DE69823658T2

DE69823658T2 - Ein laser

Info

Publication number: DE69823658T2
Application number: DE69823658T
Authority: DE
Inventors: Magnus Arvidsson; Björn HANSSON; Carsten LINDSTRÖM; Martin Holmgren
Original assignee: Trimble AB
Current assignee: Trimble AB
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2018-06-06
Also published as: JP2002503396A; EP0990285B1; EP0990285A1; DE69823658D1; WO1998056088A1; US6263004B1; SE9702175D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen gütegeschalteten Laser (Riesenimpulslaser) mit genau bestimmbaren Laserimpulsen. Dadurch ist es möglich, Stabilisierung der Wiederholungsrate eines gepulsten Lasers vorzusehen. Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf einen gütegeschalteten Mikrochip-Laser.
Diese Art eines Laser generiert extrem kurze Laserimpulse mit hoher Spitzenleistung, die in vielen Anwendungen von Nutzen sein könnten, zum Beispiel in elektronischen Abstandsmessvorrichtungen (electronic distance measuring devices, EDM). Für diese Anwendungen ist es wichtig, jeden kurzen gütegeschalteten Laserimpuls zu einem genau bestimmbaren Zeitpunkt zu generieren. Es ist auch wichtig, eine Impulsfolge mit genau bestimmbaren Zeitintervallen zwischen den einzelnen Impulsen generieren zu können, d.h. das Jittern (Flimmern) in einer Zeit zwischen den Impulsen sollte auf dem geringsten möglichen Niveau gehalten werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Dioden-gepumpter Festkörperlaser ist ein rasch wachsendes Gebiet. Passiv gütegeschaltete Mikrochip-Laser sind insbesondere von Interesse, da sie kurze Impulse (< 1ns) mit hoher Spitzenleistung (kW) für moderate Pumpleistungen von z.B. einer Laserdiode oder dergleichen unter Verwendung einer einfachen Konfiguration vorsehen können.
Ein Problem bei gütegeschalteten Lasern ist das große Jittern in der Wiederholungsrate. Das Jittern macht es unmöglich, diesen Typ eines Lasers in einer Reihe von Anwendungen zu verwenden. In diesen Anwendungen war die einzige Möglichkeit, aktiv gütegeschaltete Laser zu verwenden.
Zum Reduzieren des Jitterns wurden in passiv gütegeschalteten Lasern verschiedene Techniken beschrieben und gezeigt, z.B. in "A stabilised microchip laser" von M. Arvidsson et al., CLEO Europe 1996, Hamburg, Paper CFH2 und in "Characterization of Passively Q-switched Microchip Lasers for Laser Radar" von W.J. Manderville und K.M. Dinndorf, SPIE, Vol. 2748, S. 358.
Ein passiv gütegeschalteter Mikrochip-Laser zum Erzeugen von Impulsen mit hoher Spitzenleistung von Licht extrem kurzer Dauer wird auch in US-A-5,394,413 beschrieben. Ein sättigbarer Absorber verhindert den Beginn von Laserbetrieb (lasing), bis die mittlere Inversionsdichte innerhalb der Kavität des gütegeschalteten Lasers einen vorbestimmten Wert erreicht. Die Konfiguration des Lasers ist dann derart, dass bei Beginn eines Laserbetriebsimpulses der sättigbare Absorber transparent wird, d.h. es wird gesagt, gebleicht (bleached) zu werden, und es wird ein gütegeschalteter Ausgangsimpuls mit einer extrem kurzen Länge und hohen Spitzenleistung generiert. Das Problem mit dieser Art von gütegeschalteten Lasern besteht darin, dass die Laserbetriebsimpulszeiten von ihren Dimensionen abhängen und nicht auf eine exakte Weise steuerbar sind.
Aktiv gütegeschaltete Laser, die z.B. durch Yariv A., "Optical Electronics in Modern Communications", Fifth Edition, S. 227 bis 235 oder durch Wilson J. et al., "Optoelectronics An Introduction", Second Edition, S. 226 bis 230 beschrieben werden, erfordern eine sehr hohe Rundlaufdämpfung von dem aktiven Modulator. Diese Dämpfung ist in der Größenordnung von 100%, was eine Hochspannungsschaltvorrichtung erfordert.
Aktiv gütegeschaltete Laser, d.h. gütegeschaltete Laser, in denen die Steuerung der Güteschaltung direkt in dem Güteschalter geschieht, z.B. durch Ändern der Polarisierung des Lichtes, haben andere Probleme, wie etwa hohe Schaltspannungen, die Möglichkeit von Mehrfachtaktung wegen piezoelektrischen Effekten und große Laserkavitäten wegen des großen Ausmaßes, das in Bezug auf den aktiven Modulator erforderlich ist. Aktiv gütegeschaltete Laser benötigen zum Arbeiten auch schnelle Hochspannungsschaltenergieversorgungen.
Es gibt einen Bedarf nach einem gütegeschalteten Laser in einer Menge von Anwendungen mit steuerbarer Taktung; geringem Ausmaß und die keine Hochspannungsschaltvorrichtungen erfordern, wie sie normalerweise in aktiv gütegeschalteten Lasern erforderlich sind.
