiegel 102 eine hohe Reflexion, möglichst über 95%. Mit einer Infrarotlaserdiode 106 wird Pumplicht 104 erzeugt. Es wird mit einem optischen System 108, das aus Linsen besteht, welche zuerst das von der Infrarotlaserdiode 106 abgegebene Pumplicht parallelisieren und dann auf ein Ende der Faser 100 fokussieren, in den Kern der Faser 100 über den Endspiegel 102 eingekoppelt. Auf dem dem Endspiegel 102 gegenüberliegenden Ende der Faser 100 ist ein weiterer Endspiegel 110 vorgesehen, der für die Wellenlänge des Pumplichtes vollständig reflektierend, dagegen für die Strahlung bei den Laserwellenlängen teilreflektierend ausgebildet ist. Die Endspiegel 102 und 110 auf den Faserenden bilden somit einen Resonator, der mit den Endspiegeln 102 und 110 auf diejenige Laserwellenlänge abgestimmt ist, bei der das Material der Faser 110 die geringste Verstärkung aufweist.

Auf Grund der Verspiegelung für Pumplicht, wird das Pumplicht in der Faser 100 mit maximalem Wirkungsgrad zur Laseranregung verwendet. Das Kernmaterial der Faser 100 ist dabei zur stimulierten Emission bei mehreren Laserwellenlängen anregbar. Die Verstärkung im Material des Faserkerns ist dabei natürlich nicht für alle Laserwellenlängen gleich, insbesondere gibt es eine Laserwellenlänge, bei der die Verstärkung am geringsten ist.

Der Resonator ist nun zur Anregung des Laserprozesses in der Faser 100 auf diejenige Laserwellenlänge abgestimmt, bei der das Kernmaterial der Faser 100 die niedrigste Verstärkung aufweist. Für diese Laserwellenlänge hat der Endspiegel 110 den höchsten Reflektionsgrad; Strahlung bei anderen Laserwellenlängen werden dagegen vom Endspiegel 110 weniger stark reflektiert. Für die Laserwellenlänge mit der geringsten Verstärkung ist der Reflektionsgrad so groß, daß immer eine für Lasertätigkeit ausreichende Rückkopplung in die Faser 100 vorliegt; für die anderen Laserwellenlängen ist die Rückkopplung geringer, jedoch die Verstärkung größer.

Wird Pumplicht 104 eingekoppelt, tritt am Endspiegel 110 Laserstrahlung 111 aus. Sie wird durch ein optisches System 114, das hier durch eine einzige Linse angedeutet ist, kollimiert und auf einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel 116 geworfen. Alternativ kann durch das optische System 114 auch der Endspiegel 110 auf den Auskoppelspiegel 116 abgebildet werden. Dieser ist für Strahlung bei den Laserwellenlängen teildurchlässig, so daß dort ein Nutzlaserstrahl 118 ausgekoppelt wird.

Zwischen dem teildurchlässigen Endspiegel 110 und dem Auskoppelspiegel 116 ist ein optisches Element zur Wellenlängenselektion vorgesehen, das später noch näher erläutert wird.

Durch die Teilverspiegelung des Auskoppelspiegels 116 wird ein Teil der Laserstrahlung 111 wieder über das optische Element 112, das optische System 114 und den Endspiegel 110 in die Faser 100 zurückgekoppelt.

Da die Laserlinie, bei der die Faser 100 Lasertätigkeit zeigt, relativ breit ist, ist die Kombination aus optischem System 114, optischem Element 112 und Auskoppelspiegel 116 bezüglich der Phasenanpassung für die Resonanzbedingung unkritisch. So kann in der Regel der Auskoppelspiegel 116 um bis zu mehrere Millimeter verschoben werden, ohne daß der Laserprozeß beeinflußt wird.

Durch die erwähnte Abstimmung der Faser 100 und der Endspiegel 102 und 110 auf die Wellenlänge mit der geringsten Verstärkung erhält man stabile Lasertätigkeit bei allen in der Faser 100 erzeugbaren Laserwellenlängen.

