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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Mikrolaser, und insbesondere
seitlich gepumpte Mikrolaser, die ein aktives Verstärkungsmedium
und ein passives Q-Schalter-(Güteschalter)-Medium
mit einem monolithischen Materialelement umfassen, auf welchen ein
Paar von reflektierenden Flächen
enthalten ist, um eine Mikroresonatorkavität zu definieren.
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Hintergrund der Erfindung
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Moderne
elektrooptische Anwendungen fordern relativ kostengünstige,
miniaturisierte Laser, die in der Lage sind, eine Serie von gut
definierten Ausgangspulsen zu erzeugen. So ist eine Vielfalt von
Mikrolasern entwickelt worden, die einen Mikroresonator und ein
Paar von zumindest teilweise reflektierenden Spiegeln einschließen, die
an gegenüberliegenden
Enden des Mikroresonators angeordnet sind, um eine Resonanzkavität dazwischen
zu bilden. Der Mikroresonator eines vorteilhaften Mikrolasers schließt ein aktives
Verstärkungsmedium
und einen sättigbaren
Absorber ein, der als ein Q-Schalter dient, siehe beispielsweise
das
US-Patent Nr. 5,394,413 an John J.
Zayhowski, erteilt am 28. Februar 1995. Durch ein geeignetes Pumpen
des aktiven Verstärkungsmediums
wie etwa mit einer Laserdiode wird der Mikroresonator eine Reihe
von Pulsen, die eine vorbestimmte Wellenlänge, Pulsbreite und Pulsenergie
aufweisen, emittieren.
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Wie
Fachleuten bekannt ist, ist die Energie der Pulse, die von einem
Mikrolaser emittiert werden, abhängig
von den Materialien, aus welchen das aktive Verstärkungsmedium
und der sättigbare
Absorber gebildet sind, wie auch von der Länge und der Breite des optische
gepumpten Volumens. Wenn sämtliche anderen
Faktoren gleich sind, sind, je länger
und breiter die Mikroresonatorkavität ist, desto größer die Pulsenergie
und die mittlere Leistung der resultierenden Laserpulse.
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Herkömmliche
Mikrolaser wie etwa jene, die in dem
US-Patent
Nr. 5,394,413 beschrieben sind, sind in einer Richtung
parallel zu der Längsachse,
die durch die Resonatorkavität
definiert ist, end-gepumpt. In dieser Hinsicht verläuft die
Längsachse
der Mikroresonatorkavität
längs durch
die Resonatorkavität
und ist orientiert, orthogonal auf dem Paar von zumindest teilweise
reflektierenden Spiegeln zu stehen, die die gegenüberliegenden
Enden der Resonatorkavität
definieren. So sind herkömmliche
Mikrolaser derart konfiguriert, dass die Pumpquelle einen Pumpeingang
in einer Richtung senkrecht zu zumindest den teilweise reflektierenden
Spiegeln bereitstellt, die die gegenüberliegenden Enden der Resonatorkavität bereitstellen.
Die effektive Länge
der Resonatorkavität
ist deswegen gleich der Dicke des monolithischen Mediums, das den
Resonator umfasst.
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Während der
Mikrolaser derart gefertigt werden kann, dass die Resonatorkavität unterschiedliche
Längen
aufweist, trägt
eine Anzahl von Faktoren dazu bei, die zulässige Länge der Resonatorkavität im Allgemeinen
zu begrenzen. Siehe beispielsweise das
US-Patent Nr. 5,394,413 , welches offenbart, dass
die Resonatorkavität,
die sowohl den sättigbaren
Absorber als auch das Verstärkungsmedium
einschließt,
vorzugsweise in der Länge
geringer als 2 mm ist. Insbesondere erfordert eine Anzahl von elektrooptischen
Anwendungen Mikrolaser, die äußerst klein
sind. Somit ist von Zunahmen in der Länge der Mikroresonatorkavität in hohem
Maße in
diesen Anwendungen abzuraten, da jedwede derartige Zunahmen der
Länge der
Resonatorkavität
dementsprechend die Gesamtabmessung des Mikrolasers erhöhen würden. Zusätzlich ist
es schwierig, monolithische Mikrolaser länger als einige Millimeter
in der Länge
wegen Einschränkungen
in den Materialaufwachsprozessen zu fertigen, die unzureichend gleichförmige optische
Medien erzeugen würden,
um einen effizienten Ausgang einer guten Divergenz und einer spektralen
Reinheit bereitzustellen.
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Ein
Erhöhen
der Breite der Resonatorkavität, wie
sie durch ein Fokussieren der Pumpquelle auf einen größeren Punkt
in dem Mikroresonator erreicht werden kann, wäre auch sehr unerwünscht, weil
dies zu einem in hohem Maße
divergenten Ausgang führen
würde.