Ein gütegeschalteter Laser mit verriegeltem Modus wird in US 4,019,156 offengelegt. Dieser "Dual-Modulations"-Laser ist zum Erzeugen von in einer Transformation begrenzten Impulsen mit einer steuerbaren Impulsdauer fähig und arbeitet als eine synchrone angesteuerte optische Resonatoreinrichtung. Intrakavitätsspontanemission wird symmetrisch in der Zeit durch eine Pockels-Zelle versperrt, die genutzt wird, die erste Güteschaltung und dann eine 100%-Dämpfungsmodulation in Synchronisation mit der Impulsrundlauf zeit in der Kavität vorzusehen. Die Funktion der Pockels-Zelle besteht somit darin, die spontane Emission zu unterdrücken, die durch das aktive Medium generiert wird, um den Laser synchronisiert sein zu lassen, die Impulslänge zu ändern und dadurch die Impulslänge zu synchronisieren und eine Reihenfolgemodussperrung (order mode-locking) vorzusehen. Sie partizipiert somit nicht in der eigentlichen Schaltfunktion. Die Funktion der Pockels-Zelle besteht hier darin, eine Stabilisierung vorzusehen. Die Zeit für jeden Laserimpuls könnte nicht nach Belieben gewählt werden, sondern wird durch die Gestaltung des Lasers, d.h. die Länge der Kavität, bestimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen gütegeschalteten Laser mit einer exakten bestimmbaren Zeit für seinen Laserbetriebsimpuls vorzusehen.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen gütegeschalteten Laser mit einer exakt bestimmbaren Wiederholungsrate mit niedrigem Jittern vorzusehen.
Noch ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen gütegeschalteten Laser kleiner Größe mit einer extrem exakten Wiederholungsrate und/oder extrem exakt bestimmbaren Zeiten für jeden emittierten Laserimpuls vorzusehen.
Noch ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen gütegeschalteten Laser mit einer exakt steuerbaren Zeit für seinen Laserbetriebsimpuls vorzusehen, der aber keine Hochspannungsschaltvorrichtung erfordert.
Die Erfindung bezieht sich auf einen gütegeschalteten Laser und eine Vorrichtung, die die Merkmale, und somit die Vorteile, von sowohl aktiv als auch passiv gütegeschalteten Lasern, vorzugsweise Mikrochip-Laser, kombiniert, die durch mindestens eine Pumpquelle gepumpt wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Laser mit sowohl einem sättigbaren Absorber als auch einem aktiven Modulator vorgesehen. Die kombinierten Dämpfungen des aktiven Modulators und des sättigbaren Absorbers verzögern den Beginn vom Laserbetrieb, wobei dadurch eine große Inversionsdichte geschaffen wird. Durch Kombinieren der Dämpfungen von dem sättigbaren Absorber und dem aktiven Modulator kann die Dämpfung von dem aktiven Modulator im Vergleich zu der Dämpfung von einem aktiven Modulator in einem aktiv gütegeschaltete Laser drastisch reduziert werden.
In dem Moment, wenn ein Laserimpuls emittiert werden sollte, wird die Dämpfung beseitigt, die durch den aktiven Modulator eingeführt wird. Dann überschreitet die Verstärkung in dem Laser die Dämpfungen und der Laserbetrieb beginnt, den sättigbaren Absorber zu entfärben, was zu einem Laserimpuls führt. Dadurch ist es möglich, auf eine sehr akkurate Weise zu definieren, wann der Laserimpuls zu emittieren ist.
Die spontane Emission von den Lasermedien kann überwacht werden, um die Inversionsdichte zu kennen. Dies ist möglich, da die spontane Emission der Inversionsdichte proportional ist. Die Inversionsdichte oder die Dämpfungen in der Kavität könnten dann gesteuert werden um sicherzustellen, dass der Laserimpuls zur richtigen Zeit auftritt.
Diese zwei Wege zum Minimieren von Jittern können entweder allein oder beide kombiniert verwendet werden.
Somit bezieht sich die Erfindung auf einen gütegeschalteten Laser, der durch mindestens eine Pumpquelle gepumpt wird, die Impulse vorsieht, und umfassend eine erste Spiegeleinrichtung an dem ersten Ende und eine zweite Spiegeleinrichtung an dem zweiten Ende, wobei mindestens einer der Spiegel teilweise durchlässig ist und der Raum zwischen den Spiegeln eine Laserkavität vorsieht.
Gemäß der Erfindung ist dieser gütegeschaltete Laser gekennzeichnet durch

– eine Kombination einer Verstärkungsmedium-Einrichtung, einer sättigbaren Absorbereinrichtung und einer steuerbaren aktiven Modulatoreinrichtung zwischen dem ersten und zweiten Spiegel;
– wodurch die Dämpfungen von der steuerbaren aktiven Modulatoreinrichtung geringer sind als die Dämpfung, die erforderlich ist, um einen Laserbetrieb in der Laserkavität zu unterdrücken; wobei die Dämpfungen von der sättigbaren Absorbereinrichtung kleiner als die Dämpfung sind, die erforderlich ist, um den Laserbetrieb in der Laserkavität zu unterdrücken; und wobei die kombinierten Dämpfungen von der sättigbaren Absorbereinrichtung und der aktiven Modulatoreinrichtung größer sind als die Dämpfungen, die erforderlich sind, um einen Laserbetrieb in der Laserkavität während der bestimmten Zeit zwischen Impulsen zu unterdrücken;
– eine Steuereinrichtung, die den Laserbetrieb derart steuert, dass: – in einer ersten Stufe die kombinierten Dämpfungen von der sättigbaren Absorbereinrichtung und der aktiven Modulatoreinrichtung in der Laserkavität vorhanden sind, wobei das Schwelleninversionsdichteband hoch genug eingestellt wird, um einen Laserbetrieb zu unterdrücken; und – in einer zweiten Stufe die Dämpfung von dem aktiven Modulator unverzüglich entfernt wird, wobei das Schwelleninversionsdichteband auf ein Niveau geringer als die Inversionsdichte in der Kavität abgesenkt wird, was zu einem Ausbleichen des sättigbaren Absorbers und dadurch zum Aufbau eines Riesenimpulses zu der bestimmten Zeit führt.