Das vorliegend als Filter ausgebildete optische Element 112 dient zur Wellenlängenselektion. Befindet es sich nicht im Strahlengang zwischen teildurchlässigen Endspiegel 110 und Auskoppelspiegel 116, kann der Nutzstrahl 118 ein Gemisch aus allen Laserwellenlängen, die bei Anregung bei Faser 100 durch das Pumplicht 104 auftreten, enthalten. Je nach Art des aktiven Mediums, Verstärkung und Rückkopplung kann in diesem Fall aber auch nur ein Teil der nutzbaren Laserwellenlängen emittiert werden. Zum Umschalten der Wellenlänge des Nutzstrahls 118 ist der Filter in der Ausführungsform der Fig. 1 zwischen dem Endspiegel 110 und dem Auskoppelspiegel 116 so eingeführt, daß er aus dem Strahlengang herausbewegt werden kann. Er hat wellenlängenselektive Wirkung, indem er den Durchgang der Laserstrahlung 111 für die einzelnen Laserwellenlängen unterschiedlich ermöglicht. Seine Halterung im Strahlengang zwischen Endspiegel 110 und Auskoppelspiegel 116 ist beweglich ausgeführt. Dies ist in Fig. 1 durch einen Schiebemechanismus erreicht, wie er von Diaapparaten bekannt ist. Alternativ kann das Filter 112 auch auf einen Film aufgebracht und wie bei aus der Filmprojektion bekanntem Filmtransport im Strahlengang zwischen teildurchlässigem Endspiegel 110 und Auskoppelspiegel 116 transportiert werden. Eine derartige Ausführung ermöglicht bei mehreren verschiedenen Filtern insbesondere sequentiell immer dieselbe Wellenlängen im Nutzstrahl 118 einzustellen.

In einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 1 nicht gezeigt ist, sind verschiedene Filter 112 auf Sektoren eines Rades aufgebracht, das im Strahlengang drehbar angeordnet ist. Die Umschaltung des Nutzstrahles 118 auf verschiedene Wellenlängen erfolgt dann durch Drehen des Rades. Dabei liegt die Rotationsachse des Rades zweckmäßigerweise etwa parallel zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung 111.

In Fig. 4 sind Meßergebnisse eines nach Fig. 1 aufgebauten Faserlasers dargestellt. Als Pumplaser 106 dient dabei eine Singlemode-Laserdiode mit einer Wellenlänge von 835 nm. Die maximale Leistung entspricht 200 mW, davon werden über den Endspiegel 102 ungefähr 65% in den Kern der Faser 100 eingekoppelt. Die Faser 100 ist eine ZBLAN Fluoridglasfaser, dotiert mit P³⁺ (3000 ppm) und Yb³⁺ (20.000 ppm), einem Kerndurchmesser von 3,5 µm, einer numerischen Apertur von 0,2 und einer Länge von 30 cm. Die Spiegel sind wie folgt beschichtet, wobei R den Reflektionsgrad bezeichnet:
Endspiegel 102:
hoch reflektierend (HR) bei 491 nm bis 535 nm (R < 98%),
partiell reflektierend (PR) bei 605 nm und 635 nm (R = 6%),
PR bei 835 nm (R = 8%);
Endspiegel 110:
PR bei 491 nm (R = 95%),
PR bei 524 nm (R = 15%) und 535 nm (R = 65%),
PR bei 605 nm (R = 15%) und 635 nm (R = 10%),
HR bei 835 nm (R < 99%);
Auskoppelspiegel 116:
Version I
PR bei 491 nm (R < 96%),
PR bei 524 nm (R = 70%),
PR bei 535 nm (R = 28%);
Version II
PR bei 491 nm (R < 96%),
PR bei 524 nm (R = 20%),
PR bei 535 nm (R = 20%);

Das optische System 114 ist ein Achromat mit einer numerischen Apertur von 0,55 und einer Brennweite von 4,5 mm, der so eingesetzt wurde, daß der Fokus 14 cm vom Endspiegel 110 entfernt war.