Dieses nachteilige Ergebnis liegt daran, dass eine Breitenerhöhung entsprechend
die Resonator-Fresnelzahl
erhöhen
wird, was es zulässt,
dass mehrfache transversale Moden oszillieren.
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Die
relativ geringe Abmessung herkömmlicher
Mikrolaser begrenzt auch die Effektivität, mit welcher Wärme, die
durch Absorption einer Pumpdiodenstrahlung erzeugt wird, abgeführt werden
kann. In bestimmten Fällen
kann die Wärme,
die innerhalb des Mikrolasers erzeugt wird, auch die thermische Kapazität der Wärmesenke
oder einer anderen Wärmeabführvorrichtung überschreiten,
wodurch das Medium potenziell gestört wird und eine nicht annehmbare
Verschlechterung der Ausgangsstrahlleistung oder -qualität herbeigeführt wird.
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Die
voranstehenden Beispiele praktischer Einschränkungen bezüglich der Länge der Resonatorkavität begrenzen
in nachteiliger Weise auch die Pulsenergie und die mittlere Leistung
der Pulse, die von den herkömmlichen
Mikrolasern ausgegeben werden. Die Pulsenergie und die mittlere
Leistung der Pulse, die von einem Mikrolaser emittiert werden, sind
auch abhängig
von dem Leistungspegel, mit welchem das aktive Medium gepumpt wird,
d. h. der Leistung, die von den Pumpeingängen geliefert wird. Da herkömmliche
Mikrolaser end-gepumpt
sind, wird eine einzelne Steifenlaserdiode typischerweise als die
Pumpquelle benutzt, da der Pumpeingang, der von einer Einzelstreifen-Laserdiode
erzeugt wird, im Allgemeinen den relativ kleinen Mikrolaser-Modendurchmesser
füllt.
In unzweckmäßiger Weise
ist die Leistung, die von einer Einzelstreifen-Laserdiode geliefert
wird, typischerweise auf ungefähr
1 bis 3 Watt begrenzt, wodurch dementsprechend die Pulsenergie und
die mittlere Leistung der Pulse begrenzt wird, die von einem herkömmlichen
Mikrolaser ausgegeben werden. Zusätzlich werden Mehrfachstreifen-Dioden
im Allgemeinen nicht benutzt, um einen herkömmlichen Mikrolaser zu end-pumpen,
da Mehrfachstreifen-Dioden schlecht fokussieren und folglich komplexe
Optiken erfordern, um einen ausreichend kleinen Punkt zu erzeugen,
um einen Monomode-Mikrolaserausgang zu generieren.
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Im
Gegensatz dazu beginnen bestimmte moderne elektrooptische Anwendungen
Mikrolaser zu erfordern, die Pulse emittieren, die größere Pulsbreiten
aufweisen, wie etwa Pulsbreiten von größer als 1 Nanosekunde, und
in bestimmten Fällen
bis zu 10 Nanosekunden, wie auch Pulse, die eine größere Pulsenergie
aufweisen, wie etwa zwischen ungefähr 10 μJ und ungefähr 100 μJ, und größere mittlere Leistung wie
etwa zwischen 0,1 Watt und 1 Watt. Als Folge der voranstehenden
Beschränkungen
bezüglich
der Länge
der Resonatorkavität
der entsprechenden Beschränkungen
bezüglich
der Pulsbreiten, der Pulsenergie und der mittleren Leistung der
Pulse, die von herkömmlichen
Mikrolasern ausgegeben werden, scheinen herkömmliche Mikrolaser nicht in
der Lage zu sein, diese anspruchsvolleren Anforderungen zu erfüllen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
1 und 13 definiert. Verschiedene Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein
Mikrolaser ist deswegen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, der ein aktives Verstärkungsmedium
aufweist, das seiten-gepumpt ist, um eine Reihe von Pulsen zu erzeugen,
die größere Pulsenergien
und mittlere Leistungspegel aufweisen als die Pulse, die von herkömmlichen
Mikrolasern bereitgestellt werden. Zusätzlich kann der Mikrolaser
dieser Ausführungsform
auch Pulse erzeugen, die größere Pulsbreiten
als die Pulse aufweisen, die von herkömmlichen Mikrolasern ähnlicher
Abmessung bereitgestellte werden. So kann der Mikrolaser der vorliegenden Erfindung
in anspruchsvolleren Anwendungen eingesetzt werden, die Pulse erfordern,
die größere Pulsbreiten
aufweisen, wie auch Pulse, die eine größere Pulsenergie und eine größere mittlere
Leistung aufweisen, als sie typischerweise von herkömmlichen end-gepumpten
Mikrolasern bereitgestellt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung schließt der
Mikrolaser einen Mikroresonator ein, der ein monolithisches Materialelement
aufweist, das ein aktives Verstärkungsmedium
und einen Q-Schalter
umfasst. Der Mikroresonator verläuft
längs zwischen
gegenüberliegenden
Endflächen
und weist eine Mehrzahl von reflektierenden Seitenflächen auf,
die zwischen den gegenüberliegenden
Endflächen
verlaufen. Der Mikrolaser schließt auch erste und zweite reflektierende
Flächen
an beiden der gegenüberliegenden
Endflächen
ein, um eine Mikroresonatorkavität dazwischen
zu definieren. In typischer Weise sind die ersten und zweiten reflektierenden
Flächen
auf die gegenüberliegenden
Endflächen
der Mikroresonatoren beschichtet. Jedoch kann ein Minilaser gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden, bei welchem die ersten und
zweiten reflektierenden Flächen
durch Spiegel gebildet sind, die von den gegenüberliegenden Endflächen beabstandet
sind.