Es können Festkörpermaterial, wie Materialien, die mit seltenen Erden dotiert sind (z.B. Nd:YVO₄), Material, das mit Chrom dotiert ist, Halbleitermaterialien, Gase, Farbstoffe oder dergleichen als Verstärkungsmedium verwendet werden.
Cr⁴⁺-Material (z.B. Cr⁴⁺:YAG) oder ein anderes Festkörpermaterial, Halbleitermaterialien oder dergleichen können als sättigbarer Absorber verwendet werden.
LINbO₃, KTP oder anderes verwandtes Material, Halbleitermaterialien oder dergleichen können als aktiver Modulator verwendet werden.
Der aktive Modulator befindet sich vorzugsweise zwischen den Spiegeln; und in einer ersten Phase führt die Steuereinrichtung eine Dämpfung des aktiven Modulators ein, wobei ein Schwelleninversionsdichteband auf ein Niveau eingestellt wird, das hoch genug ist, um über der tatsächlichen Inversionsdichte in der Verstärkungsmediumseinrichtung zu sein, und in einer zweiten Phase augenblicklich die Dämpfung abzusenken, wobei das Schwelleninversionsdichteband auf ein Niveau abgesenkt wird, das geringer als die tatsächliche Inversionsdichte ist, um eine Emission des gütegeschalteten Impulses zu aktivieren. Der sättigbare Absorber und der Modulator könnten ein kombiniertes Element sein, das durch die Steuereinrichtung steuerbar ist, oder das Verstärkungsmedium und der Modulator können ein kombiniertes Element sein, das durch die Steuereinrichtung steuerbar ist, oder das Verstärkungsmedium und der sättigbare Absorber können ein kombiniertes Element sein, oder das Verstärkungsmedium und der sättigbare Absorber und der Modulator können ein kombiniertes Element sein, das durch die Steuereinrichtung gesteuert wird.
Aus der Theorie, die die Güteschaltung des passiv gütegeschalteten Lasers beschreibt, kann die Schwelleninversions dichte in dem Lasermedium aus Gleichung 1 kalkuliert werden (siehe Zayhowski & Dill in Opt. Lett. 19 (18) 1994). N0 = (γsat,π + γpar,π + γop)/σlπ (1)
Hier ist N₀ die Schwelleninversionsdichte in den Laserbetriebsmedien, γ_sat,π ist die nicht-sättigbare Dämpfungskonstante im Rundlauf, γ_par,π ist die nicht-sättigbare Intrakavitätsdämpfungskonstante im Rundlauf, γ_op ist die Dämpfungskonstante wegen einer Ausgangskopplung, σ ist der Emissionsquerschnitt des Laserübergangs und l_π ist die Rundlaufpfadlänge von Licht in der Kavität. Da der Aufbau des Laserbetriebs ein statistischer Prozess ist, ist der Schwellwert N₀ kein exakter Wert, sondern vielmehr ein kleines Fenster oder ein Band, in dem der Laserbetrieb beginnt und der Impuls emittiert wird.
Wie oben erwähnt, umfasst der Laser gemäß der Erfindung eine Kombination von sowohl einem sättigbaren Absorber als auch einem aktiven Modulator. Der aktive Modulator agiert als eine zusätzliche Dämpfung in der Kavität. Falls wir die Rundlaufdämpfung von dem aktiven Modulator, bezeichnet als γ_am,π, hinzufügen, wird Gleichung 1 in Gleichung 2 modifiziert. N0am = (γsat,π + γpar,π + γop + γam,π)/σl (2)
Die Dämpfung von dem aktiven Modulator wurde zu den anderen Dämpfungen addiert und wird einen Anstieg zu einem höheren Schwelleninversionsdichteband ergeben. Die Inversionsdichte kann nun auf ein Niveau über N₀ ohne Laserbetrieb angehoben werden. Wenn der Laserimpuls zu emittieren ist, wird die Dämpfung von dem aktiven Modulator γ_am,π beseitigt und die Inversionsdichte ist weit über dem Schwelleninversionsdichteband, N₀. Somit wird ein Laserbetrieb beginnen sich aufzu bauen und ein Impuls wird eine kurze Zeit nach der Beseitigung von γ_am,π, emittiert.
Der Laserbetrieb in der Kavität wird aus dem vorhandenen optischen Rauschen aufgebaut. Das optischen Rauschen hängt von der Inversionsdichte N ab. Die Ungewissheit in einer Zeit für die Impulsemission hängt von dem Niveau vom optischen Rauschen in der Kavität und von einer Impulsaufbauzeit ab. Solange wie N über N₀ ist, wird die Ungewissheit für einen größeren Wert von N wegen dem höheren Rauschpegel kleiner sein.