Der Filter 112 ist ein Kantenfilter, der bei Wellenlängen über 520 nm hochreflektierend und bei Wellenlängen unter 500 nm voll durchlässig ist. Der durch die Laserdiode 106 gepumpte aktive Faserkern ist aufgrund der oben genannten Dotierstoffe und der Anregungswellenlänge zur Fluoreszenz auf den Laserübergängen bei 491 nm, 520 nm bis 535 nm, 605 nm, 635 nm ausgelegt. Durch die hochreflektierende Beschichtung des Endspiegels 110 für das Pumplicht wird ein Doppeldurchgang des Pumplichtes und damit eine effektive Absorption ermöglicht. Aufgrund der geringen Reflexion des Endspiegels 110 sowie des Auskoppelspiegels 116 im grünen bis roten Spektralbereich wird nur bei der Laserwellenlänge von 491 nm eine Laseranregung ohne externe Rückreflektion erzielt. Die Auskopplung am Endspiegel 102 ist im roten Spektralbereich allerdings so hoch, daß auch mit externer Rückkopplung durch den Auskoppelspiegel 116 bei 605 nm und 635 nm kein Laserbetrieb erreicht wird. Die Rückkopplung durch den Endspiegel 102 im grünen Spektralbereich genügt jedoch, um bei geeigneter Wahl der Beschichtung des Auskoppelspiegels 116 eine Lasertätigkeit im Wellenlängenbereich zwischen 525 und 535 nm zu erreichen. Diese externe Rückkopplung kann durch das optische Element 112 unterbunden werden, so daß dann ausschließlich Lasertätigkeit bei 491 nm auftritt.

Fig. 4 zeigt die Kennlinien des Faserlasers der Fig. 1. Dabei ist die Ausgangsleistung P_L als Funktion der Pumpleistung P_P dargestellt. Umschaltbare Lasertätigkeit bei 524 nm und 491 nm wurde mit dem Auskoppelspiegel 116 der Version I und bei 534 nm, 491 nm und gleichzeitig bei 494 nm/534 nm mit dem Auskoppelspiegel 116 der Version II erreicht. Zwischen der grünen und der blauen Wellenlänge des Nutzstrahles 118 wurde durch Bewegen des Filters 112 umgeschaltet. Die simultane Emission im blauen und grünen Spektralbereich wurde durch Verkippen des Auskoppelspiegels 116 erreicht. Die Rückkopplung ist so fein abgestimmt, daß die Emission bei den beiden Wellenlängen 534 nm und 494 nm mit gleicher Leistung im Nutzstrahl 118 erfolgt. Diese Verkippung des Spiegels 116 ermöglicht es, die einzelnen Leistungsanteile bei den Laserwellenlängen im Nutzstrahl 118 einzustellen.

Aufgrund der achromatischen Auslegung des Resonators insbesondere der wellenlängen unabhängigen Abbildungseigenschaften des optischen Systems 114 wird erreicht, daß die Strahleigenschaften der Nutzstrahlung (Ausbreitungsrichtung, Strahldurchmesser, Divergenz) für alle Wellenlängen gleich sind.

In einer weiteren Ausführungsform wird statt mechanisch wechselbaren optischen Elementen 110 ein elektrisch steuerbares Element eingesetzt. Dazu lassen sich alle elektrisch steuerbaren physikalischen Effekte ausnutzen, die wellenlängen- oder polarisationsabhängig sind. Bei Letzteren kommen insbesondere der Kerr- oder Faradayeffekt in Frage, für deren Ausnutzung allerdings ein polarisierter Laserstrahl 111 erforderlich ist. Dieser kann dadurch erhalten werden, indem entweder innerhalb der Faser 100, oder zwischen der Faser 100 und dem Endspiegel 110, oder zwischen dem Endspiegel 110 und dem optischen Element 112 ein polarisierendes Element vorgesehen wird. Auch kann die Polarisation durch Druckeinwirkung auf die Faser 100 oder Schleifenbildung der Faser 100 erreicht werden. Durch derart veränderte wellenlängenunabhängige Dämpfung in doppelbrechenden Materialien läßt sich dann elektrisch oder magnetisch eine Wellenlängenselektion mittels eines entsprechend ansteuerbaren optischen Elementes 112 erreichen.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der als optische Eigenschaft der akustooptische Effekt genutzt wird, der polarisationsunabhängig, aber wellenlängenabhängig ist. Er beruht darauf, daß eine Ultraschallwelle eine periodische Verdichtung eines Materials erzeugt. Diese Verdichtung kann als Beugungsgitter zum Ablenken eines Laserstrahles eingesetzt werden. Die Ultraschallwelle wird in der Ausführungsform der Fig. 2 besonders zweckmäßig durch einen Piezokristall erzeugt.