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Der
Mikrolaser kann ferner eine Pumpquelle zum Einführen von Pumpsignalen, typischerweise von
Mehrfachelement-Laserpumpdioden,
in das aktive Verstärkungsmedium über eine
der Seitenflächen des
Mikroresonators einschließen,
um den Mikroresonator zu seiten-pumpen, wodurch zugelassen wird,
dass der Mikrolaser der vorliegenden Erfindung eine größere Resonatorlänge und
-breite aufweist, und Pulse emittiert, die größere Pulsbreiten, Pulsenergien
und mittlere Leistungspegel aufweisen als die Pulse, die typischerweise
von herkömmlichen
Mikrolasern der gleichen Abmessung emittiert werden. Die Kombination
von größerer Länge und
kleinerem Modendurchmesser lässt
es zu, dass die Fresnelzahl des Resonators niedrig bleibt, was einen
transversalen Modenausgang einer niedrigen Ordnung sicherstellt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung verläuft der
Q-Schalter längs
entlang einer der Seitenflächen des
Mikroresonators. Vorzugsweise verläuft der Q-Schalter längs entlang
der Seitenfläche
des Mikroresonators, die gegenüberliegend
der Seitenfläche ist,
durch welche die Pumpsignale eingeführt werden, wodurch ein Pumpen
des aktiven Verstärkungsmediums
erleichtert wird.
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Um
zuzulassen, dass die Pumpsignale von dem aktiven Verstärkungsmedium
aufgenommen werden, ohne zunächst
reflektiert zu werden, kann der Mikrolaser eine Antireflexionsbeschichtung
auf der Seitenfläche
einschließen,
durch welche die Pumpsignale eingeführt werden, und es so zuzulassen,
dass die Pumpsignale, die einen vorbestimmten Bereich von Wellenlängen aufweisen,
in das aktive Verstärkungsmedium
eintreten. Der Mikrolaser dieser Ausführungsform kann auch eine Reflektanzbeschichtung
einschließen,
die auf der Seitenfläche
des Mikrolasers angeordnet ist, entlang welcher der Q-Schalter verläuft, um
die Pumpsignale intern zu reflektieren, wodurch sichergestellt wird,
dass die Pumpsignale, die in das aktive Verstärkungsmedium eingetreten sind,
innerhalb des aktiven Verstärkungsmediums
verbleiben. Alternativ kann eine totale interne Reflektion von den
Seitenflächen
die erforderliche Reflektion bereitstellen.
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Um
es zuzulassen, dass der Mikrolaser Signale einer vorbestimmten Laserwellenlänge über eine
der gegenüberliegenden
Endflächen
emittiert, ist die erste reflektierende Fläche vorzugsweise in hohem Maße reflektierend
für Lasersignale,
die die vorbestimmte Laserwellenlänge aufweisen. Im Gegensatz
dazu ist die zweite reflektierende Fläche vorzugsweise nur teilweise
reflektierend für
Lasersignale, die die vorbestimmte Laserwellenlänge aufweisen. So kann der
Mikrolaser Laserpulse, die die vorbestimmte Laserwellenlänge aufweisen, über die zweite
reflektierende Fläche
emittieren.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die gegenüberliegenden
Endflächen
jeweils unter einem nicht-orthogonalen
Winkel α relativ
zu einer Längsachse
angeordnet, die durch die Mikroresonatorkavität definiert ist und die zwischen
den gegenüberliegenden
Endflächen
verläuft.
In typischer Weise sind die gegenüberliegenden Endflächen jeweils
unter dem gleichen nicht-orthogonalen Winkel α relativ zu der Längsachse
angeordnet. Als Folge der nicht-orthogonalen Beziehung der gegenüberliegenden
Endflächen
zu der Längsachse,
die durch die Mikroresonatorkavität definiert ist, ist der Mikrolaser dieser
Ausführungsform
in der Lage, in Zick-Zack-Resonanzmuster
im Ansprechen auf ein Seitenpumpen des aktiven Verstärkungsmediums
zu unterstützen,
wobei jede Reflexion eine nahezu totale interne Reflexion benutzt,
wenn die Strahllinie von den querlaufenden Flächen des Mikrolasermediums wegspringt.