Das Verhalten des Impulsaufbaus kann mit dem Impulsaufbau in einem aktiv gütegeschalteten Laser verglichen werden, was sich durch Gleichung 3 ergibt, Siegman, Lasers University Science Books, Sausalito CA, S. 1012, 1986. Tb ≒ Tln(nss/ni)/[Ni/N0–1)γc] (3)
Hier ist T die Rundlaufzeit für Licht in der Kavität, n_ss ist die Photonenzahl im stetigen Zustand in der Kavität, die vorhanden sein würde, falls die Dämpfung vom aktiven Modulator mit dem gleichen Pumpen beseitigt wird, n_i ist die Photonenzahl in der Kavität unmittelbar nach einem Schalten, N_i ist die Inversionsdichte unmittelbar nach einem Schalten, N₀ ist die Schwelleninversionsdichte, γ_c ist die Dämpfung in der Kavität, inkludierend Ausgangskopplung. Ein typischer Wert von n_i sind einige Photonen.
Da der Impulsaufbau ein statistischer Prozess ist, ist dies kein exakter Wert. Die Ungewissheit in der Zeit für die Ausgabe eines Impulses bezieht sich auf die Impulsaufbauzeit. Eine längere Impulsaufbauzeit wird zu einer größeren Ungewissheit führen.
In einem passiv gütegeschalteten Laser ist das Verhältnis N_i/N₀ nur wenig über Eins, was zu einer langen Impulsaufbauzeit entsprechend einer großen Ungewissheit in der Zeit für eine Emission eines Impulses führt.
In der Kavität mit sowohl dem sättigbaren Absorber als auch dem aktiven Modulator ist das Verhältnis N_i/N_0i größer als für eine passive Güteschaltung und deshalb werden eine kürzere Impulsaufbauzeit und eine kleinere Ungewissheit erreicht.
Ein anderer Weg zum Erreichen einer kleinen Ungewissheit in der Zeit eines Starts eines Impulsaufbaus ist, Laserstrahlung in die Kavität zu injizieren um sicherzustellen, dass der Impulsaufbau unverzüglich beginnt. Noch ein anderer Weg ist, einen teilweise durchlässigen Spiegel innerhalb der Kavität einzufügen und dadurch den Laserbetrieb in einem Teil der Kavität vor einem Laserbetrieb in der Sektion zu beginnen, die den sättigbaren Absorber enthält.
Das Wesentliche davon zeigt, dass es mit der Erfindung möglich ist, die Zeit für eine Emission eines Impulses sehr akkurat zu steuern. Dies ist mit einer im Vergleich zu einer aktiven Güteschaltung geringen aktiv modulierten Dämpfung in der Kavität in Kombination mit einem Absorber möglich.
Eine typische Dämpfung von dem aktiven Modulator in dieser Erfindung beträgt 10%, wohingegen in aktiver Güteschaltung die Dämpfung typischerweise 100% ist. Das Jittern kann im Vergleich zu einem passiv gütegeschalteten Laser drastisch reduziert werden.
Es könnte eine Wellenlängenkonvertierungseinrichtung vorgesehen werden, die die Wellenlänge des Laserimpulses zu einer anderen Wellenlänge konvertiert. Die Wellenlängenkonvertierungseinrichtung könnte auf der Außenseite von einem der Spiegel oder irgendwo zwischen den Spiegeln vorgesehen werden und umfasst nicht-lineares Material, das nicht-lineare Konvertierung vorsieht. Es ist auch möglich, Wellenlängenkonvertierungseffekte, z.B. nicht-lineare Effekte, in einem beliebigen oder mehreren der Elemente in der Laserkavität zu nutzen.
Es könnten Materialien aus der KTP-Familie, BBO, LiNbO₃ oder ein beliebiges anderes nicht-lineares Material als Wellenlängenkonvertierungsmaterial verwendet werden. Diese Materialien können mit oder ohne Quasiphasenanpassung verwendet werden.
Der Modulator könnte ein Material mit einer steuerbaren Übertragung umfassen, gesteuert durch die Steuereinrichtung, um eine Übertragung zwischen geringerer und höherer Übertragung zu ändern. Der Modulator könnte auch ein akusto-optisch oder elektro-optisch steuerbares Material umfassen, das mindestens einen Teil des Strahls innerhalb des Lasers ablenkt, wenn durch die Steuereinrichtung aktiv gesteuert. Es könnte eine Einrichtung zum Überwachen spontaner Emission von der Lasermediumeinrichtung vorgesehen werden, wobei die Emission der Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium proportional ist. Eine Steuereinrichtung kann die Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium mit Pumpleistung, die in die Laserkavität gekoppelt ist, steuern.
Es könnte eine Einrichtung zum Überwachen spontaner Emission von der Lasermediumeinrichtung vorgesehen sein, wobei die Emission der Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium proportional ist. Eine Steuereinrichtung, die die Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium mit Pumpleistung steuert, die in die Laserkavität gekoppelt wird, und die Schwelleninversionsdichte mit der Dämpfung in der Laserkavität steuert.
Die Steuereinrichtung kann den Pumpimpuls zurücksetzen, wenn der gütegeschaltete Laserimpuls emittiert wurde. Die Modulation der Pumplaserquelle kann gesteuert werden, eine variierende Frequenz während einer Operationsperiode aufzuweisen. Alle Elemente könnten miteinander entweder durch ein Diffusionsbondemittel gebunden oder optisch gebondet sein. Die Pumpdiode könnte den Laserkristall direkt pumpen oder durch Linsen als eine Faser gekoppelt sein.
Der vollständige Aufbau könnte auf einem einzelnen Chip oder Substrat integriert sein, um Temperatursteuerung und Wärmebeseitigung zu erleichtern.
