DE10025485A1 - Laser mit großer Absorptionslänge des Pumplichts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laser, umfassend eine Pumplicht (6) aussendende Pumplichtquelle (4) und einen Resonator (5) mit einem ersten Spiegel (2), einem zweiten, als Auskoppelspiegel (3) dienenden Spiegel und einem zwischen den Spiegeln angeordneten Lasermedium (1). DOLLAR A Zur Reduzierung eines axialen Temperaturgradienten im Lasermedium und guter Absorption des Pumplichts bei nicht genau auf die Absorptionsbanden abgestimmter Wellenlänge wäre ein sehr kleiner Absorptionskoeffizient des Lasermediums für das Pumplicht wünschenswert. Bei Lasern bekannter Bauformen ist dann aber zur möglichst vollständigen Absorption des Pumplichts ein unrealisierbar langes Lasermedium erforderlich. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laser anzugeben, der mit einem sehr kleinen Absorptionskoeffizienten des Lasermediums betrieben werden kann und trotzdem bei üblicher Länge des Lasermediums eine möglichst vollständige Absorption und homogene Verteilung des Pumplichts in dem Lasermedium ermöglicht und dadurch die beschriebenen Nachteile bekannter Laser vermeidet. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Spiegel (2, 3) oder die Endflächen (14, 15) des Lasermediums (1) auf mindestens einem Teil ihrer Fläche für das Pumplicht (6) hochreflektierend ausgebildet sind und das Pumplicht (6) derart in den Resonator (5) eingekoppelt wird, dass es innerhalb des Resonators (5) mehrfach zwischen den Spiegeln (2, 3) oder den Endflächen (14, 15) des Lasermediums (1) hin und her reflektiert wird. Weitere ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser, umfassend eine Pumplicht aussendende Pumplichtquelle und einen Resonator mit einem ersten Spiegel, einem zweiten als Auskoppelspiegel dienen­ den Spiegel und einem zwischen den Spiegeln angeordneten Lasermedium.

Ein generelles Problem bei Lasern, speziell bei Festkörperlasern hoher Ausgangsleistung, ist die möglichst homogene Verteilung des Pumplichts in dem Lasermedium. Bereiche des La­ sermediums, die viel Pumplicht absorbieren, erwärmen sich stärker als Bereiche, die wenig Pumplicht absorbieren. Dies führt zu einem Temperaturgradienten innerhalb des Lasermedi­ ums, verbunden mit thermischen Spannungen, die so stark werden können, dass sie das La­ sermedium zerstören. Dadurch wird die maximale Pumpleistung und damit auch die maxi­ male Ausgangsleistung des Lasers begrenzt. Die Energiezufuhr durch das Pumpen und eine Energieabgabe an der Oberfläche des Lasermediums durch Kühlung führt über den dadurch hervorgerufen Temperaturgradienten, der mit einem Gradienten des Brechungsindex des La­ sermediums verbunden ist, zu der Ausbildung einer thermischen Linse. Bei inhomogener Verteilung des Pumplichts in dem Lasermedium variieren die Eigenschaften dieser thermi­ schen Linse längs der Richtung des Pumplichtstrahls. Dadurch wird die Strahlqualität des Lasers negativ beeinflusst, die Divergenz des Laserstrahls kann sich erhöhen und bei sehr hoher Pumpleistung kann unter Umständen der stabile Betrieb des Resonators unmöglich werden.

Da der Temperaturgradient mit dem Absorptionskoeffizienten des Lasermediums für das Pumplicht steigt, wäre ein sehr kleiner Absorptionskoeffizient wünschenswert. Bei Lasern der bekannten Bauformen wäre dann aber zur möglichst vollständigen Absorption des Pump­ lichts ein unrealisierbar langes Lasermedium erforderlich.

Wählt man einen hohen Absorptionskoeffizienten, so ist die Absorptionslänge klein, was bei longitudinalem Pumpen eine geringe Länge des Lasermediums erfordert. Dies begrenzt die Leistung und die Strahlqualität des Lasers. Transversales Pumpen ermöglicht zwar eine grö­ ßere Länge des Lasermediums, führt aber zu Problemen bei der Kühlung, da die Kühleinrich­ tung ebenso wie die Zuführung des Pumplichts am Umfang des Lasermediums angeordnet sein muss.

Weiterhin muss bei einem kurzen Lasermedium und hohem Absorptionskoeffizienten die Wellenlänge des Pumplichts sehr genau auf die Absorptionsbanden und die Länge des Laser­ mediums abgestimmt werden. Dies ist speziell bei der Verwendung von Laserdioden als Pumplichtquelle problematisch, da die Wellenlänge des von ihnen abgegebenen Lichts von ihrer Temperatur abhängt und somit eine genaue Temperaturstabilisierung erforderlich ist. Darüber hinaus kann eine für das gewählte Lasermedium in der Wellenlänge genau passende Laserdiode schwer verfügbar sein.