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Durch
ein Unterstützen
des Zick-Zack-Resonanzmusters wird die effektive Länge der
Mikroresonatorkavität
relativ zu herkömmlichen
Lasern erhöht, die
im Wesentlichen die gleiche physikalische Abmessung aufweisen. In
dieser Hinsicht ist die effektive Länge der Mikroresonatorkavität dieser
Ausführungsform
die Länge
des Zick-Zack-Resonanzpfads, der durch den Mikrolaser eingerichtet
wird, welcher beträchtlich
länger
als die linearen Resonanzpfade ist, die durch herkömmliche
Mikrolaser eingerichtet werden, welche parallel zu der Längsachse
der Resonatorkavität
verlaufen. So kann der Mikrolaser der vorliegenden Erfindung Pulse
emittieren, die eine längere
Pulsbreite und dementsprechend größere Pulsenergien und mittlere
Leistungspegel als die Pulse aufweisen, die durch herkömmliche
Mikrolaser der gleichen physikalischen Abmessung emittiert werden.
Die größere Länge und
Breite des aktiven Mediums des Mikrolasers erleichtern auch eine
Wärmeabfuhr
von der Vorrichtung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Seitenaufrissansicht eines Mikrolasers gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der gewinkelte Endflächen zum Unterstützen eines
Zick-Zack-Resonanzmusters
aufweist; und
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2 eine
Seitenaufrissansicht eines Minilasers gemäß einer weitern vorteilhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachstehend vollständiger unter
Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben werden, in welchen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch auf viele unterschiedliche
Arten verwirklicht werden und sollte nicht so ausgelegt werden,
dass sie auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist;
vielmehr sind diese Ausführungsformen
bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist
und den Umfang der Erfindung Fachleuten vollständig vermittelt. Gleiche Bezugszeichen
beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
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Unter
Bezugnahme nun auf 1 ist ein Mikrolaser 10 gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Mikrolaser schließt einen
Mikroresonator ein, der ein aktives Verstärkungsmedium 12 und
einen Q-Schalter 14 I
(Güteschalter)
unmittelbar neben dem aktiven Verstärkungsmedium aufweist. Obwohl das
aktive Verstärkungsmedium
und der Q-Schalter unterschiedliche Größen aufweisen, weist der Mikroresonator
einer Ausführungsform
eine Gesamtdicke T von 2 bis 3 Millimetern und eine Länge L von
4 bis 10 Millimetern auf. In dieser Ausführungsform weist das aktive
Verstärkungsmedium
vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 Millimetern auf,
und der Q-Schalter weist vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 1 Millimeter
auf.
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Sowohl
der Q-Schalter 14 als auch das aktive Verstärkungsmedium 12 sind
aus einem geeignet dotierten Host- Material gebildet. In typischer Weise ist
das Host-Material Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), obwohl Materialien
wie etwa Yttrium-Vanadat (YVO4) und Yttrium-Lithium-Fluorid
(YLF) eingesetzt werden können.
Zusätzlich
ist, während
eine Vielfalt von Dotiermitteln benutzt werden kann, das aktive Verstärkungsmedium
in typischer Weise mit Neodym (Nd) dotiert und der sättigbare
Absorber ist typischerweise mit vierwertigem Chrom dotiert. In einer
vorteilhaften Ausführungsform,
in welcher das aktive Verstärkungsmedium
epitaktisch auf das Q-Schaltermaterial aufgewachsen ist, kann das
aktive Verstärkungsmedium
stärker
dotiert sein als die aktiven Verstärkungsmedien bestimmter herkömmlicher
Mikrolaser, die gemäß einer
Czochralski-Technik aufgewachsen werden. Beispielsweise kann ein
aktives Verstärkungsmedium,
das aus YAG gebildet ist, mit zwischen ungefähr 2 bis ungefähr 3 Atomprozent
von Nd derart dotiert werden, dass der resultierende Mikroresonator
eine erhöhte
Verstärkung
relativ zu herkömmlich
dotierten Mikrolasern aufweist. In dieser Ausführungsform ist der Q-Schalter
oder der sättigbare
Absorber auch aus YAG gebildet, das mit vierwertigem Chrom dotiert
ist und weist eine optische Dichte von beispielsweise 0,03 bis 0,1
auf. Wie es offensichtlich ist, können jedoch das aktive Verstärkungsmedium
und der sättigbare
Absorber mit unterschiedlichen atomaren Prozentsätzen und unterschiedlichen
Typen von Dotiermitteln dotiert werden, ohne von dem Grundgedanken
und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Der
Mikroresonator einer vorteilhaften Ausführungsform kann auf eine Vielfalt
von Arten gefertigt werden. Beispielsweise kann das aktive Verstärkungsmedium
epitaktisch auf dem Q-Schalter
aufgewachsen werden, wie etwa durch eine Flüssigphasenepitaxie, wie in
der US-Patentanmeldung Nr. 09/337,432 mit dem Titel „Seitengepumpter,
Q-geschalteter Mikrolaser und zugehöriges Herstellungsverfahren" beschrieben. Auf ähnliche
Weise kann der Q-Schalter auf das aktive Verstärkungsmedium epitaktisch aufgewachsen
werden. In jedem Fall ist der resultierende Mikroresonator jedoch
ein monolithischer Aufbau. Zusätzlich
können
das aktive Verstärkungsmedium
und der Q-Schalter durch eine Diffusionsbondierung oder durch einen
optischen Kontakt verbunden werden, bei welchen das aktive Verstärkungsmedium
und der Q-Schalter mit kohärenten Kräften wie
etwa Van-der-Waals-Kräften angezogen werden.