Die optischen Teile könnten auf einem Substrat selbstausgerichtet sein, um die Konstruktionsgröße zu reduzieren und für Massenproduktion vorzubereiten.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Der wichtigste Vorteil bei dem Laser gemäß der Erfindung besteht darin, dass es möglich ist, einen kleinen und kompakten Laser unter Verwendung geringer Steuerspannung und geringen Energieverbrauchs aufzubauen, der in Bezug auf Jittern und Leistungsverhalten stabilisiert sein könnte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und für weitere Ziele und Vorteile davon wird nun auf die folgende Beschreibung verwiesen, genommen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 schematisch eine erste Ausführungsform des gütegeschalteten Lasers zeigt, der gemäß der Erfindung zu verwenden ist;
2 ein Diagramm zeigt, das die Funktion der Erfindung veranschaulicht;
3 schematisch einen gütegeschalteten Laser zeigt, der kein Teil der Erfindung ist;
4 schematisch eine dritte Ausführungsform des gütegeschalteten Lasers gemäß der Erfindung zeigt;
5 schematisch eine vierte Ausführungsform des gütegeschalteten Lasers gemäß der Erfindung zeigt;
6 schematisch eine fünfte Ausführungsform des gütegeschalteten Lasers gemäß der Erfindung zeigt;
7 schematisch eine sechste Ausführungsform des gütegeschalteten Lasers gemäß der Erfindung zeigt; und
8 schematisch eine siebte Ausführungsform des gütegeschalteten Lasers gemäß der Erfindung zeigt.
Bezug nehmend auf 1 ein gütegeschalteter Laser, wie etwa ein Festkörper-Mikrochip gütegeschalteter Laser mit einer Kavität, umfassend ein aktives Verstärkungsmedium 2 aus z.B. Nd:YVO₄-Kristall oder einem anderen mit seltenen Erden dotierten Material, mit Chrom dotiertem Material, Halbleitermaterialien, Gasfarbstoffen oder dergleichen, mit einem Spiegel 3 an einem Ende und als ein gütegeschaltetes Material, ein sättigbarer Absorber 4 aus z.B. Cr⁴⁺:YAG oder Cr⁴⁺:YSGG, oder anderem Cr⁴⁺-Material, anderen Festkörpermaterialien, Halbleitermaterialien oder dergleichen, wobei die oben erwähnten Materialien epitaxial aufeinander gezüchtet sein können. Ein zweiter Spiegel 5 ist an dem Ausgangsende des gütegeschalteten Lasers nahe dem sättigbaren Absorber 4 platziert. In der gezeigten Ausführungsform agiert der Spiegel 5 als ein auskoppelnder Spiegel. Der gütegeschaltete Laser 1 könnte ein Mikrochip-Laser sein.
Der gütegeschaltete Laser in dieser Ausführungsform wird durch mindestens eine Laserdiode 8, die eine Wellenlänge hat, die dem Absorptionsband des aktiven Materials angepasst ist, durch ein Linsensystem 7 oder eine andere optische Einrichtung gepumpt, die das Licht von der Pumplaserdiode 8 zu dem Verstärkungsmedium 2 durch den Spiegel 3 führt. Das Pumplicht könnte auch direkt durch den Spiegel 3 und in das Verstärkungsmedium 2 gehen. In dem Fall, dass der Laserbetriebskristall Nd³⁺:YVO₄ ist, beträgt die Pumpwellenlänge ungefähr 808 nm. Es ist auch möglich, mehr als eine Laserdiode zu verwenden. Die Laserdiode 8 bekommt Energie durch eine Steuervorrichtung 9 zugeführt.
In dieser Ausführungsform ist ein aktiver Modulator 6 zwischen dem Verstärkungsmedium 2 und dem sättigbaren Absorber 4 aus z.B. LINbO₃, KTP oder anderen nicht-linearen Materialien, Halbleitermaterialien oder dergleichen positioniert. Es wird jedoch vermerkt, dass der Modulator 6 und der sättigbaren Absorber 4 miteinander die Plätze tauschen könnten (nicht gezeigt). Der Modulator 6 wird in dieser Ausführungsform durch eine Steuervorrichtung 10 zwischen im wesentlichen zwei Zuständen gesteuert, dem ersten, wenn er für den Strahl innerhalb des Lasers im wesentlichen vollständig transparent ist, in welchem Fall der Laser als ein passiver gütegeschalteter Laser agieren kann, der praktisch nur die Verstärkungsmedien 3 und den sättigbaren Absorber 4 zwischen den Spiegeln 3 und 5 umfasst, und dem zweiten, wenn eine Dämpfung in ihn eingeführt wird, was den Laser veranlasst, mehr als ein aktiv gütegeschalteter Laser zu agieren, der mit einem aktiven Modulator versehen ist. Eine Dämpfung könnte in dem aktiven Modu lator 6 durch die Dämpfungseinführungssteuerschaltung 10 eingeführt werden.
Die Elemente in dem Laser können optisch oder durch Diffusion miteinander gebondet werden. Sie können auch mit einer brechwertanpassenden (index matching) Flüssigkeit zu einander gebracht werden. Sie können auch getrennt platziert werden, aber dann vorzugsweise mit Antireflexionsschichten behandelt werden.