Es ist ein Festkörperlaser vorgeschlagen worden (E. C. Honea, R. J. Beach, S. B. Sutton, J. H. Speth, S. C. Mitchell, J. A. Skidmore, M. A. Emanuel, and S. A. Payne, IEEE J. Quantum Electron. 81, 1606 (1997)), der longitudinal von Laserdioden gepumpt wird und bei dem die den Laserdioden zugewandte Endfläche des Lasermediums für das Pumplicht durchlässig ist, die den Laserdioden abgewandte Endfläche des Lasermediums hingegen für das Pumplicht verspiegelt ist. Dies führt dazu, dass das Pumplicht das Lasermedium zweimal durchläuft. Dadurch wird die Absorptionslänge verdoppelt und der Temperaturgradient über der Länge des Lasermediums vermindert. Es ergibt sich aber immer noch eine Ungleichverteilung der Pumpenergie über der Länge des Lasermediums mit erhöhten Werten an den Enden und ei­ nem verminderten Wert in der Mitte des Lasermediums.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laser der eingangs genannten Art anzugeben, der mit ei­ nem sehr kleinen Absorptionskoeffizienten des Lasermediums für das Pumplicht betrieben werden kann und trotzdem bei üblicher Länge des Lasermediums eine möglichst vollständige Absorption und eine möglichst homogene Verteilung des Pumplichts in dem Lasermedium ermöglicht und dadurch die beschriebenen Nachteile bekannter Laser vermeidet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Spiegel des Resonators oder die Endflächen des Lasermediums auf mindestens einem Teil ihrer Fläche für das Pumplicht hochreflektierend ausgebildet sind und das Pumplicht derart in den Resonator eingekoppelt wird, dass es inner­ halb des Resonators mehrfach zwischen den Spiegeln oder den Endflächen des Lasermediums hin und her reflektiert wird.

Alternativ dazu kann die Aufgabe auch dadurch gelöst werden, dass mindestens ein zusätzli­ cher als Hohlspiegel ausgebildeter Pumplichtspiegel vorgesehen ist, in dessen oder nahe dessen Krümmungsmittelpunkt der Mittelpunkt der jeweils gegenüberstehenden Endfläche des Lasermediums liegt und das Pumplicht derart in den Resonator eingekoppelt wird, dass es innerhalb des Resonators mehrfach zwischen den Pumplichtspiegeln bzw. zwischen einem Pumplichtspiegel und dem auf der anderen Seite des Lasermediums angeordneten Spiegel oder der auf der anderen Seite des Lasermediums befindlichen Endfläche des Lasermediums hin und her reflektiert wird.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein sehr kleiner Absorptionskoeffizient des Laser­ mediums für das Pumplicht gewählt werden kann (z. B. unter 1/cm) verbunden mit einer sehr großen Absorptionslänge des Pumplichts im Lasermedium. Durch das mehrfache Hinundher­ laufen des Pumplichts im Lasermedium, das durch mehrfache Reflexion an den Spiegeln bzw. den für das Pumplicht verspiegelten Endflächen des Lasermediums und eventuell durch To­ talreflexion an der Mantelfläche des Lasermediums erzielt wird, gelingt es trotz des sehr klei­ nen Absorptionskoeffizienten, die Energie des Pumplichts fast vollständig zu absorbieren und sie sehr gleichmäßig über das gesamte Volumen des Lasermediums zu verteilen. Es bildet sich kein nennenswerter axialer Temperaturgradient aus und der Laser kann mit sehr hoher Leistung gepumpt werden. Das sehr gleichmäßige Pumpen des gesamten Volumens des La­ sermediums führt zu einem hohen Wirkungsgrad des Lasers und zur Ausbildung sauberer und stabiler Lasermoden.

Weiterhin ist besonders vorteilhaft, dass aufgrund der hohen Absorptionslänge die Wellen­ länge des Pumplichts nicht exakt auf die Absorptionsbanden und die Länge des Lasermedi­ ums abgestimmt werden muss.

Die Erfindung ist prinzipiell auf alle Arten von Lasern anwendbar. Besonders vorteilhaft ist sie für Festkörperlaser, bei denen ein Lasermedium mit hoher Pumpschwelle zum Einsatz kommt. Diese Laser müssen mit sehr hoher Pumpleistung betrieben werden und daher sind die eingangs beschriebenen Probleme bezüglich des Temperaturgradienten im Lasermedium hier besonders gravierend. Bei 3-Niveau-Lasern findet ein Lasermedium (z. B. Yb:YAG) Verwendung, das eine hohe Laserschwelle aufweist, die noch mit seiner Temperatur steigt. Um die Temperatur und damit die Laserschwelle möglichst niedrig zu halten, kann das Lasermedium sehr stark gekühlt werden, was einen erhöhten technischen und energetischen Aufwand bedingt und zu einer unerwünscht starken Ausbildung einer thermischen Linse im Lasermedium führt. Die durch die Erfindung ermöglichte sehr große Absorptionslänge des Pumplichts im Lasermedium gestattet die Verteilung der Pumpenergie auf ein großes Volu­ men, wodurch die Temperatur ohne verstärkten Kühlaufwand niedrig gehalten werden kann. Weiterhin senkt die erfindungsgemäß mögliche sehr niedrige Dotierung des Lasermediums die Laserschwelle eines 3-Niveau-Lasers ganz erheblich. Dadurch ist schon mit relativ kleiner Pumpleistung ein Betrieb des Lasers möglich.

An eine oder beide Stirnflächen des Lasermediums kann ein undotiertes Endstück z. B. durch ein Bonden genanntes Verfahren angebracht sein (die in den Ansprüchen und der Beschrei­ bung erwähnten Endflächen des Lasermediums werden in diesem Fall von den äußeren Stirn­ flächen der Endstücke definiert). Bei bekannten Lasern dienen diese Endstücke dazu, den Einbau des Lasermediums in eine Kühleinrichtung zu erleichtern. Da sich die Endstücke auf­ grund ihrer fehlenden Dotierung kaum erwärmen, brauchen sie nur zum Teil innerhalb der Kühleinrichtung montiert zu sein und eine erforderliche Abdichtung kann auf ihrem Umfang erfolgen.

