DE60309313T2

DE60309313T2 - Festkörperlaser, gepumpt von einer Laserdiode mit einem konvergenten Bündel

Info

Publication number: DE60309313T2
Application number: DE60309313T
Authority: DE
Inventors: Louis Mc Donagh
Original assignee: Lumera Laser GmbH
Current assignee: Lumera Laser GmbH
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2023-08-12
Also published as: ATE343861T1; US7876802B2; DE60309313D1; EP1507321B1; EP1507321A1; US20050036532A1

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laser und insbesondere auf Laseroszillatoren und -verstärker mit großer Verstärkung und hoher Ausgangsleistung.
Hintergrund der Erfindung
Da Laser mehr und mehr Verwendungen in der Forschung, der Industrie und der Medizin neben anderen Gebieten finden, profitieren viele Anwendungsmöglichkeiten von Laserquellen mit gestiegener Ausgangsleistung, Einfachheit oder schlicht Kompaktheit. Allerdings ist es oftmals schwierig, einen Laseroszillator mit hoher Ausgangsleistung zu entwerfen, welcher die gewünschten räumlichen (Strahlqualität, Fundamentalmode-Betrieb), zeitlichen (Pulslänge, Pulswiederholfrequenz) und spektralen Charakteristiken (spektrale Bandbreite) zusammen mit einem stabilen und rauscharmen Betrieb bietet, sofern es nicht schon ganz unmöglich ist mit den aktuell zugänglichen Technologien.
Eine Möglichkeit zur Realisierung eines Lasers, welcher viele dieser Eigenschaften aufweist und einen beugungsbegrenzten Ausgangsstrahl erzeugt, besteht darin, ein Festkörperlasermaterial optisch endzupumpen. Der Ausgang der pumpenden Laserdiode kann zu dem Kristall durch eine Reihe von Optiken und Linsen geleitet werden oder durch eine fokussierende Optik mit Hilfe einer optischen Faser. Die letztgenannte Lösung wird häufig angewandt, weil sie einen kreisförmig homogenen Strahl zur Verfügung stellt, welcher eine optimale Pump/Lasermodenanpassung erlaubt. Die Ausgangsfläche der Faser wird dann auf oder nahe der Frontfläche des Lasermediums abgebildet. Die Wahl des Pumpstrahldurchmessers wird festgelegt durch die Größe der Mode in dem Lasermedium, da beide für eine effiziente Energieausbeute mit in etwa gleicher Größe ausgerüstet sein sollten. Hinzu kommt, dass die Lasermode und der Pumpstrahl klein genug einzurichten sind, um der Größe der TEM₀₀-Mode im Verstärkermedium zu entsprechen, wodurch eine große Verstärkung sichergestellt ist, die im allgemeinen die gewünschten Ausgangscharakteristika (geringes Rauschen, kurze Q-Switch- oder Mode-Lock-Pulse, geringe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen) favorisiert. Durch Verringerung der Verstärkung des Lasermediums erhöht sich die Laserschwelle, welche generell das Rauschen verstärkt sowie eine längere Aufbauzeit und Pulslänge für Q-Switch-Oszillatoren und längere Pulse bei modengekoppelten Oszillatoren hervorruft. Die Wahl der Pump/Modengröße begrenzt folglich den Betrag an Pumpenergie, welcher eine vorgegebene Oberfläche beaufschlagen kann, bevor thermische Effekte, ausgeprägte thermische Linseneffekte, Wölbungen der Frontfläche und im schlimmsten Fall ein Bersten des Lasermediums auftritt. Die Verstärkung und die Ausgangsleistung, welche aus dem Lasermedium in einem TEM₀₀-Strahl herausgeholt werden können, sind folgerichtig limitiert. Ein Weg, um diese Grenze zu erhöhen, besteht darin, die Pumpabsorption im Verstärkungsmedium zu verringern, indem die Absorption auf einer größeren Länge erfolgt. Dies wird normalerweise erreicht, indem das Dotierungsniveau des (Laser-)Materials verringert wird. Diese Technik und verschiedene Ausführungsformen werden von Cheng et al. „Lasers with low doped gain medium" im US Patent 6 185 235 beschrieben. Allerdings muss die Absorption so angepasst werden, dass das Gros des Pumplichtes in einem Bereich absorbiert wird, in welchem der Pumpstrahl die Lasermode überlappt. Unglücklicherweise begrenzt die geringe Strahlqualität der Pumplaserdiode im Vergleich zu der Lasermode die Absorption auf einen Bruchteil der Länge des Verstärkungsmediums. Sämtliche nicht absorbierte Pumpstrahlung innerhalb dieser kurzen Länge divergiert im Vergleich zu der TEM₀₀-Fundamental-Lasermode und steht demzufolge für den Verstärkungsprozess nicht zur Verfü gung sowie erlaubt möglicherweise eine Oszillation von Moden mit höherer Ordnung. Aus diesem Grund ist die maximale Ausgangsleistung begrenzt, welche von einem beugungsbegrenzten Strahl geliefert wird.