In dem Diagramm, das in 2 gezeigt wird, wird das Schwelleninversionsband in Bezug auf die Inversion, innerhalb der ein Laserimpuls wahrscheinlich bei steigender Inversion emittiert wird, wenn der Laser als ein passiver gütegeschalteter Laser agiert, bei A veranschaulicht. B veranschaulicht das Schwelleninversionsband, innerhalb dessen der Laserimpuls wahrscheinlich emittiert wird, wenn die zusätzliche Dämpfung von dem aktiven Modulator in die Kavität eingeführt wird. Somit umfassen die Dämpfungen in dem Laser einen Teil, der durch den sättigbaren Absorber hervorgerufen wird, und einen Teil, der durch den aktiven Modulator hervorgerufen wird.
Die Kurve P ist die steigende Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium, beginnend bei t₀, wenn die Pumplaserdiode 8 eingeschaltet wird und/oder die Kavität nach dem letzten Laserimpuls geleert wird. Zu dieser Zeit ist die Dämpfung in den Modulator 6 durch die Steuerschaltung 10 bereits eingeführt und das Schwelleninversionsband B ist das gültige, wie durch durchgehende Linien für die Bandgrenzen veranschaulicht wird. Falls das Band A das gültige gewesen sein sollte, wäre ein Laserimpuls irgendwo zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ emittiert worden.
Die Inversionsdichtekurve steigt über das Inversionsdichteband A hinaus an, welches zu dieser Zeit nicht das gültige Band ist, wie durch die gestrichelten Linien für die Bandlinien veranschaulicht wird. Dies könnte z.B. durch Verwenden eines Lichtsensors 11 überwacht werden, der die spontane Emission von Licht misst, das von dem Laser emittiert wird. Alternativ könnte die Zeit von t₀ gemessen werden, um eine Zeit festzusetzen, die länger als t₂ ist, wenn es gemäß Erfahrung sicher ist, dass die Kurve P über das Band A hinaus angestiegen ist. Es ist auch wichtig sicherzustellen, dass die Kurve P nicht bis zu dem Band B ansteigt.
Dann wird die Dämpfung, die in den Modulator 6 eingeführt wird, in dem Zeitpunkt t_L abgeschaltet. Das Schwelleninversionsband B wird dann nicht gültig sein, wie mit gestrichelten Linien veranschaulicht, und das Schwelleninversionsband A wird das entsprechende zum Aktivieren eines Laserimpulses L sein, wie mit durchgehenden Linien veranschaulicht wird. Da dieses Band A nun weit unter dem tatsächlichen Inversionsdichteniveau auf der Kurve P ist, wird der Laserimpuls augenblicklich in t_L emittiert. Erfahrungswerte haben offengelegt, dass sich die Präzision der Laserbetriebszeit um einen Faktor 1000 erhöht hat, d.h. der exakte Zeitpunkt wurde innerhalb einer Zeitspanne von 100 ps an Stelle der normalen Zeitspanne von 100 ns, die mit anderen "exakten" Verfahren vorgesehen wird, eingestellt.
Die Einführung von Dämpfung in dem Modulator 6 könnte durch verschiedene Verfahren durchgeführt werden, wie etwa elektrooptische, akusto-optische, Druckverfahren, variable Reflexion in mindestens einem der Spiegel 3, 5, Verwendung eines steuerbaren Festkörpermodulators 6 oder dergleichen.
Eine veranschaulichende Ausführungsform könnte das Verstärkungsmedium 2 als ein Medium haben, das eine stark polarisierte Emission vorsieht, d.h. das Licht in dem Laserimpuls ist polarisiert. Das Verstärkungsmedium 2 könnte so ein Kris tall sein, der polarisiertes Licht emittiert, oder e s könnte einen Kristall, der nicht-polarisiertes Licht emittiert, zusammen mit einer getrennten Polarisationsvorrichtung umfassen.
Der aktive Modulator 6 ist von einer elektro-optischen Art, der vollständig transparent ist, wenn eine gewisse Spannung V_T über ihm durch die Steuervorrichtung 10 verbunden ist, und eine Polarisation einer elliptischen Art zu dem polarisierten Strahl einführt, wenn eine Spannung V_M über ihm durch die Steuervorrichtung 10 verbunden ist, und auf diese Weise eine Dämpfung in das System einführt. Die Elemente 2 bis 5 sind in dieser Ausführungsform fest aneinander gepresst, z.B. durch Diffusion gebondet, sodass der Laserstrahl L direkt von Element zu Element passieren kann.
Somit wird das Licht von dem Verstärkungsmedium 2 linear polarisiert sein. Wenn das Licht den aktiven Modulator 6 durchläuft, wird es elliptisch polarisiert sein, und das Licht wird weiter elliptisch polarisiert sein, nachdem es durch den Spiegel 5 reflektiert wurde und den Modulator 6 erneut durchlaufen hat. Dadurch ist das zurückkehrende Licht in der bevorzugten Laserbetriebspolarisation weniger intensiv als das ursprüngliche Licht, da durch den Modulator eine Polarisationsverschiebung hervorgerufen wird. Die Polarisationsverschiebung wird zu einer Dämpfung in der Kavität führen. Ein Laserimpuls wird solange nicht emittiert, wie die Inversionsdichte unter dem höheren Schwelleninversionsband B liegt.
Sobald ein Laserimpuls zu emittieren ist, wird die Spannung V_M in dem Zeitpunkt t_L zu V_T gebracht, der Polarisationseffekt durch den Modulator 6 wird abgeschaltet und es wird ein Laserimpuls L emittiert.