Erfindungsgemäß kann ein solches Endstück zusätzlich zur Einkoppelung des Pumplichts in den Resonator dienen. Besonders vorteilhaft ist es, ein Endstück konisch auszubilden, wobei das dünnere Ende des Endstücks mit einer Stirnfläche des Lasermediums verbunden ist. Die Einkoppelung des Pumplichts geschieht dann im Randbereich der Stirnfläche des dickeren Endes des Endstücks. Die Lasermoden breiten sich maximal im Bereich des Durchmessers des Lasermediums aus und die Einkoppelung des Pumplichts erfolgt bei dieser Ausfüh­ rungsform außerhalb dieses Durchmessers. Der Vorteil liegt darin, dass der für das Pumplicht durchlässige Teilbereich der Endfläche nicht für das Laserlicht hochreflektierend ausgebildet sein muss, wodurch die Beschichtung dieser Endfläche einfacher durchzuführen ist. Außer­ dem verhindert diese Anordnung eine Rückkopplung von Laserlicht in die Pumplichtquelle.

Die Spiegel des Lasers können als separate Bauteile ausgeführt sein oder eine bzw. beide Endflächen des Lasermediums (bei angebrachten Endstücken ist damit die außen liegende Endfläche dieses Endstücks gemeint) können durch eine entsprechende Bedampfung als Spiegel dienen.

Der eine Spiegel ist für das Laserlicht hochreflektierend ausgebildet, der andere als Auskop­ pelspiegel dienende Spiegel ist für das Laserlicht zu einem gewissen Anteil durchlässig. Für das Pumplicht wird vorzugsweise ein Spiegel oder eine Endfläche des Lasermediums auf der gesamten Fläche hochreflektierend ausgebildet. Der andere Spiegel bzw. die andere Endflä­ che des Lasermediums, wo hindurch das Pumplicht in den Resonator des Lasers eingekoppelt wird, ist nur auf einem Teil der Fläche für das Pumplicht hochreflektierend ausgebildet. Der übrige Teil der Fläche ist für das Pumplicht durchlässig und vorzugsweise mit einer Antire­ flexschicht für das Pumplicht versehen.

Der für das Pumplicht durchlässige Teil kann im Randbereich des Spiegels bzw. der Endflä­ che des Lasermediums angeordnet sein. Vorteilhaft daran ist, dass die Einkoppelung im Randbereich oder sogar außerhalb des Durchmessers der Lasermoden erfolgen kann und somit der für das Pumplicht durchlässige Teilbereich nicht für das Laserlicht hochreflektie­ rend ausgebildet sein muss, wodurch die Beschichtung einfacher durchzuführen ist und die Lasermoden trotzdem kaum oder gar nicht gestört werden.

Der für das Pumplicht durchlässige Teil des Spiegels bzw. der Endfläche des Lasermediums kann ringförmig im äußeren Bereich des Spiegels bzw. der Endfläche des Lasermediums an­ geordnet sein. In diesen ringförmigen Bereich kann an mehreren Stellen Pumplicht eingekop­ pelt werden oder es wird ein ringförmiger Pumplichtstrahl, der unter Verwendung eines Axi­ con genannten optischen Bauteils erzeugt werden kann, eingekoppelt.

Wird bei einem Laser mit konischem Endstück oder mit einem gekrümmten Spiegel, der für das Pumplicht wirksam ist, das Pumplicht unter einem zu großen Winkel zur optischen Achse des Lasers eingekoppelt, so wird nach wenigen Reflexionen der Grenzwinkel der Totalrefle­ xion an der Mantelfläche des Lasermediums überschritten und ein Teil des Pumplichts geht verloren. Dieses Problem wird bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung vermieden. Hier ist der für das Pumplicht durchlässige Teil in der Mitte des Spiegels bzw. der Endfläche des Lasermediums angeordnet, wodurch eine Einkoppelung des Pumplichts in der optischen Achse des Lasers erfolgen kann und die Bedingungen für ein häufiges Hinundherreflektieren des Pumplichts besonders gut erfüllt sind. Diese Ausführungsform erlaubt eine besonders ho­ mogene Verteilung des Pumplichts im Lasermedium. Wird der für das Pumplicht durchlässige Teil des Spiegels bzw. der Endfläche des Lasermediums für das Laserlicht hochreflektierend ausgebildet, so wird eine Störung der Lasermoden vermieden. Wird bei Einkoppelung in der optische Achse des Lasers das Pumplicht unter einem relativ kleinen Öffnungswinkel einge­ strahlt, so wird es die Mantelfläche des Lasermediums nie erreichen. In diesem Fall hat somit eine Totalreflexion des Pumplichts an der Mantelfläche des Lasermediums keine Bedeutung für die Ausbreitung des Pumplichts im Lasermedium.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Einkoppelung des Pumplichts zwischen einem der Spiegel, der in diesem Fall als separates Bauteil ausgebildet sein muss, und der diesem Spiegel gegenüberstehenden Endfläche des Lasermediums. Hierzu kann das Ende einer das Pumplicht übertragenden Lichtleitfaser und/oder ein kleiner Spiegel oder ein Prisma in diesem Bereich angeordnet sein. Die Endfläche des Lasermediums ist dann bis auf einen Teilbereich, der für das Pumplicht durchlässig ausgebildet ist, für das Pumplicht hoch­ reflektierend beschichtet. Zur Einkoppelung wird das Pumplicht auf den für das Pumplicht durchlässigen Teilbereich der Endfläche des Lasermediums eingestrahlt. Die Einkoppelung erfolgt dabei unter einem so geringen Winkel zur optischen Achse des Lasers, dass die Be­ dingung für Totalreflexion an der Mantelfläche des Lasermediums erfüllt ist. Dazu können eine oder mehrere Lichtleitfasern am Umfang des Lasermediums im flachen Winkel zur opti­ schen Achse des Lasers angeordnet sein. Das Pumplicht wird durch diese Lichtleitfaser hin­ durch auf die Endfläche des Lasermediums eingestrahlt.