Um das aktive Verstärkungsmedium
und den Q-Schalter durch eine Diffusionsbondierung oder einen optischen
Kontakt sicher zu verbinden, müssen
die angrenzenden Flächen
des aktiven Verstärkungsmediums
und des Q-Schalters extrem sauber und flach sein.
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Ungeachtet
der Materialauswahl des Fertigungsverfahrens dient der sättigbare
Absorber als ein passiver Q-Schalter, um den Einsatz eines Laserns
zu verhindern, bis die Inversionsdichte innerhalb des Mikroresonators
ausreichend hoch ist, d. h. oberhalb einer vorbestimmten Schwelle.
Sobald ein Lasern beginnt, wird der Mikroresonator jedoch eine Reihe
von Pulsen einer vorbestimmten Wellenlänge, d. h. der Laserwellenlänge erzeugen,
welche eine vorbestimmte Pulsbreite aufweisen, obzwar eine längere Pulsbreite
als die Laserpulse, die von herkömmlichen
Mikrolasern erzeugt werden.
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Da
der Mikroresonator in typischer Weise ein länglicher Stab ist, der einen
im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt aufweist, schließt der Mikroresonator
eine Mehrzahl von Seitenflächen
ein, die längs zwischen
gegenüberliegenden
Endflächen 16 verlaufen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung verlaufen das aktive Verstärkungsmedium und der Q-Schalter längs zwischen
den gegenüberliegenden
Endflächen.
So ist das aktive Verstärkungsmedium
angrenzend an die Seitenflächen
des Mikroresonators und definiert diese, während der Q-Schalter angrenzend an
eine gegenüberliegende
Seitenfläche
ist und diese definiert.
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Der
Mikrolaser 10 schließt
auch erste und zweite reflektierende Flächen 18, 20 ein,
die in der Nähe
jeweiliger der gegenüberliegenden
Endflächen 16 angeordnet
sind, um eine Mikroresonatorkavität dazwischen zu definieren.
Wie in 1 gezeigt, können
die ersten und zweiten reflektierenden Flächen aus einer mehrschichtigen
dielektrischen Beschichtung bestehen, die auf die gegenüberliegenden
Endflächen
abgeschieden ist. In einer alternativen Ausführungsform, bei welcher ein
Minilaser, im Gegensatz zu einem Mikrolaser, aufgebaut ist, können die ersten
und zweiten reflektierenden Flächen
durch erste und zweite dichroitische Spiegel gebildet werden, die
in der Nähe,
aber geringfügig
beabstandet von jeweiligen der gegenüberliegenden Endflächen positioniert
sind, wie in 2 gezeigt.
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In
jeder Ausführungsform
weist die erste reflektierende Fläche
18 eine hohe Reflektivität auf, wie etwa
eine Reflektivität
von größer als
99,5% für
Signale, die die vorbestimmte Laserwellenlänge aufweisen, wie etwa 1,064
Nanometer für
einen Mikrolaser, der ein aktives Verstärkungsmedium aufweist, das aus
Nd-dotiertem YAG gebildet ist. Zusätzlich ist die zweite reflektierende
Fläche
20 ein
Teilreflektor, der typischerweise eine Reflektivität von zwischen
85% und 90% für
Signale aufweist, die die vorbestimmten Laserwellenlängen aufweisen.
Siehe auch
US-Patent Nr. 5,394,413 ,
das weiter ein Paar von Spiegeln beschreibt, die die Resonatorkavität eines
Mikrolasers definieren. Sobald das aktive Verstärkungsmedium
12 derart
gepumpt wird, dass die Inversionsdichte innerhalb des Mikroresonators
oberhalb einer vorbestimmten Schwelle ist, wird der Q-Schalter
14 es
zulassen, dass eine Reihe von Pulsen emittiert wird. Als Folge der
Teilreflektivität
der zweiten reflektierenden Fläche
wird die Reihe von Pulsen dann durch die zweite reflektierende Fläche emittiert
werden.