Ein Weg zur weiteren Steigerung der Ausgangsleistung liegt in einem Master-Oszillator-Power-Amplifier (MOPA)-System. Es setzt sich aus einem Oszillator mit geringer oder mittlerer Ausgangsleistung, welcher die gewünschten und zuvor erwähnten Eigenschaften (räumliche, zeitliche und spektrale Charakteristika) aufweist, gefolgt von einer oder mehreren Verstärkungsstufen zusammen. Diese (Verstärkungsstufen) sollen die Ausgangsleistung des Laserstrahls steigern, während die räumlichen, zeitlichen und spektralen Eigenschaften beibehalten werden. Bei einem Laseroszillator wird die Grenze an aufzuwendender Pumpenergie durch die physikalischen Grenzen des Lasermediums vorgegeben, bevor thermisch bedingte Störungen und letztendlich eine Zerstörung des Lasermediums auftritt. Die Wahl des Durchmessers des Pumpstrahls im Verstärker wird vorgegeben durch die Größe des erzeugten Strahls im Lasermedium, weil beide für eine effiziente Energienutzung dieselbe Größe aufweisen sollten. Umgekehrt sollte der erzeugte Strahl klein genug gehalten werden, um die Sättigungsintensität zu erreichen oder sich dieser anzunähern, damit eine effiziente Ausnutzung der Pumpenergie sichergestellt wird. Diese Wahl begrenzt dann den Betrag der Pumpenergie, mit welcher eine vorgegebene Oberfläche beaufschlagt werden kann, bevor thermische Effekte, ausgeprägtes thermisches Linsenverhalten, Wölbungen der Frontfläche und schließlich ein Bruch des Mediums beobachtet werden. Der Verstärkungsfaktor und die Ausgangsleistung, die aus dem Verstärker gewonnen werden können, sind demzufolge begrenzt. Wie zuvor für einen Oszillator beschrieben, ermöglicht die Verringerung der Pumpabsorption und demzufolge das Anwachsen der Absorptionslänge eine Erhöhung der Grenze der Pumpenergie, bevor unerwünschte thermo optische Effekte auftreten. Allerdings sollte die Absorption angepasst werden, sodass das Gros des Pumplichts in einem Bereich absorbiert wird, in welchem der Pumpstrahl den erzeugten Strahl überlappt. Unglücklicherweise begrenzt die geringe Pumpstrahlqualität im Vergleich zu derjenigen des erzeugten Strahls diese Absorption auf einen Bruchteil der Länge des Verstärkungsmediums. Sämtliche nicht absorbierte Pumpstrahlung innerhalb dieser kurzen Länge divergiert außerhalb des erzeugten Strahls und ist demzufolge für den Verstärkungsprozess verloren. Als Konsequenz hiervon ist die gesamte Ausgangseffizienz für einen beugungsbegrenzten erzeugten Strahl vermindert. Darüber hinaus können die nicht entleerten Pumpregionen zu parasitären Oszillationen oder verstärkter spontaner Emission führen, welche die Effizienz des Verstärkungsprozesses vermindert.
Ein solches System ist gebaut worden, welches einen modengekoppelten Oszillator (ca. 4 Watt) auf eine höhere Ausgangsleistung (42 Watt) verstärkt, wie dies bei Nebel et al. im Post-Deadline-Paper CPD3, CLEO 1998 beschrieben wird. Ein solch hoher Verstärkungsfaktor wurde durch eine Reihe von Verstärkungsstufen erreicht. Jede dieser Verstärkungsstufen besteht aus einem Neodym-Vanadat-Kristall, welcher mit Hilfe von zwei fasergekoppelten Laserdiodenleisten endgepumpt wird. Obgleich ein solches Schema eine gute Leistung zur Verfügung stellt, ist der Verstärkungsfaktor jeder Stufe begrenzt, sodass mehrere Verstärkungsstufen in Reihe benutzt werden müssen. Da die Komponenten (fasergekoppelte Dioden, Kristalle, zugehörige Optiken) teuer sind, verhindern die Komplexität und die Kosten eines solchen Systems dessen Anwendung in einem zuverlässigen und kostengünstigen Produkt.
Andere Systeme sind gebaut worden (Marshall, US Patent 6144 484), welche einen Basisstrahl mit einer Leistung von 100 Milliwatt bis 10 Watt verstärken, und zwar mit einem maxima len Verstärkungsfaktor von zwei. Nichtdotierte Endkappen sind an die Kristallenden per Diffusion gebondet worden, um als thermisches Reservoir zu fungieren und auf diese Weise die durch die Absorption des Pumplichtes in der dotierten Region des Kristalls erzeugte Hitze aufzunehmen, während das Pumplicht selbst nicht absorbiert wird. Das führt zu einer reduzierten pumpinduzierten Wölbung des Kristalls und einer geringeren Temperatur des gepumpten Kristallvolumens im Vergleich zu freien Enden. Dadurch wird ein reduzierter thermischer Linseneffekt mit weniger thermischen Linsenabweichungen erzeugt, welcher im Endeffekt die maximal anwendbare Pumpenergie erhöht. Obwohl es sich insofern um eine Verbesserung des klassischen Endpumpens handelt, erlaubt dies eine beachtlich höhere auf den Kristall einwirkende Energie, wobei der maximale Verstärkungsfaktor nach wie vor auf ungefähr zwei begrenzt ist. Darüber hinaus verhindern die Kosten und die begrenzte Verfügbarkeit solcher Kristalle mit diffussionsgebondeten Endkappen ihren Einsatz in einem Produkt.