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind die Spiegel bzw. die Endflächen des Laser­ mediums auf ihrer gesamten Fläche für das Pumplicht hochreflektierend ausgebildet. Die Spiegel können sowohl als separate Bauteile als auch in Form einer reflektierenden Be­ schichtung der Endflächen des Lasermediums ausgeführt sein. Das Pumplicht wird über ein geeignet geformtes prismenartiges Bauteil, im Folgenden als Koppelprisma bezeichnet, wel­ ches an der Mantelfläche des Lasermediums oder an der Mantelfläche eines mit dem Laser­ medium verbundenen Endstücks angebracht ist, in den Resonator eingekoppelt. In dem Kop­ pelprisma wird das Pumplicht derart umgelenkt, dass es unter einem so kleinen Winkel zur optischen Achse in den Resonator eingestrahlt wird, dass die Bedingung für Totalreflexion an der Mantelfläche des Lasermediums erfüllt ist. Das Koppelprisma ist vorzugsweise in der Nähe einer der Endflächen des Lasermediums angeordnet, da es in diesem Bereich nicht mit einer Kühleinrichtung des Lasers kollidiert. Weiterhin ist die Anbringung des Koppelprismas an einem undotierten Endstück von Vorteil, da sie fertigungstechnisch einfacher ist als die Anbringung an dem Lasermedium. Das Pumplicht kann sowohl in Richtung der nächstgele­ genen Endfläche des Lasermediums eingestrahlt werden als auch in der Gegenrichtung.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind zusätzlich zu den bisher erwähnten zwei Spiegeln des Lasers ein oder zwei weitere als Pumplichtspiegel bezeichnete Spiegel vorgese­ hen. Die Pumplichtspiegel können vom Lasermedium aus gesehen jeweils hinter einem der Spiegel des Lasers angeordnet sein. Die Pumplichtspiegel können aber auch jeweils zwischen einer Endfläche des Lasermediums und dem gegenüberstehenden Spiegel des Lasers positio­ niert sein. Im Pumplichtspiegel muss dann eine Öffnung oder ein für das Laserlicht durchläs­ siger Bereich vorgesehen sein. Weiterhin ist es möglich, dass ein Spiegel des Lasers als Be­ standteil eines Pumplichtspiegels ausgeführt wird. Dazu muss dann der zentrale Bereich des Pumplichtspiegels in seiner Geometrie und Beschichtung so ausgebildet sein, dass er als Spiegel des Lasers dienen kann.

Die Pumplichtspiegel werden als Hohlspiegel ausgebildet, wobei sich vorzugsweise der Mit­ telpunkt der dem jeweiligen Pumplichtspiegel gegenüberstehenden Endfläche des Lasermedi­ ums in oder nahe seinem Krümmungsmittelpunkt befindet. Dadurch werden Pumplichtstrah­ len, die das Lasermedium verlassen und auf die Oberfläche des Pumplichtspiegels treffen, in sich selbst (oder zumindest nahezu in sich selbst) reflektiert und treten wieder in das Laser­ medium ein. Auf diese Weise gelingt es besonders gut, das Pumplicht vielfach im Resonator hin und her laufen zu lassen.

Das Pumplicht kann im Bereich zwischen einem Pumplichtspiegel und der gegenüberstehen­ den Endfläche des Lasermediums in den Resonator eingekoppelt werden. Hierzu kann das Ende einer Lichtleitfaser und/oder ein kleiner Spiegel oder ein Prisma in diesem Bereich an­ geordnet sein. Das Pumplicht wird dann auf die Oberfläche des Pumplichtspiegels oder aber auf die Endfläche des Lasermediums eingestrahlt.

Weiter ist es möglich, das Pumplicht durch eine bzw. mehrere Öffnungen oder eine bzw. mehrere für das Pumplicht durchlässige Teilbereiche des Pumplichtspiegels in die dem Pump­ lichtspiegel gegenüberstehenden Endfläche des Lasermediums einzustrahlen.

Es ist auch möglich, einen Strahlteiler zwischen einem der Spiegel und der gegenüberstehen­ den Endfläche des Lasermediums anzuordnen, über den das Pumplicht in den Resonator ein­ gekoppelt wird. Die optische Achse des Pumplichtspiegels ist dann quer zur optischen Achse des Lasers ausgerichtet. Die Pumplichtquelle strahlt das Pumplicht durch eine Öffnung oder durch einen für das Pumplicht durchlässigen Bereich des Pumplichtspiegels hindurch in den Strahlteiler ein, der es auf die optische Achse des Lasers umlenkt. Das Laserlicht durchstrahlt den Strahlteiler geradlinig und ungestört. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass das Pumplicht direkt auf der optischen Achse des Lasers eingestrahlt werden kann. Das ist mit einer besonders günstigen Verteilung des Pumplichts im Resonator verbunden, ohne das spe­ zielle Beschichtungen eines Laserspiegels oder einer Endfläche des Lasermediums erforder­ lich sind. Die Anordnung des Pumplichtspiegels und der Pumplichtquelle in Bezug auf die übrigen Bauteile ist bei dieser Ausführungsform besonders problemlos realisierbar. Es können alle bekannten Arten von Strahlteilern zum Einsatz kommen wie z. B. ein polarisierender Würfel, eine dielektrisch bedampfte Glasplatte oder ein Prisma.

Mehrere der beschriebenen Einkoppelarten des Pumplichts können kombiniert werden, wie z. B. das Einstrahlen in eine Endfläche des Lasermediums und zusätzlich das Einstrahlen mit mindestens einem Koppelprisma in die Mantelfläche des Lasermediums. Auch kann an beiden Endflächen des Lasermediums gleichzeitig Pumplicht eingekoppelt werden.

Bei allen genannten Ausführungsformen der Erfindung kann das Pumplicht sowohl direkt von der Pumplichtquelle als auch unter Zwischenschaltung einer Lichtleitfaser und/oder einer aus einer oder mehreren Linsen bestehenden Einkoppeloptik in den Resonator eingekoppelt wer­ den.