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Der
Mikrolaser 10 schließt
ferner eine Pumpquelle 22 zum Pumpen des aktiven Verstärkungsmediums 12 mit
Pumpsignalen ein. Im Gegensatz zu herkömmlichen end-gepumpten Mikrolasern
ist der Mikrolaser der vorliegenden Erfindung seiten-gepumpt. In
dieser Hinsicht weist der Mikrolaser eine erste zwischen den gegenüberliegenden
Endflächen 16 verlaufende
Seitenfläche 24 auf,
die angrenzend an und definiert durch das aktive Verstärkungsmedium
ist. Durch ein Positionieren der Pumpquelle derart, dass die Pumpsignale über die
erste Seitenfläche des Mikroresonators
zugeführt
werden, wird das aktive Verstärkungsmedium
effektiv seiten-gepumpt.
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Obwohl
die Wellenlänge
der Pumpsignale auf spezifische Materialien, die das aktive Verstärkungsmedium 12 umfassen,
maßgeschneidert
werden kann, wird ein aktives Verstärkungsmedium, das aus Nd-dotiertem
YAG besteht, typischerweise mit Pumpsignalen gepumpt, die eine Wellenlänge von 808
+/– 3
Nanometern aufweisen, gepumpt. Um es zuzulassen, dass die Pumpsignale
durch das aktive Verstärkungsmedium
aufgenommen werden, ohne von der ersten Seitenfläche 24 reflektiert
zu werden, schließt
der Mikrolaser vorzugsweise eine Antireflexionsbeschichtung 26 ein,
die auf die erste Seitenfläche
abgeschieden ist, derart, dass Signale, die die Wellenlänge der
Pumpsignale aufweisen, in die Mikroresonatorkavität mit geringer,
falls überhaupt
einer Reflexion eintreten können.
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Während der
Mikrolaser 10 eine Vielfalt von Pumpquellen 22 einschließen kann,
benutzt der Mikrolaser einer vorteilhaften Ausführungsform eine oder mehrere
lineare Laserdioden-Pumparrays,
die eine kumulative Länge
aufweisen, die nicht größer als
und typischerweise etwas kürzer
als die Länge des
Mikroresonators ist, gemessen entlang seiner Längsachse 28. Durch
ein Benutzen des Laserdioden-Pumparrays wird die Energie, die über das Pumpsignal
zugeführt
wird, erheblich relativ zu der Energie erhöht, die durch die Pumpsignale
einer Einzelstreifen-Laserdiode bereitgestellt werden, die typischerweise
benutzt wird, um herkömmliche
Mikrolaser zu end-pumpen. Beispielsweise stellt ein lineares Laserdiodenarray,
das eine Länge
von ungefähr
1 cm aufweist, im Allgemeinen Pumpsignale bereit, die eine mittlere
Leistung von 15–40
Watt aufweisen, verglichen mit den 1–3 Watt mittlerer Leistung,
die durch Pumpsignale einer Einzelstreifen-Laserdiode bereitgestellt
werden. So kann der Mikrolaser der vorliegenden Erfindung Pulse
erzeugen, die eine größere Pulsenergie
und mittlere Leistung als herkömmliche
end-gepumpte Mikrolaser aufweisen.
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Um
das Seitenpumpen des Mikrolasers 10 zu erleichtern, ist
die Seitenfläche
des Mikroresonators, die angrenzend an und definiert ist durch den Q-Schalter 14,
vorzugsweise mit einer Reflektanzbeschichtung 22 beschichtet,
die eine hohe Reflektivität aufweist,
wie etwa eine Reflektivität
von größer als 99,5%
für Signale,
die die Wellenlänge
der Pumpsignale aufweisen. In der Ausführungsform, bei welcher die
Pumpquelle Pumpsignale zuführt,
die beispielsweise eine Wellenlänge
von 808 +/– 3
Nanometern aufweisen, ist die Reflektanzbeschichtung vorzugsweise
ausgelegt, eine hohe Reflektivität
für Signale aufzuweisen,
die eine Wellenlänge
von 808 +/– 3
Nanometer aufweisen. Wie in den 1 und 2 gezeigt,
ist der Q-Schalter vorzugsweise angrenzend an eine zweite Seitenfläche 30 des
Mikroresonators, die gegenüberliegend
der ersten Seitenfläche 24 ist, über welche
die Pumpsignale aufgenommen werden, und definiert diese. So ist
die Reflektanzbeschichtung ferner vorzugsweise auf die zweite Seitenfläche des
Mikroresonators abgeschieden. Während
die Reflektanzbeschichtung, die auf die zweite Seitenfläche abgeschieden
ist, und die Antireflexionsbeschichtung 26, die auf die
erste Seitenfläche
abgeschieden ist, auf eine Vielfalt von Arten gebildet werden können, werden
die Reflektanzbeschichtung und die Antireflexionsbeschichtung typischerweise
durch die Abscheidung einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten
gebildet, die jeweilige Brechungsindizes aufweisen, die maßgeschneidert
sind, um die geeigneten Reflektivitätseigenschaften bereitzustellen,
wie es Fachleuten bekannt ist.