Ferner ist ein anderes System gebaut worden, welches einen Strahl mittlerer Energie zu höherer Ausgangsenergie verstärkt, wie es von Kafka et al. im US Patent 6 417 955 beschrieben wird. Die Verstärkung wird in einem 12mm langen Vanadat-Kristall mit niedriger Dotierung (0,15% atm.) erreicht, welcher durch eine Laserdiodenleiste endgepumpt wird. Das Pumplicht wird vergleichmäßigt und von der Diodenleiste zum Kristall geleitet, indem ein goldbeschichteter hohler Trichter zum Einsatz kommt. Pumpenergien von nahezu 175 Watt beaufschlagen den Kristall und führen zu mehr als 55 Watt an Ausgangsenergie. Obwohl das Konzept einfach ist und wenige Komponenten benötigt, ist es ein Problem, eine hohe Strahlqualität zusammen mit einem hohen Verstärkungsfaktor beizubehalten. Das erklärt sich auf Grund der Tatsache, dass eine starke Fokussierung des Pumplichtes erforderlich ist, um eine hohe Verstärkung in Verbindung mit einer effizienten Energie ausnutzung zu erreichen, welche zu thermisch induzierten Strahlstörungen führt. Darüber hinaus muss Sorge dafür getragen werden, ein Pumplichtverteilungssystem zu gestalten oder auszuwählen, welches einen homogenen Pumplichtfleck erzeugt und heiße Flecken oder Verstärkungsinhomogenitäten vermeidet, die das Profil des erzeugten Strahls während der Verstärkung stören. Daneben lässt sich dieses Konzept nicht bei Systemen mit niederer Energie anwenden und ist viel besser für fasergekoppelte oder strahlgeformte Pumpsysteme mit einer einzigen Laserleiste geeignet.
Eine andere Lösung, um einen Verstärker hoher Ausgangsleistung zur Verfügung zu stellen, besteht darin, den erzeugten Strahl bzw. Basisstrahl mehrfach durch das Verstärkungsmedium passieren zu lassen. Der erzeugte Strahl wird dabei aufgeweitet im Vergleich dazu, was für eine effiziente Energieverwertung in einem einzigen Durchgang erforderlich wäre, sodass ein größerer Pumpfleck erforderlich ist und demzufolge eine höhere Pumpenergie angewandt werden kann. Der gering intensive Basisstrahl wird demzufolge mehrere Male durch die gepumpte Region geführt, sodass die geringe Energieausbeute jedes Durchgangs insgesamt zu einer hohen Ausbeuteeffizienz aufsummiert wird. Ein solches System wird von Kafka et al. im US Patent 5 812 308 beschrieben und beinhaltet einen 1,8 Watt modengekoppelten Oszillator, welcher bis auf 6 Watt in einem einfach endgepumpten Vanadat-Verstärker mit vierfachem Durchlauf verstärkt wird. Obwohl ein Verstärkungsfaktor von mehr als drei erreicht wird, würde eine Anpassung des Aufbaus an höhere Ausgangsenergieen eine Reduktion der Dotierung des Kristalls erfordern und demgegenüber seine Länge vergrößern. Daher ist es schwierig, einen guten Überlapp zwischen den vier Durchgängen und dem gepumpten Volumen über die gesamte Länge des Kristalls zu erreichen und gleichzeitig einen beugungsbegrenzten Ausgangsstrahl beizubehalten.
Ein weiteres System ist gebaut worden, welches eine Quelle niedriger Leistung bis auf mittlere Ausgangsleistung verstärkt und hierbei einen Verstärkungsfaktor von mehr als fünfzig erreicht. Verschiedene Ausführungsformen, die Nd:YAG und Nd:YVO₄ basierte Verstärker enthalten, werden von Forget et al., Applied Physics B, Lasers and Optics, 2002 beschrieben. Der Ausgang eines Mikrochip-Lasers von ungefähr 100 Milliwatt wird bis auf über 5 Watt in einem dreidimensionalen Schema mit Mehrfachdurchlauf verstärkt. Allerdings ist ein solches System kompliziert und erfordert viele optische Komponenten, um beste Leistung zu beobachten. Darüber hinaus ist es wie bei dem zuvor erwähnten Verstärker mit Vierfachdurchgang ein Problem, eine Anpassung an höhere Ausgangsenergie vorzunehmen, wobei gleichzeitig eine gute Pump/Basismodenanpassung in einem langen Kristall beibehalten wird, wenn ein beugungsbegrenzter Ausgangsstrahl gewünscht wird.
Im Gegensatz zur Lösung nach der, vorliegenden Erfindung erfordert konventionelles Endpumpen eine hohe Absorption des Pumplichtes in der Nähe seiner Auftrittsfläche, bevor die Größe des Pumpstrahls in Folge von Divergenz zu stark wächst und dadurch die Signal/Pumpmodenanpassung verloren geht. Auf diese Weise ist sämtliches Pumplicht verloren, welches im Volumen absorbiert wird, dass die Signalmode umgibt und trägt nicht zur Verstärkung bei, wenn ein TEM₀₀- Betrieb gewünscht wird. Eine solche Anforderung an hohe Absorption begrenzt den Betrag an Pumpenergie, welcher zur Beaufschlagung des Lasermediums mit einer bestimmten Modengröße angewandt werden kann. Ein Anwachsen der Pumpenergie erzeugt Effekte wie einen thermischen Linseneffekt, Aberrationen und Wölbungen der Kristallfrontfläche, die den Signalstrahl effektiv stören und schlußendlich zum Kristallbruch führen. Es ist demzufolge nicht möglich, einen Laserverstärker mit hoher Ausgangsenergie und großer Effizienzausbeute durch eine solche konventio nelle Technik des Endpumpens zu erhalten und gleichzeitig die hohe Strahlqualität eines TEM₀₀ oder nahezu beugungsbegrenzten Strahles beizubehalten.