Als Pumplichtquelle kann eine Vielzahl bekannter Lichtquellen zum Einsatz kommen. Beson­ ders vorteilhaft kann eine Laserdiode oder ein Array von Laserdioden verwendet werden, de­ ren Licht in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Mittels dieser Lichtleitfaser wird das Pumplicht dann in den Resonator eingekoppelt. Da erfindungsgemäß die Wellenlänge der Pumplichtquelle nicht genau auf die Absorptionsbanden des Lasermediums abgestimmt wer­ den muss, können auch breitbandige Lichtquellen wie z. B. starke Weißlichtquellen als Pump­ lichtquelle verwendet werden.

Weist das Strahlenbündel des Pumplichts einen recht großen Öffnungswinkel auf (z. B. min­ destens 20°), so ergeben sich relativ stark voneinander abweichende Verläufe der Einzel­ strahlen des Strahlenbündels im Lasermedium und die Verteilung des Pumplichts im Laser­ medium wird besonders homogen. Den großen Öffnungswinkel kann man z. B. erreichen, indem man das Pumplicht mittels einer Lichtleitfaser mit hoher numerischer Apertur (z. B. größer als 0,3) einkoppelt oder eine geeignet ausgelegte Einkoppeloptik verwendet.

Die Erfindung kann auch bei Lasern zum Einsatz kommen, in deren Resonator weitere Bau­ teile wie z. B. ein nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdopplung oder Polarisatoren angeord­ net sind.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipbild eines Lasers mit einem für das Pumplicht durchlässigen Teilbereich eines der Spiegel,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Spiegel mit einem für das Pumplicht durchlässigen Teilbe­ reich nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Laser mit einem zur Einkoppelung des Pumplichts vorgesehenen Endstück,

Fig. 4 einen Laser mit einer ringförmigen Einkoppelung des Pumplichts,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die eine Endfläche des Lasermediums nach Fig. 4,

Fig. 6 einen Laser mit einem Einkoppelprisma,

Fig. 7 einen Laser mit einem zusätzlichen Pumplichtspiegel,

Fig. 8 einen Laser mit einem Pumplichtspiegel und einem Strahlteiler zur Einkoppelung des Pumplichts und

Fig. 9 einen Laser mit einem Pumplichtspiegel und Einkoppelung des Pumplichts in der optischen Achse des Lasers.

Der in Fig. 1 dargestellte Laser ist als Festkörperlaser ausgeführt und aus einem stabförmigen Lasermedium 1 aus z. B. Yb:YAG, einem ersten Spiegel 2 und einem zweiten als Auskoppel­ spiegel dienenden Spiegel 3 sowie einer Pumplichtquelle 4 aufgebaut. Die Dotierung des Lasermediums 1 ist so gewählt worden, dass sich für das Pumplicht 6 eine Absorption von ca. 1/cm ergibt. Die beiden Spiegel 2, 3 und das Lasermedium 1 bilden zusammen den Reso­ nator 5 des Lasers. Das von der Pumplichtquelle 4 erzeugte Pumplicht 6 wird über eine Lichtleitfaser 7 und eine Einkoppeloptik 8 in den Resonator 5 eingekoppelt. Im Resonator 5 erzeugtes Laserlicht 9, das auch die optische Achse des Lasers definiert, verlässt den Reso­ nator 5 über den Auskoppelspiegel 3. Um die Übersichtlichkeit der Zeichnungen zu verbes­ sern ist das Laserlicht 9 in den Fig. 1, 3, 4 und 6 nur im Bereich rechts vom Laserme­ dium 1 dargestellt.

Mit den Stirnseiten 10, 11 des Lasermediums 1 ist jeweils ein zylindrisches Endstück 12, 13 verbunden. Die Endstücke 12, 13 bestehen aus dem gleichen Material wie das Laserme­ dium 1, sind aber undotiert und sie sind z. B. durch Bonden mit dem Lasermedium 1 verbun­ den worden. Die äußeren Stirnseiten der Endstücke 12, 13 werden im Folgenden als die Endflächen 14, 15 des Lasermediums 1 bezeichnet. Um das Lasermedium 1 und einen Teil­ bereich der Endstücke 12, 13 herum ist eine schematisch dargestellte Kühleinrichtung 16 angeordnet. Das Lasermedium 1 befindet sich somit vollständig im Innern der Kühleinrich­ tung 16 und kann optimal gekühlt werden. Die nötige Abdichtung der Kühleinrichtung 16 wird im Bereich der Endstücke 12, 13 vorgenommen. Über einen Zulauf 17 gelangt ein Kühlmittel (z. B. Wasser) in die Kühleinrichtung 16, kühlt das Lasermedium 1 und verlässt die Kühleinrichtung 16 über einen Ablauf 18 wieder.

Der Spiegel 3 ist als separates Bauteil ausgeführt. Die diesem Spiegel 3 gegenüberliegende Endfläche 15 des Lasermediums 1 ist für das Laserlicht 9 durchlässig, für das Pumplicht 6 hingegen ist sie hochreflektierend beschichtet.

Der Spiegel 2 ist als für das Laserlicht 9 hochreflektierende Beschichtung der Endfläche 14 des Lasermediums 1 ausgeführt. Zusätzlich wirkt diese Beschichtung bis auf einen zentral an­ geordneten Teilbereich 19 auch für das Pumplicht 6 hochreflektierend. In dem Teilbereich 19 (in Fig. 1 durch eine dünnere Linie angedeutet) ist die Endfläche 14 mit einer für das Pump­ licht 6 wirksamen Antireflexbeschichtung versehen. In Fig. 2 ist die Oberfläche des Spie­ gels 2 in Draufsicht dargestellt. Die schraffierte Fläche stellt die für das Pumplicht 6 und das Laserlicht 9 hochreflektierende Beschichtung dar, in der ein gegenüber dem Spiegeldurch­ messer kleiner kreisförmiger Teilbereich 19 angeordnet ist, in dem der Spiegel 2 für das Pumplicht 6 durchlässig ist. Als Fläche des Teilbereichs 19 wird in diesem Beispiel ca. 1% der Gesamtfläche des Spiegels 2 gewählt.