Eine andere Art von Modulator 6 ist eine akusto-optische Vorrichtung, die einen Teil des Strahls ablenkt, wenn sie aktiviert wird. Dann muss der Verstärkungsmediumkristall 2 nicht polarisiert werden. Falls eine andere Wellenlänge als die gewünscht wird, die durch die Laserkavität vorgesehen wird, dann könnte eine Wellenlängenkonvertierungsvorrichtung 12 derart platziert werden, dass sie das Laserlicht L durchlaufen wird. Die Vorrichtung 12 könnte nicht-lineares Material umfassen, wie etwa KTP, BBO, KnbO₃, LiNbO₃ oder dergleichen, was eine nicht-lineare Konvertierung vorsieht.
Der Modulator könnte ein aktiver steuerbarer Festkörpermodulator sein.
Der Laser 1a von 3 umfasst ein Verstärkungsmedium 2a und einen sättigbaren Absorber 4a, der zwischen Spiegeln 16 und 17 platziert ist. Eine der oder beide Spiegel 16 und 17 haben eine Reflexion, die durch eine Dämpfungseinführungsschaltung 10a steuerbar ist, die die Reflexion des Spiegels 16 und/oder des Spiegels 17 steuert, um zu Beginn der Aktivierung der Pumpdiode 8a relativ niedrig zu sein, und die die Reflexion steuert, hoch zu sein, wenn der Laserstrahl freizusetzen ist. Die steuerbaren Spiegel könnten dielektrisch sein. Somit tritt in diesem Laser die Modulation durch Ändern der Charakteristika von mindestens einem der Spiegel auf.
In der Ausführungsform, die in 4 gezeigt wird, umfasst der Laser 1b ein Verstärkungsmedium 2b und einen sättigbaren Absorber 4b, der zwischen Spiegeln 3b und 5b platziert ist. Ein steuerbarer aktiver Modulator 6b von z.B. einer elektrooptischen oder akusto-optischen Art ist zwischen den Elementen 2b und 4b platziert. Die Elemente 2b bis 5b sind nicht in mechanischem Kontakt miteinander. Die Flächen der Elemente, durch die das Laserlicht läuft, können antireflexionsbe schichtet sein oder es wird eine brechzahlanpassende Flüssigkeit zwischen benachbarten Flächen vorgesehen.
In der Ausführungsform, die in 5 gezeigt wird, umfasst der Laser 1c ein Verstärkungsmedium 2c und ein kombiniertes Element 14 mit der Funktion sowohl des sättigbaren Absorbers als auch des aktiven Modulators zwischen einem ersten Spiegel 3c und einem zweiten Spiegel 5c. Die Modulation des kombinierten Elementes 14 wird durch die Steuerschaltung 10c gesteuert.
In der Ausführungsform, die in 6 gezeigt wird, umfasst der Laser 1d ein kombiniertes Element 18 mit der Funktion von sowohl dem Verstärkungsmedium als auch der aktive Modulation und einen sättigbaren Absorber 4d zwischen einem ersten Spiegel 3d und einem zweiten Spiegel 5d. Die Modulation des kombinierten Elementes 18 wird durch die Steuerschaltung 10d gesteuert.
In der Ausführungsform, die in 7 gezeigt wird, umfasst der Laser 1e ein kombiniertes Element, das alle drei Funktionen kombiniert: Verstärkungsmedium, sättigbarer Absorber und aktive Modulation. Die Dämpfung in dem Teil aktiver Modulation des kombinierten Elementes 19 wird durch eine Steuerschaltung 10e gesteuert. In dieser Ausführungsform ist ein Wellenlängenkonvertierungselement nicht vorhanden um zu zeigen, dass ein derartiges Element nicht immer notwendig ist. Ein derartiges Element könnte jedoch in dieser Ausführungsform auf die gleiche Weise vorhanden sein, wie es aus den anderen Ausführungsformen entfernt werden könnte.
In der Ausführungsform, die in 8 gezeigt wird, haben die Elemente 2f bis 6f jeweils die gleichen Positionen und Funktionen wie die Elemente 2 bis 6 in 1. Ein Wellenlängenkonvertierungselement 12f ist zwischen den Elementen 6f und 4f platziert. Diese Ausführungsform zeigt, dass ein Wellenlängenkonvertierungselement auch innerhalb der Laserkavität anstelle außerhalb von ihr platziert werden könnte.
Der erfinderische Laser ist gut angepasst, als ein lichtemittierendes Element in einem EDM-Instrument oder einem Laserausrichtungsinstrument verwendet zu werden.
Während die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, wird durch einen Durchschnittsfachmann verstanden, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Entsprechungen für Elemente davon ausgetauscht werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie in den begleitenden Ansprüchen definiert. Z.B. ist der Laser nicht von den Materialien in und der genauen Gestaltung von der Laserkavität abhängig.