Die US-A-4 731 795 offenbart in 2 einen endgepumpten Laser, welcher von einer Laserdiode gepumpt wird und ein Verstärkungsmedium aufweist, welches durch den Lichtstrahl der Laserdiode gepumpt wird und dessen Einkoppelfläche des Verstärkungsmediums eine ungefähr vier Mal so große Fläche im Vergleich zur Ausgangsfläche aufweist. Das Verstärkungsmedium ist Teil eines Laseroszillators in einem Resonator, welcher aus der reflektierenden Oberfläche des Verstärkungsmediums und dem Ausgangskoppler gebildet wird.
Die US-A-6 533 052 beschreibt in 4 einen Laserverstärker mit einem Doppeldurchlauf von zu verstärkendem Licht, welches von einem Laseroszillator ausgesandt wird und zeigt in 6 einen Doppeldurchlauf von Pumplicht in einem Laserverstärker, um die Ausgangsenergie zu optimieren.
Demzufolge besteht ein Bedürfnis nach einem einfachen Modulkonzept mit hoher Verstärkung und hoher Ausbeuteeffizienz, um dieses in einem Laseroszillator mit hoher Strahlqualität oder einem Verstärker einzusetzen, der für verschiedene Signal- und Pumpbereiche eingesetzt werden kann. Die Verwendung eines einzigen Hochenergieoszillators anstelle eines MOPA-Systems oder eines einzelnen Verstärkers anstelle von Vielstufen- oder Mehrfachdurchlaufschemata erlaubt eine Reduzierung der Kosten und Komplexität und führt demzufolge zu wettbewerbsfähigeren und funktionssicheren Produkten.
Darüber hinaus besteht ein weiteres Bedürfnis nach einem endgepumpten Schema, welches eine Erhöhung der Pumpabsorptionslänge erlaubt und demzufolge der Pumpenergie, während ein guter Überlapp mit dem erzeugten Strahl beibehalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Demzufolge besteht das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem darin, einen endgepumpten Laseroszillator oder Laserverstärker mit hoher Verstärkung und hoher Ausgangsleistung zur Verfügung zu stellen.
Ein System mit einem Verstärkungsmodul für Laser oder Verstärker, welches eingesetzt werden kann, um eine hohe Verstärkung und hohe Ausgangsenergie bei einem endgepumpten Laseroszillator oder Laserverstärker in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zur Verfügung zu stellen, wird im Anspruch 1 beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 stellt ein schematisches Diagramm der Verstärkergeometrie der vorliegenden Erfindung dar.
2 zeigt eine Grafik, die die absorbierte Pumpenergie pro Längeneinheit, den Strahlquerschnitt und die absorbierte Pumpenergiedichte zusammen mit der Länge des Kristalls der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 zeigt ein Schema einer Ausführungsform eines kompletten MOPA- Systems.
4 stellt ein Schema dar, welches eine Ausführungsform eines MOPA-Systems widerspiegelt, in welchem das Pumplicht während eines Zweifachdurchgangs absorbiert wird.
5 ist ein Schema, welches eine Ausgestaltung eines kompletten MOPA-Systems darstellt, bei welchem der erzeugte Strahl zweifach das Verstärkungsmedium passiert.
6 zeigt ein Schema, das eine Ausgestaltung der Erfindung in einem Laseroszillator darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 stellt ein Basisschema der Erfindung dar, bei welchem ein Lasermedium 101 an einem Ende 102 mit einem Strahl 107 gepumpt wird, während der Signalstrahl oder die zu verstärkende Lasermode 106 in das Lasermedium 101 vom anderen Ende 103 her in das Lasermedium 101 eintritt. Die Strahltaille 104 des Pumpstrahls 107 befindet sich auf oder in der Nähe des Endes bzw. der Eintrittsfläche 103. In jedem Fall sollte die Fläche des Pumpstrahls an dem einen Ende bzw. der Eintrittsfläche 102 größer als an der Ausgangsfläche 103 sein. Der Signalstrahl oder die Lasermode 106 wird vor der Eintrittsfläche 103 fokussiert, um die gewünschte Divergenz im Lasermedium 101 zu erreichen. Indem die Position der Strahltaille 105 des Signals und seine Divergenz eingestellt wird, lässt sich eine optimale Modenanpassung mit dem gepumpten Volumen erreichen. Bei dem Lasermedium 101 handelt es sich vorzugsweise aber nicht ausschließlich um ein Festkörpermedium. Eine Vielzahl verschiedener Festkörperverstärkungsmedien können eingesetzt werden. Diese beinhalten und sind nicht eingeschränkt auf Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO₄ oder Yb:YAG-Kristalle und Nd:Glas. Allerdings weist eine bevorzugte Ausführungsform einen Nd:YVO₄-Kristall auf, welcher wegen seines großen Emissionsquerschnittes und seiner natürlichen Doppelbrechung ausgewählt wurde und ihn so zu einem idealen Kandidaten macht, um eine hohe Verstärkung, große Ausgangsleistung und eine hohe Energieausbeute bei einem Festkörperlaseroszillator oder- verstärker zu realisieren. Die Wahl der Geometrie des Lasermediums 101 beinhaltet beispielsweise einen Stab, einen Block, oder eine Tafel. Demzufolge mögen der Pumpstrahl und die Lasermode ein kreisförmiges Profil bei einem block- oder stabförmig geformten Verstärkungsmedium oder ein elliptisches Profil bei einem tafelförmigen Verstärkungsmedium aufweisen. In letztgenanntem Fall kann der Pumpstrahl kollimiert werden oder eine reduzierte Divergenz in Richtung der geringsten Ausdehnung der Tafel und eine größere Divergenz in Richtung der Breite der Tafel aufweisen, sodass die Fläche des Pumpstrahls vom Eingang zum Ausgang reduziert wird. Allerdings befasst sich die nachfolgende Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus Gründen der Einfachheit mit kreisförmigen Strahlen.