Durch den Teilbereich 19 hindurch strahlt die Pumplichtquelle 4 über eine Einkoppeloptik 8 das Pumplicht 6 in die Endfläche 14 des Lasermediums 1 hinein. Im Lasermedium 1 breitet sich ein leicht divergentes Strahlenbündel aus. In Fig. 1 ist der Übersichtlichkeit wegen nur ein einzelner Strahl auf einem Teil seines Weges eingezeichnet. Das Pumplicht 6 wird an der Mantelfläche 20 und den Endflächen 14 und 15 des Lasermediums 1 vielfach reflektiert und auf dem dadurch langen Weg durch das Lasermedium 1 langsam absorbiert. Ein Pumplicht­ strahlenbündel mit entsprechend kleinem Öffnungswinkel würde, anders als in der Zeichnung dargestellt, im Lasermedium mehrfach hlin und her laufen ohne die Mantelfläche des Laser­ mediums zu erreichen. Durch die Divergenz des Pumplichtstrahls ergeben sich viele leicht unterschiedliche Strahlverläufe des Pumplichts 6 innerhalb des Lasermediums 1, wodurch das gesamte Volumen des Lasermediums 1 sehr gleichmäßig von dem Pumplicht 6 durchstrahlt und somit das Lasermedium 1 auch in seinem gesamten Volumen sehr gleichmäßig gepumpt wird. Dadurch gibt es keinen nennenswerten axialen Temperaturgradienten und damit auch kaum thermische Spannungen in axialer Richtung im Lasermedium 1. Der Laser kann mit sehr hoher Pumpleistung gepumpt werden und arbeitet trotzdem stabil mit einer guten Qua­ lität des Laserstrahls 9.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines Lasers dargestellt, bei dem an der einen Stirnflä­ che 10 des Lasermediums 1 ein konisches Endstück 12 angebracht ist. Das dem Laserme­ dium 1 abgewandte Ende des Endstücks 12 weist einen größeren Durchmesser als das Lasermedium 1 auf und es wird im Folgenden als die Endfläche 14 des Lasermediums 1 be­ zeichnet. Es ist bis auf einen kleinen Teilbereich 19 für das Pumplicht 6 und das Laserlicht 9 hochreflektierend beschichtet und stellt damit den einen Spiegel 2 des Lasers dar. Der zweite Spiegel 3 ist als separates Bauteil ausgeführt. Die zweite Endfläche 15 des Lasermediums 1 ist für das Pumplicht 6 hochreflektierend und für das Laserlicht 9 durchlässig beschichtet.

Die Pumplichtquelle 4 koppelt ihr Pumplicht 6 in den im Randbereich des Endstücks 12 an­ geordneten kleinen für das Pumplicht 6 durchlässigen Teilbereich 19 in den Resonator 5 ein. Da die Endfläche 14 einen größeren Durchmesser als das Lasermedium 1 aufweist, liegt der Teilbereich 19 außerhalb des Bereichs, in dem sich auf dem Spiegel 2 die Moden des Lasers ausbilden und er muss daher nicht für das Laserlicht 9 hochreflektierend ausgebildet sein. Die Ausbreitung des Pumplichts innerhalb des Lasermediums 1 und des Endstücks 12 wird wie­ der, wie schon zu Fig. 1 beschrieben, durch mehrfache Reflexion an der Endfläche 15, der Mantelfläche 20 des Lasermediums 1 und dem Spiegel 2 bestimmt. Zusätzlich wird das Pumplicht 6 an der Mantelfläche des Endstücks 12 totalreflektiert.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Lasers, der wie schon zu Fig. 3 beschrieben ein mit dem Lasermedium 1 verbundenes konisches Endstück 12 aufweist. Der Pumplicht­ strahl 6 wird durch ein Axicom, das aus 2 kegligen rotationssymmetrischen Glaskörpern 21, 22 aufgebaut ist, zu einem ringförmigen Strahl umgeformt. Der Spiegel 2 ist in seinem mittle­ ren Bereich für das Pumplicht 6 und das Laserlicht 9 hochreflektierend beschichtet. Fig. 5 zeigt die Oberfläche des Spiegels 2 in Draufsicht. Die schraffierte Fläche stellt die für das Pumplicht 6 und das Laserlicht 9 hochreflektierende Beschichtung dar, um die herum ein ringförmiger Teilbereich 19 angeordnet ist, in dem der Spiegel 2 für das Pumplicht 6 durch­ lässig und antireflexbeschichtet ist. Der ringförmige Pumplichtstrahl 6 wird durch diesen Randbereich 19 in den Resonator 5 eingekoppelt. Die Endfläche 14 des Lasermediums 1 ist für das Pumplicht 6 durchlässig, die Endfläche 15 ist für das Pumplicht 6 hochreflektierend beschichtet. Die Ausbreitung des Pumplichts 6 im Resonator 5 geschieht wieder so, wie schon zu Fig. 1 und Fig. 3 beschrieben.