Claims

Gütegeschalteter Laser, der von zumindest einer Pumpquelle gepumpt wird, die Pulse bereitstellt, und der eine erste Spiegeleinrichtung (3, 16, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) an dem ersten Ende und eine zweite Spiegeleinrichtung (5, 17, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) an dem zweiten Ende umfasst, wobei zumindest einer der Spiegel teilweise durchlässig ist und der Raum zwischen den Spiegeln eine Laserkavität bereitstellt; gekennzeichnet durch eine Kombination einer Verstärkungsmedium-Einrichtung (2, 2a, 2b, 2c, 18, 19, 2f), einer sättigbaren Absorbereinrichtung (4, 4a, 4b, 14, 18, 19, 4f) und einer steuerbaren aktiven Modulatoreinrichtung (6, 6a, 6b, 14, 18, 19, 6f) zwischen dem ersten und zweiten Spiegel; wobei die Dämpfungen von der steuerbaren aktiven Modulatoreinrichtung geringer sind als die Dämpfung, die erforderlich ist, um einen Laserbetrieb in der Laserkavität zu unterdrücken; wobei die Dämpfungen von der sättigbaren Absorbereinrichtung geringer sind als die Dämpfung, die erforderlich ist, um den Laserbetrieb in der Laserkavität zu unterdrücken; wobei die kombinierten Dämpfungen von der sättigbaren Absorbereinrichtung und der aktiven Modulatoreinrichtung größer sind als die Dämpfungen, die erforderlich sind, um einen Laserbetrieb in der Laserkavität während der bestimmten Zeit zwischen den Pulsen zu unterdrücken; eine Steuereinrichtung (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), die den Laserbetrieb derart steuert, dass: in einer ersten Stufe die kombinierten Dämpfungen von der sättigbaren Absorbereinrichtung und der aktiven Modulatoreinrichtung in der Laserkavität vorhanden sind, wobei das Schwellen-Inversionsdichteband hoch genug eingestellt ist, um einen Laserbetrieb zu unterdrücken; und in einer zweiten Stufe die Dämpfung von dem aktiven Modulator unverzüglich entfernt wird, wobei das Schwellen-Inversionsdichteband auf ein Niveau geringer als die Inversionsdichte in der Kavität abgesenkt wird, was zu einem Ausbleichen des sättigbaren Absorbers und dadurch zum Aufbau eines Riesenpulses zu der bestimmten Zeit führt.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 1, wobei der sättigbare Absorber und der Modulator ein kombiniertes Element (14) sind, das durch die Steuereinrichtung (10c) steuerbar ist.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium und der Modulator ein kombiniertes Element (18) sind, das durch die Steuereinrichtung (10d) steuerbar ist.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium und der sättigbare Absorber ein kombiniertes Element (19) sind.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium und der sättigbare Absorber und der Modulator ein kombiniertes Element (19) sind.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend eine Wellenlängenkonvertierungseinrichtung (12, 12f), die die Wellenlänge des Laserpulses in eine andere Wellenlänge konvertiert.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 6, wobei die Wellenlängen-Konvertierungseinrichtung (12) an der Außenseite einer der Spiegel bereitgestellt ist und ein nicht-lineares Material umfasst, das eine nicht-lineare Konversion bereitstellt.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 6, wobei die Wellenlängen-Konvertierungseinrichtung (12f) zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel bereitgestellt ist und ein nicht-lineares Material umfasst, das eine nichtlineare Konversion bereitstellt.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (2) polarisiertes Licht emittiert und die Steuereinrichtung (10) den Modulator steuert, die Polarisation des Lichts bei der ersten Phase zu ändern, und den Modulator (6) derart steuert, dass er die Polarisation des Lichts während der zweiten Phase nicht ändert.
Gütegeschalteter Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine getrennte Polarisierungseinrichtung in dem Verstärkungsmedium platziert ist, die polarisiertes Licht nicht emittiert, wobei ein polarisierender Effekt bezüglich des Lichts, das von dem Verstärkungsmedium emittiert wird, bereitgestellt wird; und die Steuereinrichtung den Modulator steuert, die Polarisation des Lichts bei der ersten Phase zu ändern und den Modulator so steuert, dass er die Polarisation des Lichts während der zweiten Phase nicht ändert.
Gütegeschalteter Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei jeder Modulator ein Material umfasst, das eine steuerbare Transmission aufweist, die durch die Steuereinrichtung gesteuert wird.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 1 bis 4, wobei der Modulator einen akustisch-optischen Modulator umfasst, der zumindest einen Teil des Strahls innerhalb des Lasers ablenkt, wenn er von der Steuereinrichtung aktiv gesteuert wird.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend eine Einrichtung (11) zum Überwachen einer spontanen Emission von der Lasermedium-Einrichtung, wobei die Emission proportional zu der Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium ist.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 13, umfassend eine Steuereinrichtung, die die Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium mit einer Pumpenergie steuert, die in die Laserkavität eingekoppelt wird.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 13, umfassend eine Steuereinrichtung, die das Schwellen-Inversionsdichteband mit der Dämpfung in der Laserkavität steuert.
Gütegeschalteter Laser nach Anspruch 13, umfassend eine Steuereinrichtung, die die Inversionsdichte in dem Verstärkungsmedium mit der Pumpenergie steuert, die in die Laserkavität gekoppelt wird, und die die Schwellen-Inversionsdichte mit der Dämpfung in der Laserkavität steuert.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung einen Pumppuls zurücksetzt, wenn der gütegeschaltete Laserpuls emittiert worden ist.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Modulation der Pumplaserquelle so gesteuert wird, eine variierende Frequenz während einer Betriebsperiode aufzuweisen.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Teile durch ein Diffusionsbondieren oder ein optisches Bondieren zusammen bondiert sind.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Pumpdiode die Kristallanordnung direkt oder über Linsen oder eine Faser gekoppelt pumpt.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Kristallanordnung und die Pumpdiode auf einem Substrat integriert sind, um eine Temperatursteuerung und eine Wärmeabfuhr zu erleichtern.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die optischen Teile auf einem Substrat zu Zwecken einer Massenherstellung selbstjustierend sind.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei er als ein lichtemittierendes Element in einem EDM-Instrument verwendet wird.
Gütegeschalteter Laser nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei er als ein lichtemittierendes Element in einem Laserjustier-Instrument verwendet wird.