Die Fläche des Signalstrahls 106 auf der Ausgangsfläche 103 wird gering genug eingestellt, um eine effiziente Energieausbeute direkt nach dem Eintritt in das Lasermedium 101 sicherzustellen, wobei der Signalstrahl 106 ein mit hoher Verstärkung gepumptes Volumen durchmisst, sodass die Fläche des Pumpstrahls 107 (Querschnittsfläche) auf der Eingangsfläche 102 viel größer eingestellt werden kann, sodass höhere Pumpenergie im Vergleich zu konventionellem Endpumpen angewandt werden kann, während gleichzeitig eine hohe Laserstrahlqualität beibehalten wird. Da der Signalstrahl 106 durch das Verstärkermedium wandert, weitet er sich in der Größe in Folge seiner inhärenten Divergenz auf und steigert seine Energie in Folge der Verstärkung. 2 zeigt, wie der Pumpstrahl 107 herunterfokussiert wird, sodass die Leistungsabnahme in Folge der Absorption durch die Verringerung der Strahlfläche kompensiert wird und auf diese Weise eine in etwa konstante Pumpenergiedichte sichergestellt wird. Der Graph zeigt das Beispiel eines 20 mm langen Verstärkungsmediums 10, bei welchem die Eingangsfläche 102 des Pumpstrahls 107 an der Position 0 mm platziert ist und die Ausgangsfläche 103 die Position „20mm" markiert. Die absorbierte Pumpenergiedichte oder die Verstärkung pro Flächeneinheit 113, welche proportional zur lokal absorbierten Pumpenergie pro Längeneinheit 111 dividiert durch die lokale Strahlfläche 112 ist, wird in etwa konstant gehalten entlang der gesamten Länge des Verstärkungsmediums 10. Demzufolge kann eine vorsichtige Einstellung sämtlicher Parameter sicherstellen, dass die Signalenergiedichte auf ein ausreichendes Niveau eingestellt wird, um eine effiziente Energieausbeute von der Eingangsfläche 102 bis zur Ausgangsfläche 103 des Lasermediums 10 sicherzustellen. Der spezielle Graph beschreibt polarisiertes Pumpen oder unpolarisiertes Pumpen eines Verstärkungsmediums, welches eine polarisationsunabhängige Absorption aufweist und demzufolge zu einer perfekten exponentiellen Absorption korrespondiert. Diese Konfiguration erlaubt eine optimale Aufweitung des absorbierten Pumplichts entlang der gesamten Länge des Verstärkermediums, sodass die Hitzebelastung an der Eingangsfläche 102 des Pumpstrahls im Vergleich zu unpolarisiertem Pumpens eines Materials, welches eine polarisationsabhängige Absorption aufweist (zum Beispiel Nd:YVO₄), reduziert ist. In letztgenanntem Fall wird das meiste des entlang der stark absorbierenden Achse des Mediums polarisierte Pumplicht in der Nähe der Eingangsfläche absorbiert, was zu einer hohen Hitzebelastung führt. Im Gegensatz dazu erfährt das entlang der schwächeren Absorptionsachse absorbierte Licht eine viel größere Absorptionslänge und führt möglicherweise zu Verlusten durch die Ausgangsfläche. Demzufolge ist die maximal anwendbare Pumpenergie durch die starke Absorption einer Achse begrenzt, bevor thermische Effekte (thermischer Linseneffekt, Aberrationen, Wölben der Flächen des Mediums und sogar ein Bruch des Mediums) den Laservorgang zu stark stören. Diesen speziellen Fall von polarisationsunabhängiger Absorption beschreibt die Erfindung, da sie die zuvor beschriebenen Vor teile zur Verfügung stellt, nämlich es zu erreichen, eine höhere Pumpenergie anwenden zu können.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, reduziert sich die Fläche des Pumpstrahls beim Durchgang durch das Verstärkungsmedium 101 um einen bestimmten Faktor, welcher bevorzugt größer als 2, insbesondere größer als 3 und ganz besonders bevorzugt größer als 4 ist. Darüber hinaus sind die Abmessungen so gewählt, dass der Signalstrahl 106 im wesentlichen entlang seines gesamten Durchgangs durch das Verstärkungsmedium 101 den Pumpstrahl 107 überlappt oder einen geringeren Querschnitt aufweist, um das Signal beizubehalten oder die Strahlqualität der Lasermode.