Als optisches Element ist in der Ausführungsform der Fig. 2 ein Kristall 120 vorgesehen, der unter Druck eine große Brechungsindexerhöhung zeigt. Wird über am Kristall 120 geeignet befestigte Piezoelemente 121 eine stehende Welle in den Kristall 120 eingekoppelt, entsteht eine stehende akustische Welle, die sich als optisches Gitter für Strahlung auswirkt. Dadurch kann die Braggreflexion ausgenutzt werden.

Beugungserscheinungen führen dann zu einer Ablenkung der auf den elektrischen Kristall 120 fallenden Strahlung 111. Der in Fig. 2 gezeichnete Kristall 120 steht deshalb unter einem Winkel zur Ausbreitungsachse der durch das optische System 114 parallelisierten Strahlung. Dadurch wird die Ablenkung als Beugung in nur einer Beugungsordnung wirksam. Um Beugungsmaxima nullter Ordnung zu Verringerung von Verlusten ebenfalls auszunutzen, sind Zusatzspiegel 122 vorgesehen, die aus solchen Beugungsmaxima stammende Strahlung entweder auf den Auskoppelspiegel 116 oder das optische Element 114 zurückreflektieren.

Durch die elektrische Ansteuerung der Piezoelemente 121 kann somit die Wellenlänge der zum Auskoppelspiegel 116 geleiteten Strahlung eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Auswahl unter den verschiedenen Laserwellenlängen, die am teildurchlässigen Endspiegel 110 austreten. Da die Ansteuerung der Piezoelemente 121 sehr schnell erfolgen kann, ist die Umschaltzeit sehr gering. Die dabei möglichen Zeiten liegen im Mikrosekundenbereich.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Pumpstrahlung 104 und die Laserstrahlung am selben Endspiegel der Faser 100 ein- bzw. ausgekoppelt werden. Dazu ist das eine Ende der Faser 100 mit einem für Pumplicht und Strahlung der Laserwellenlängen voll reflektierenden Endspiegel 130 versehen. Dieser Spiegel kann neben dielektrischen Schichten auch entsprechende Metallisierungen, beispielsweise mit Aluminium oder Silber, enthalten.

Der dem Endspiegel 130 gegenüberliegende Spiegel 132 ist sowohl für das Pumplicht als auch für die Laserwellenlängen teildurchlässig. Das Pumplicht 104 wird wiederum von der Laserdiode 106 erzeugt und über ein optisches System 108 auf den Kern der Faser 100 über den Endspiegel 132 eingekoppelt. Da am teildurchlässigen Endspiegel 132 auch die Laserstrahlung austritt, muß diese vom Pumplicht getrennt werden. Dazu wäre beispielsweise ein Polarisationsstrahlteiler geeignet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird jedoch ein Spiegel 134 eingesetzt, der sich im Strahlengang zwischen den Linsen des optischen Systems 108 befindet und die erzeugte Laserstrahlung umlenkt, nicht jedoch das Pumplicht. Dies wird durch eine geeignete dielektrische Beschichtung des Spiegels 132 erreicht. Insbesondere bei einer Verwendung der Faser 100 als Upconversationsfaserlaser, bei dem ein großer Frequenzunterschied zwischen Pump- und Laserstrahlung gegeben ist, ist dies einfach möglich.