In Fig. 6 ist ein Laser mit einem Lasermedium 1 dargestellt, dessen Endflächen 14, 15 als Spiegel 2, 3 ausgebildet sind. Beide Spiegel sind auf ihrer gesamten Fläche für das Pump­ licht 6 hochreflektierend beschichtet. An einer Stelle der Mantelfläche 20 des Lasermedi­ ums 1 ist ein Koppelprisma 23 optisch angekittet. Das Koppelprisma 23 ist so geformt, dass die Pumplichtquelle 4 das Pumplicht 6 senkrecht auf eine Fläche des Koppelprismas 23 ein­ strahlen kann und das Pumplicht 6 dann unter einem flachen Winkel zur optischen Achse des Lasers in das Lasermedium 1 eindringt. Im Lasermedium 1 wird es zwischen den Spiegeln 2, 3 und der Mantelfläche 20 mehrfach hin und her reflektiert.

In Fig. 7 ist ein Laser dargestellt, bei dem die eine Endfläche 14 des Lasermediums 1 für das Laserlicht 9 und das Pumplicht 6 antireflexbeschichtet ist. Die andere Endfläche 15 ist für das Pumplicht 6 hochreflektierend beschichtet. Gegenüber der Endfläche 14 ist ein Hohlspiegel angeordnet, der im Folgenden als Pumplichtspiegel 24 bezeichnet wird. Er ist gegenüber der Endfläche 14 des Lasermediums 1 derart angeordnet, dass sein Krümmungsmittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Endfläche 14 nahezu oder genau zusammenfällt. Die Spiegel 2, 3 des Lasers sind als separate Bauteile vorgesehen. Der Pumplichtspiegel 24 weist eine zentrale Bohrung 25 auf, durch die der Laserstrahl 9 verläuft.

Der Pumplichtspiegel 24 ist bis auf einen kleinen Teilbereich 26, der als Bohrung ausgeführt ist, für das Pumplicht 6 hochreflektierend beschichtet. Die Pumplichtquelle 4 strahlt das Pumplicht 6 durch den für das Pumplicht 6 durchlässigen Teilbereich 26 des Pumplichtspie­ gels 24 hindurch auf die Endfläche 14 des Lasermediums 1 ein.

Im Lasermedium 1 wird das Pumplicht 6 an der Mantelfläche 20 und der Endfläche 15 des Lasermediums 1 reflektiert und verlässt schließlich das Lasermedium 1 wieder über die End­ fläche 14. Es wird vom Pumplichtspiegel 24 in sich selbst oder nahezu in sich selbst reflek­ tiert und gelangt wieder in das Lasermedium 1 zurück. Es absolviert mehrere Umläufe zwi­ schen dem Pumplichtspiegel 24 und der Endfläche 15 und wird dabei von dem Laserme­ dium 1 absorbiert. Da der Pumplichtstrahl 6 einen gewissen Öffnungswinkel aufweist, erge­ ben sich viele Strahlverläufe mit etwas unterschiedlichen Winkeln innerhalb des Lasermedi­ ums 1. Durch entsprechende Justierung der Bauteile kann auch ein schraubenförmiger Ver­ lauf des Pumplichts 6 durch das Lasermedium 1 erreicht werden. Das gesamte Volumen des Lasermediums 1 wird somit vom Pumplicht 6 durchstrahlt.

Fig. 8 zeigt eine Variante der in Fig. 7 dargestellten Erfindung. Der Strahlverlauf des Pump­ lichts 6 wird hierbei mittels eines Strahlteilers 27 um 90° umgelenkt. Die Pumplichtquelle 4 und der Pumplichtspiegel 24 sind seitlich neben dem Resonator 5 angeordnet. Das Pump­ licht 6 wird durch einen durchlässigen Bereich des Pumplichtspiegels 24, der als zentrale Bohrung 26 ausgebildet ist, hindurch in den würfelförmigen Strahlteiler 27 eingestrahlt. An einer unter 45° zur optischen Achse des Lasers gelegenen Grenzfläche des Strahlteilers 27 wird das Pumplicht 6 reflektiert und in die optische Achse des Lasers umgelenkt. Das Pump­ licht wird mehrfach an der Mantelfläche 20, der Endfläche 15, dem Strahlteiler 27 und dem Pumplichtspiegel 24 reflektiert und bei jedem Umlauf zum Teil von dem Lasermedium 1 absorbiert. Für das Laserlicht 9 ist der Strahlteiler 27 durchlässig und es durchstrahlt ihn weitgehend unbeeinflusst.

Fig. 9 zeigt eine weitere Variante der in Fig. 7 dargestellten Erfindung. Der Spiegel 2 ist als für das Laserlicht 9 hochreflektierende und für das Pumplicht durchlässige Beschichtung der Endfläche 14 des Lasermediums 1 ausgeführt. Der Auskoppelspiegel 3 ist als separates Bau­ teil ausgebildet. Die diesem Auskoppelspiegel 3 gegenüberliegende Endfläche 15 des Laser­ mediums 1 ist für das Laserlicht 9 durchlässig, für das Pumplicht 6 hingegen ist sie hochre­ flektierend beschichtet. Gegenüber der Endfläche 14 ist ein Pumplichtspiegel 24 derart ange­ ordnet, dass sein Krümmungsmittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Endfläche 14 nahezu oder genau zusammenfällt. Das von der Pumplichtquelle 4 erzeugte Pumplicht 6 wird durch eine Lichtleitfaser 7 geführt. Der Pumplichtspiegel 24 weist eine zentrale Bohrung 26 auf in die das Ende der Lichtleitfaser 7 hineinragt. Der Abstand des Endes der Lichtleitfaser 7 von der Endfläche 14 und die Divergenz des austretenden Pumplichts 6 sind so gewählt, dass die Endfläche 14 von dem Pumplicht 6 voll ausgeleuchtet wird. Die Ausbreitung des Pump­ lichts 6 im Resonator 5 geschieht analog zu den in Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsfor­ men und ist in Fig. 9 nicht dargestellt.