Die generelle Gestaltung der Erfindung wird beschrieben und erläutert in den 1 und 2. Spezifische Ausgestaltungen sind Gegenstand der 3 bis 6. Diese zeigen verschiedene Beispiele zur Integration der Erfindung in einen Laserverstärker oder -oszillator, wobei sämtliche Basisausführungsformen beibehalten werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 3 beschrieben. Ein von einer bestimmten Laserquelle 1 stammender Signalstrahl 15 wird durch eine divergierende Linse 2 aufgeweitet, dann durch eine Linse 3 kollimiert und schließlich mit Hilfe einer Linse 4 fokussiert. Das Licht 14 einer Pumplaserdiode 5 wird dem Aufbau durch ein Verteilungssystem 6 zugeführt. Das Pumpsystem kann eine fasergekoppelte einzelne Diode, einen Stab oder eine Zeile mit oder ohne Mikrooptik oder verschiedene strahlformende und homogenisierende Optiken aufweisen, ist hierauf allerdings nicht eingeschränkt. Sein divergenter Ausgang wird durch eine Linse 7 kollimiert und dann durch eine Linse 8 fokussiert. Das Pumplicht passiert anschließend eine zweifarbige Platte 9, welche eine hohe Transmission bei der Pumpwellenlänge in Ver bindung mit einer hohen Reflexion bei der Signalwellenlänge auf seiner dem Lasermedium 10 zugewandten Seite zur Verfügung stellt. Das Pumplicht und das Signal treten in das Verstärkungsmedium 10 wie in 1 beschrieben ein. Der verstärkte Signalstrahl wird dann von dem gegenläufigen Pumpstrahl durch Reflexion an der zweifarbigen Platte 9 getrennt. Schlußendlich mag der Signalstrahl erneut geformt oder kollimiert werden, um die gewünschten Ausgangsstrahleigenschaften zu erhalten. Beispielsweise kann der Ausgangsstrahl durch eine Linse 11 kollimiert werden, wobei sein Durchmesser durch einen umgekehrten Strahlaufweiter mit zwei Linsen 12 und 13 reduziert wird, wie dies die 4 darstellt.
Eine andere mögliche Verbesserung der Erfindung zeigt die 4. In den Figuren sind Elemente mit ähnlicher oder gleicher Funktion durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet. Obwohl die generelle Ausgestaltung ähnlich derjenigen in 3 ist, wird das Pumplicht zweifach durch das Lasermedium hindurchgeführt. Die Absorption ist demzufolge reduziert um einen höheren Verlust nach einem Durchgang zu Verfügung zu stellen, wohingegen die gewünschte vollständige Absorption nach den zwei Durchgängen steigt. Die effektive Absorptionslänge wird demzufolge verdoppelt im Vergleich zu einer einfachen Absorption des Pumplichtes bei gleicher insgesamt absorbierter Energie. Dadurch reduziert sich die Hitzebelastung in der Nähe der Eingangsfläche des Pumplichts, sodass thermooptische Effekte wie zum Beispiel Wölbungen, Aberrationen und thermische Linseneffekte reduziert sind. Zugleich kann die maximal anwendbare Pumpenergie im Vergleich zu einer Absorption mit Einmaldurchgang gesteigert werden. Wenn man berücksichtigt, dass der zweite Durchgang des Pumplichtes einen geringeren Querschnitt auf der Eingangsfläche im Vergleich zur Ausgangsfläche aufweist, muss dafür Sorge getragen werden, dass die Temperatur des Verstärkungsmediums, Materialspannungen und thermooptische Effekte in einem akzeptablen Rahmen bleiben, um eine zuverlässige Arbeitsweise des Verstärkungsmoduls sicherzustellen und ausgeprägte thermische Linseneffekte und einen Bruch des Mediums zu vermeiden. Das kann ermöglicht werden, weil die im zweiten Durchgang aufgenommene Energie des Pumplichtes nur einen Bruchteil der eingestrahlten Pumpenergie darstellt. Die Absorption des Pumplichtes in einem zweifachen Durchlauf stellt demzufolge eine mögliche Verbesserung des Grundkonzeptes nach 1 dar.
Ein von einer Laserquelle 1 stammender Signalstrahl 15 wird durch eine divergierende Linse 2 aufgeweitet, dann durch eine Linse 3 kollimiert und schließlich mit Hilfe einer Linse 4 fokussiert. Ein zweifarbiger Spiegel 16, welcher eine hohe Reflektivität für die Signalwellenlänge und eine hohe Transmission für die Pumpwellenlänge aufweist, reflektiert diesen fokussierten Signalstrahl 15 in den Kristall 10. Das Licht 14 einer Pumplaserdiode 5 wird dem Aufbau über ein Verteilungssystem 6 zugeführt, welches eine optische Faser beinhalten kann, hierauf aber nicht beschränkt ist. Sein divergenter Ausgang wird von einer Linse 7 kollimiert und dann durch eine Linse 8 fokussiert. Das Pumplicht passiert daraufhin eine zweifarbige Platte 9, welche eine hohe Transmission bei der Pumpwellenlänge zusammen mit einer hohen Reflexion bei der Signalwellenlänge auf seiner dem Lasermedium näheren Seite zur Verfügung stellt. Sowohl das Pumplicht als auch das Signallicht treten beide in das Verstärkungsmedium 10 wie in 1 beschrieben ein. Das verbliebene Pumplicht, welches nicht während des ersten Durchlaufs im Verstärkungsmedium 10 absorbiert worden ist, wird durch eine zweite zweifarbige Platte 16 geleitet und dann über den gleichen optischen Pfad mit Hilfe eines hochreflektierenden Elementes für das Pumplicht zurückreflektiert. Hierbei kann es sich zum Beispiel um einen gekrümmten Spiegel 17 oder eine Kombination einer Linse mit einem Spiegel handeln. Der Pumpstrahl passiert erneut die zweifarbige Platte 16, bevor er in das Ver stärkungsmedium 10 eintritt. Der verstärkte Signalstrahl wird von dem Pumpstrahl durch Reflexion an der zweifarbigen Platte 9 getrennt. Schlußendlich kann der verstärkte Strahl in seiner Form wiederhergestellt oder kollimiert werden, um die gewünschten Ausgangsstrahlcharakteristika zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann der Ausgangsstrahl durch eine Linse 11 kollimiert werden, wobei sein Durchmesser mit Hilfe eines umgekehrten Strahlaufweiters mit Linsen 12 und 13 verringert wird.