Das optische Element zur Selektion der Laserwellenlänge ist in dieser Ausführungsform ein Spiegel 134. Die Wellenlängenselektion kann entweder durch mechanischen Spiegelwechsel erfolgen, bevorzugt aber durch einen (nicht dargestellten) Filter 112 im Strahlengang zwischen dem Endspiegel 132 und dem Spiegel 134. Natürlich ist auch die elektrische angesteuerter Auskopplung mittels eines Kristalls 120 in der Ausführungsform der Fig. 2 möglich.

Claims

1. Laser mit
einem laseraktiven Material (100), das bei mindestens zwei Laserwellenlängen zur Emission von Strahlungen mit jeweils einer Verstärkung anregbar ist, wobei die Verstärkung bei den Laserwellenlängen unterschiedlich ist,
einem zwei Endspiegel (102, 110; 130, 132) aufweisenden Resonator, in dem das laseraktive Material (100) angeordnet ist und der hinsichtlich seiner Resonanzbedingungen auf die Laserwellenlänge mit der geringsten Verstärkung ausgelegt ist, wobei einer der Endspiegel (110, 132) für Strahlung bei den Laserwellenlängen teildurchlässig ist,
einem Auskoppelspiegel (116), der für die Laserwellenlängen teildurchlässig und im Strahlengang dem teildurchlässigen Endspiegel (110, 132) nachgeordnet ist,
einem optischen Element (112, 120) das zwischen dem teildurchlässigen Endspiegel (110 132) und dem Auskoppelspiegel (116) angeordnet ist, mit der Strahlung bei den Laserwellenlängen beaufschlagt ist und eine optische Eigenschaft aufweist, die eine Wellenlängenselektion vom am Auskoppelspiegel (116) austretender Nutzstrahlung (118) auf ein mindestens eine Laserwellenlänge bewirkt.

2. Laser nach Anspruch 1, bei dem die optische Eigenschaft des optischen Elementes (112, 120) von der Laserwellenlänge abhängt.

3. Laser nach Anspruch 2, dessen optisches Element (112, 120) hinsichtlich der Wellenlängenabhängigkeit seiner optischen Eigenschaft veränderbar ist.

4. Laser nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dessen optisches Element ein Filter (112) ist.

5. Laser nach Anspruch 4, wobei der Transmissionsgrad des Filters (112) für Strahlung mit derjenigen Laserwellenlänge, bei der die Verstärkung am geringsten ist, größer ist als für andere Laserwellenlängen.

6. Laser nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Filter (112) aus dem Strahlengang entfernbar ist.

7. Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, mit mehreren Filtern (112).

8. Laser nach Anspruch 4 oder 7, dessen Filter (112) auf mechanische Weise zum Umschalten der Wellenlänge der Nutzstrahlung (118) im Strahlengang austauschbar ist/sind.

9. Laser nach Anspruch 8, dessen Filter (112) als Sektoren eines im Strahlengang drehbaren Rades ausgebildet sind.

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen optisches Element (120) durch elektrische Ansteuerung hinsichtlich seiner die Wellenlängenselektion bewirkenden optischen Eigenschaft veränderbar ist.

11. Laser nach Anspruch 10, dessen optisches Element einen akustooptischen Modulator (120) aufweist, dessen Reflexionseigenschaften veränderbar sind.

12. Laser nach einem der obigen Ansprüche, dessen laseraktives Medium als Lichtleitfaser (110) ausgebildet ist und bei dem die Endspiegel (102, 110; 130, 132) fest auf die Faserenden aufgebracht sind.

13. Laser nach einem der obigen Ansprüche, dessen Auskoppelspiegel (116) für die Laserwellen längen unterschiedlichen Reflexionsgrad aufweist.

14. Laser nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Reflexionsgrad, mit dem die Strahlung bei den jeweiligen Laserwellenlängen zum teildurchlässigen Endspiegel (110, 113) zurückreflektiert wird, durch Veränderung des Auskoppelspiegels (116) verstellbar ist.