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Wie
durch die gestrichelten Linien in 1 gezeigt,
unterstützt
der Mikrolaser in vorteilhafter Weise ein Zick-Zack-Resonanzmuster. Da das Zick-Zack-Resonanzmuster
in typischer Weise auf den Q-Schalter an mehreren Orten entlang
der Länge
der Mikroresonatorkavität
auftrifft oder diesen schneidet, kann der Mikroresonator der vorliegenden Erfindung
als eine Mehrzahl von alternierenden Verstärkungs- und sättigbaren
Dämpfungsbereichen
angesehen werden, die in einer Reihenanordnung angeordnet sind,
wobei jeder Q-Schalter ein Lasern verhindert, bis die Inversionsdichte
innerhalb des Mikroresonators ausreichend hoch, d. h. oberhalb einer vorbestimmten
Schwelle ist.
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Die
gegenüberliegenden
Endflächen
des Mikroresonators sind jeweils vorzugsweise unter einem nicht-orthogonalen
Winkel α relativ
zu der Längsachse
angeordnet. Während
die gegenüberliegenden Endflächen unter
einer Vielzahl von nicht-orthogonalen
Winkeln α relativ
zu der Längsachse
angeordnet werden können,
sind die gegenüberliegenden
Endflächen
typischerweise unter einem Winkel α angeordnet, der ungefähr zwischen
30° und
ungefähr
35° relativ
zu der Längsachse
liegt, und üblicherweise unter
einem Winkel von ungefähr
30,9°.
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Die
gegenüberliegenden
Endflächen 16 können jeweils
unter dem gleichen nicht-orthogonalen Winkel α relativ zu der Längsachse 28 angeordnet werden,
die durch die Mikroresonatorkavität definiert ist. Während die
gegenüberliegenden
Endflächen
in der gleichen Richtung orientiert sein können, um so parallel zueinander
zu sein, können
die gegenüberliegenden
Endflächen
statt dessen in entgegengesetzten Richtungen um den gleichen nicht-orthogonalen
Winkel α relativ
zu der Längsachse
orientiert sein, die durch die Mikroresonatorkavität definiert
ist, wie in 1 gezeigt. In jedem Fall unterstützt die
resultierende Mikroresonatorkavität das Zick-Zack-Resonanzmuster, wie
gezeigt.
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Durch
ein Unterstützen
eines Zick-Zack-Resonanzmusters innerhalb der Mikroresonatorkavität ist die
effektive Länge
des Resonanzmusters beträchtlich
länger
als die physikalische Länge
der Mikroresonatorkavität,
gemessen entlang der Längsachse 28.
In dieser Hinsicht ist die effektive Länge des Resonanzmusters durch
den Pfad der Signale definiert, wenn die Signale abwechselnd von
den gegenüberliegenden
Endflächen
des Mikroresonators wegspringen. Für einen Mikrolaser 10,
der derart ausgelegt ist, dass die Signale viermal von den gegenüberliegenden
Seitenflächen
des Mikroresonators reflektieren oder wegspringen, ist die effektive Länge des
Zick-Zack-Resonanzmusters ungefähr drei-
oder viermal länger
als die physikalische Länge der
Mikroresonatorkavität, gemessen
entlang der Längsachse.
Da die Länge
des Resonanzmusters und die physikalische Länge der Resonatorkavität für herkömmliche
end-gepumpte Mikrolaser identisch sind, stellt der Mikrolaser der
vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise eine viel längeres Resonanzmuster
bereit, ohne dass es erforderlich ist, dass physikalische Dimensionen
des Mikroresonators erhöht werden.