Eine weitere verbesserte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in 5 vorgestellt. Ein von einer Laserquelle 1 stammender Signalstrahl 15 passiert einen optischen Isolator 19, welcher einen in einer Richtung polarisierten und auf einer Achse fortschreitenden Strahl durchlässt, während ein in entgegengesetzter Richtung verlaufender Strahl gleicher Polarisierungsachse abgelenkt wird. Eine solche Komponente wird in der Regel realisiert, indem ein Faraday-Rotator zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren plaziert wird. Der transmittierte Strahl wird anschließend mit Hilfe einer divergierenden Linse 2 aufgeweitet, mit Hilfe einer Linse 3 kollimiert und schließlich mit der Linse 4 fokussiert. Das Licht 14 einer Pumplaserdiode 5 wird dem Aufbau über ein Verteilungssystem 6 zugeführt, welches eine optische Faser beinhalten kann, hierauf aber nicht beschränkt ist. Sein divergenter Ausgang wird mit Hilfe einer Linse 7 kollimiert und dann durch eine Linse 8 fokussiert. Das Pumplicht passiert anschließend eine zweifarbige Platte 9, welche eine hohe Transmission bei der Pumpwellenlänge zusammen mit einer hohen Reflektivität bei der Signalwellenlänge auf seiner dem Lasermedium zugewandten Seite zur Verfügung stellt. Das Pumplicht und das Signal treten beide in das Verstärkungsmedium 10 wie in 1 beschrieben ein. Der verstärkte Signalstrahl wird dann von dem gegenläufigen Pumpstrahl durch Reflexion an der zweifarbigen Platte 9 getrennt. Er wird dann auf dem gleichen optischen Pfad durch ein für das Signallicht hoch reflektierendes Element zurückreflektiert. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen gekrümmten Spiegel 18 oder eine Kombination einer Linse und eines Spiegels handeln. Demzufolge wird der erzeugte Strahl von der zweifarbigen Platte 9 reflektiert, durch das Lasermedium 10 hindurchgeleitet und erneut verstärkt sowie dann mit Hilfe einer Reihe von Optiken 4, 3 und 2 kollimiert. Der verstärkte Strahl wird dann räumlich von dem eingangsseitig erzeugten Strahl mit Hilfe des optischen Isolators 19 getrennt, sodass ein verstärkter Ausgangsstrahl 20 zur Verfügung steht.
Das System ermöglicht eine weitere Verbesserung der Energieausbeute in dem Verstärkungsmedium, sofern die Intensität des erzeugten Strahls nicht ausreicht, um die Sättigung der Ausbeute zu erreichen. Mit Hilfe einer geringfügig gesteigerten Komplexität im Systemdesign und bei der Einstellung (Zurückreflexion und optischer Isolator) kann man ein größeres Strahl/Pumpvolumen oder eine geringere Intensität des erzeugten Strahls erzielen im Vergleich zu einer Konfiguration mit Einfachdurchgang, während die effiziente Energieausbeute beibehalten wird. Die Absorption mit Zweifachdurchlauf des Pumpstrahls wie in 4 beschrieben, kann mit einem doppelten Durchlauf des Signals wie in 5 beschrieben kombiniert werden. Das erlaubt eine Kombination der Vorteile von erhöhter anwendbarer Pumpenergie und reduzierter erzeugter Strahlintensität, um eine effiziente Energieausbeute zu erreichen.
6 stellt eine grundsätzliche Ausgestaltung einer Oszillatorausführungsform in einem einfachen linearen Resonator dar. Viele Modifikationen und Veränderungen sind für Praktiker im Stand der Technik offensichtlich. Beispielsweise kann die Laseranordnung viele optische Elemente aufweisen, wie beispielsweise Spiegel, Linsen, Polarisatoren, Wellenlängen plättchen, nicht lineare Kristalle, Q-Schalter (Q-Switches), Modenkopplungseinrichtungen oder andere Komponenten, die benötigt werden, um die gewünschten Ausgangscharakteristika zu erreichen. Das Licht 14 einer Pumplaserdiode 5 wird dem Aufbau über ein Verteilungssystem 6 zugeführt, das eine optische Faser aufweisen kann. Sein divergenter Ausgang wird mittels einer Linse 7 kollimiert und dann durch eine Linse 7 fokussiert. Das Pumplicht passiert anschließend einen zweifarbigen Spiegel 21, welcher eine hohe Transmission bei der Pumpwellenlänge mit einer hohen Reflexion bei der Signalwellenlänge auf seiner Resonatorseite verbindet. Er fungiert als hochreflektierender Rückspiegel für den Resonator. Danach wird das Pumplicht im Verstärkungsmedium, wie in 1 beschrieben, absorbiert. Der Resonator wird zwischen dem Spiegel bzw. Rückspiegel 21 und dem Ausgangskoppler 23 gebildet, welcher die angepaßte Transmission für die gewünschte Ausgangskopplung zur Verfügung stellt. Ein Teil der resonanten Lasermode wird mit Hilfe des Ausgangskopplers aus dem Resonatorhohlraum ausgekoppelt. Der divergente Ausgangsstrahl kann mittels weiterer optischer Elemente kollimiert oder fokussiert werden, bspw. einer Linse 24, sodaß ein Ausgangsstrahl 25 erzeugt wird.
Die Anwendung des Pumpschemas nach 1 auf einen Oszillator mag die hohe Verstärkung und große Ausgangsleistung zur Verfügung stellen, die beitragen, um die gewünschten Ausgangscharakteristika zu erreichen. Im allgemeinen verbessert eine hohe Verstärkung die Ausgangsstabilität des Lasers, verringert das Rauschen, stellt kurze Q-Switch-Pulse mit verbesserter Puls-zu-Puls Stabilität zur Verfügung oder ermöglicht wenigstens modengekoppelte Pulse, indem eine Vielzahl von Moden oszillieren kann. Diese Beispiele werden lediglich vorgestellt, um darzustellen, wie eine Vielzahl an Laseroszillatoren von einem Pumpschema profitieren, welches eine hohe Verstärkung zur Verfügung stellt, und wirken nicht einschränkend im Hinblick auf den Schutzbereich der Erfindung in Anwendung auf Laseroszillatoren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nutzt einen Nd:YVO₄-Kristall als Verstärkungsmedium. Dieses Material wird wegen seines wohlbekannten hohen Ausgangsemissionsquerschnittes und seiner natürlich Doppelbrechung ausgewählt, welche es als Medium der Wahl für endgepumpte Laseroszillatoren und -verstärker prädestinieren.
Bei der Pumpquelle handelt es sich bevorzugt um einen fasergekoppelten Laserdiodenstab oder eine -leiste, die einen homogen runden Pumpstrahl zur Verfügung stellen mit bevorzugt großer Helligkeit. Typische heutzutage verfügbare fasergekoppelte Laserdioden großer Helligkeit beinhalten eine Faser mit 100 Mikrometer Durchmesser bei 10W Ausgangsleistung, 0.22 numerischer Apertur (NA); 25 W bei 200 Mikrometer Durchmesser, 0.22 NA und sogar 300 W bei 600 Mikrometer Durchmesser, 0.22 NA. Die hohe Pumpqualität erlaubt den Einsatz längerer Kristalle bei den gewählten Pumpstrahlgrößen an den Eingangs- und Ausgangsflächen des Verstärkungsmediums und demzufolge die Beaufschlagung mit größerer anwendbarer Pumpenergie.
Eine Vielzahl an Laseroszillatoren kann eingesetzt werden, um den Signalstrahl im Verstärkungsmedium in einem Verstärkeraufbau zu erzeugen. Diese beinhalten kontinuierliche, modengekoppelte oder Q-Switch-Laser, sind hierauf jedoch nicht beschränkt. Anwendungen, die kurze, engiereiche Pulse erfordern (bspw. Pulse im Bereich einiger Nanosekunden von einem Q-Switch-Laser oder einzelne Pikosekunden eines modengekoppelten Oszillators) profitieren insbesondere von dem hochenergetischen Verstärkersystem, da das Erreichen sämtlicher gewünschter Charakteristika (bspw. hohe Leistung, kurze Pulse und hohe Strahlqualität) sehr schwer innerhalb nur eines einzigen Oszillators gelingt.
Die vorangestellte Beschreibung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung, welche ein Festkörperlasermaterial, einen Vanadatkristall und eine fasergekoppelte Diodenpumpquelle beinhaltet, ist aus Gründen der Darstellung und Beschreibung präsentiert worden und belegt die Einzigartigkeit unserer Innovation.

Claims

System zur Verstärkung eines Signallaserstrahles (15; 22; 106), mit: – einem optisch endgepumpten Laser-Verstärkungsmodul mit einem Verstärkungsmedium (10; 101), welches von einem Pumplichtstrahl (14; 107) gepumpt wird, welcher einen größeren Querschnitt auf einer Eintrittsfläche (102) des Verstärkungsmediums (10; 101) im Vergleich zur Austrittsfläche (103) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Signallaserstrahl (15; 22; 106) in der Weise eingerichtet ist, daß er durch das Verstärkungsmedium (10; 101) von der Austrittsfläche (103) zur Eintrittsfläche (102) verläuft, sodaß er außerhalb des Verstärkungsmediums beabstandet von der Austrittsfläche (103) fokussiert ist, um einen gewünschten Strahldurchmesser auf der Austrittsfläche (103) und eine gewünschte Divergenz innerhalb des Verstärkungsmediums (10; 101) zu erzielen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Laser-Verstärkungsmodul als Teil eines Laserverstärkers mit Einfachdurchlauf eingesetzt wird.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Pumplichtstrahl (14) zweifach durch das Verstärkungsmedium (10) geführt wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Laser-Verstärkungsmodul als Teil eines Laserverstärkers mit Zweifachdurchlauf eingesetzt wird, bei welchem der Pumplichtstrahl (14) einmalig durch das Verstärkungsmedium (10) geführt wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Laser-Verstärkungsmodul als Teil eines Laserverstärkers mit Zweifachdurchlauf eingesetzt wird, bei welchem der Pumplichtstrahl (14) zweimalig durch das Verstärkungsmedium (10) geführt wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Laser-Verstärkungsmodul als Teil eines Laseroszillators eingesetzt wird.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Pumplichtstrahl (14) zweifach durch das Verstärkungsmedium (10) hindurchgeführt wird.