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Als
Folge des verlängerten
Resonanzmusters sind die Pulsenergie und die Pulsdauer der Pulse,
die von dem Mikrolaser 10 ausgegeben werden, relativ zu
den Pulsen erhöht,
die von herkömmlichen Mikrolasern
der gleichen Abmessung ausgegeben werden. Beispielsweise wird erwartet,
dass die Pulse, die von dem Mikrolaser der vorliegenden Erfindung
ausgegeben werden, eine Pulsbreite von zwischen 1 und 10 Nanosekunden
aufweisen, und noch typischer zwischen ungefähr 2 und 5 Nanosekunden, verglichen
mit den Pulsen, die von herkömmlichen end-gepumpten
Lasern der gleichen Abmessung ausgegeben werden, welche Subnanosekunden-Pulsbreiten
aufweisen. Als Folge der vergrößerten Pulsbreite
der Pulse, die von dem Mikrolaser der vorliegenden Erfindung ausgegeben
werden, wie auch der Fähigkeit,
den Mikrolaser mit Pumpsignalen zu pumpen, die größere mittlere
Leistungspegel aufweisen, sollte die Energie, die durch die Pulse
geliefert wird, die von dem Mikrolaser der vorliegenden Erfindung
ausgegeben werden, beträchtlich
größer als die
Energie sein, die durch die Pulse geliefert wird, die von herkömmlichen
end-gepumpten Mikrolasern der
gleichen Abmessung ausgegeben werden. In dieser Hinsicht wird erwartet,
dass Pulse, die eine Energie von bis zu 100 μJ aufweisen, von dem Mikrolaser
der vorliegenden Erfindung emittiert werden, im Vergleich zu Pulsenergien
von weniger als ungefähr 35 μJ, die durch
die Pulse bereitgestellt werden, die von herkömmlichen end-gepumpten Mikrolasern
der gleichen Abmessung ausgegeben werden. Dementsprechend wird erwartet,
dass die Pulse, die von dem Mikrolaser der vorliegenden Erfindung
emittiert werden, viel größere mittlere
Leistungen aufweisen, wie etwa 0,1 Watt bis 1 Watt, als die mittlere
Leistung von herkömmlichen
end- gepumpten Mikrolasern,
die typischerweise geringer als 0,1 Watt ist.
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Während der
Mikrolaser 10 der vorliegendend Erfindung auf eine Vielfalt
von Arten angebracht und verpackt werden kann, schließt der Mikrolaser
in typischer Weise ferner eine Wärmesenke 35 ein,
auf welcher der Mikroresonator angebracht ist. Wie in 1 gezeigt,
ist der Mikrolaser vorzugsweise auf der Wärmesenke derart angebracht,
dass die zweite Seitenfläche 30,
die angrenzend an und definiert durch den Q-Schalter 14 ist, der Wärmesenke
gegenübersteht.
So ist die erste Seitenfläche,
durch welche die Pumpsignale eingeführt werden, nicht durch die Wärmesenke
versperrt. Obwohl eine Vielfalt von aktiven und passiven Wärmesenken
benutzt werden können,
ist die Wärmesenke
einer vorteilhaften Ausführungsform
aus einem YAG-Kristall gebildet. Ungeachtet des Typs der Wärmesenke
ist der Mikroresonator vorzugsweise an der Wärmesenke mittels eines thermisch
angepassten Epoxids angebracht, wie etwa einem Aluminiumoxid-gefüllten oder
einem Silber-gefüllten
Epoxid, oder durch mechanische Befestigungsverfahren in Verbindung
mit einem Wärmeübergangsmaterial,
z. B. Indiummetall, Wärmesenkenfett
oder dergleichen. Wie in der oben bezeichneten US-Patentanmeldung Nr.
09/337,432 mit dem Titel "Side
Pumped, Q-Switched
Microlaser and Associated Fabrication Method" beschrieben, schließt der Mikrolaser im Allgemeinen
auch ein Gehäuse
ein, in welchem der Mikroresonator und die Pumpquelle 22 angeordnet
sind. So kann die Pumpquelle geeignet bezüglich der ersten Seitenfläche 24 des
Mikroresonators positioniert werden, und sowohl der Mikroresonator
als auch die Pumpquelle können
vor Umgebungs- oder anderen schädlichen
Einflüssen
geschützt
werden.
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Wie
Fachleuten offensichtlich ist, ist der Mikrolaser 10 der
vorliegenden Erfindung in seiner Fähigkeit äußerst vorteilhaft, Pulse zu
liefern, die längere
Pulsbreiten und größere Pulsenergien
als die Pulse aufweisen, die von herkömmlichen end-gepumpten Mikrolasern
von im Wesentlichen der gleichen Abmessung geliefert werden. So
ist der Mikrolaser der vorliegenden Erfindung vorteilhaft für eine Vielfalt von
Anwendungen einschließlich
Markieren, Mikrobearbeiten, LIDAR und anderen Vermessungsanwendungen.
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Viele
Modifikationen und andere Ausführungsformen
der Erfindung werden Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung ersinnen,
die den Nutzen ziehen aus den Lehren, die in den voranstehenden Beschreibungen
und den zugeordneten Zeichnungen dargestellt sind. Deswegen ist
zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten
Ausführungsformen
beschränkt
ist, und dass vorgesehen ist, dass Modifikationen und andere Ausführungsformen
in den Umfang der angehängten
Ansprüche
eingeschlossen sind. Obwohl spezifische Ausdrücke hierin gebraucht werden,
werden sie nur in einem generischen und deskriptiven Sinn verwendet
und nicht zu Zwecken einer Beschränkung.