Claims (20)

1. Laser, umfassend eine Pumplicht (6) aussendende Pumplichtquelle (4) und einen Reso­ nator (5) mit einem ersten Spiegel (2), einem zweiten als Auskoppelspiegel (3) dienen­ den Spiegel und einem zwischen den Spiegeln (2, 3) angeordneten, zwei Endflächen (14, 15) aufweisenden Lasermedium (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (2, 3) auf mindestens einem Teil ihrer Fläche für das Pumplicht (6) hochreflektierend ausgebil­ det sind und das Pumplicht (6) derart in den Resonator (5) eingekoppelt wird, dass es innerhalb des Resonators (5) mehrfach zwischen den Spiegeln (2, 3) oder den Endflä­ chen (14, 15) des Lasermediums 1 hin und her reflektiert wird.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer der Stirn­ flächen (10, 11) des Lasermediums (1) ein undotiertes Endstücks (12, 13) verbunden ist, wobei jeweils die dem Lasermedium (1) abgewandte Stirnfläche des Endstücks (12, 13) die Endfläche (14, 15) des Lasermediums (1) definiert.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (12, 13) konisch sich zur Endfläche (14, 15) hin erweiternd ausgebildet ist.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Endflächen (14, 15) des Lasermediums (1) als Spiegel (2, 3) ausgebildet ist.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (2, 3) einen für das Pumplicht (6) durchlässigen Teilbereich (19) auf­ weist, der zur Einkoppelung des Pumplichts (6) in den Resonator (5) vorgesehen ist.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Pumplicht (6) durchlässige Teilbereich (19) im Mittenbereich eines der Spiegel (2, 3) angeordnet ist.

7. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Pumplicht (6) durchlässige Teilbereich (19) im Randbereich eines der Spiegel (2, 3) angeordnet ist.

8. Laser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Pumplicht (6) durchlässige Teilbereich (19) ringförmig ausgebildet ist und ein ringförmiger Pumplicht­ strahl (6) in diesen Teilbereich (19) eingekoppelt wird.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pump­ licht (6) zwischen einem der Spiegel (2, 3) und der diesem Spiegel gegenüberstehenden Endfläche (14, 15) des Lasermediums (1) in den Resonator 5 eingekoppelt wird.

10. Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumplicht (6) in eine End­ fläche (14, 15) des Lasermediums (1) eingestrahlt wird, wobei die betreffende Endfläche (14, 15) des Lasermediums (1) einen für das Pumplicht (6) durchlässigen Teilbe­ reich (19) aufweist, der zur Einkoppelung des Pumplichts (6) in den Resonator (5) vor­ gesehen ist, der übrige Bereich der betreffende Endfläche (14, 15) für das Pumplicht (6) hochreflektierend ausgebildet ist und der dieser Endfläche (14, 15) gegenüberliegende Spiegel (3, 2) auf seiner ganzen Fläche für das Pumplicht (6) hochreflektierend ausgebil­ det ist.

11. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Man­ telfläche (20) des Lasermediums (1) oder eines undotierten Endstücks (12, 13) mindes­ tens ein Koppelprisma (23) angebracht ist, das zur Einkoppelung des Pumplichts (6) in den Resonator (5) vorgesehen ist.

12. Laser, umfassend eine Pumplicht (6) aussendende Pumplichtquelle (4) und einen Reso­ nator (5) mit einem ersten Spiegel (2), einem zweiten als Auskoppelspiegel (3) dienen­ den Spiegel und einem zwischen den Spiegeln (2, 3) angeordneten, zwei Endflächen (14, 15) aufweisenden Lasermedium (1), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zu­ sätzlicher als Hohlspiegel ausgebildeter Pumplichtspiegel (24) vorgesehen ist, in dessen oder nahe dessen Krümmungsmittelpunkt der Mittelpunkt der gegenüberstehenden End­ fläche (14) des Lasermediums (1) liegt und das Pumplicht (6) derart in den Resona­ tor (5) eingekoppelt wird, dass es innerhalb des Resonators (5) mehrfach zwischen den Pumplichtspiegeln (24) bzw. zwischen einem Pumplichtspiegel (24) und dem auf der an­ deren Seite des Lasermediums (1) angeordneten Spiegel (3) oder der auf der anderen Seite des Lasermediums (1) befindlichen Endfläche (15) des Lasermediums (1) hin und her reflektiert wird.

13. Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Pump­ lichtspiegel (24) einen für das Pumplicht (6) durchlässigen Teilbereich (26) aufweist, der zur Einkoppelung des Pumplichts (6) in den Resonator vorgesehen ist.

14. Laser nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem der Spiegel (2, 3) und der gegenüberstehenden Endfläche (14, 15) des Lasermediums (1) ein Strahlteiler (27) angeordnet ist, der dafür vorgesehen ist, das Laserlicht (9) unbeeinflusst passieren zu lassen, das Pumplicht (6) jedoch um 90° abzulenken, der Pumplichtspie­ gel (24) seitlich neben dem Resonator (5) so angeordnet ist, dass seine optische Achse durch den Strahlteiler (27) verläuft und mit der optischen Achse des Lasers einen rechten Winkel bildet, die Pumplichtquelle (4) hinter dem Pumplichtspiegel (24) angeordnet ist und das Pumplicht (6) durch einen zentralen für das Pumplicht (6) durchlässigen Teilbe­ reich (26) des Pumplichtspiegels (24) hindurch in den Resonator (5) des Lasers einge­ koppelt wird.

15. Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumplicht (6) zwischen ei­ nem der Pumplichtspiegel (24) und der jeweils gegenüberstehenden Endfläche (14) des Lasermediums (1) durch Einstrahlen auf den Pumplichtspiegel (24) oder die Endflä­ che (14) des Lasermediums (1) in den Resonator (5) eingekoppelt wird.

16. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einkop­ pelung des Pumplichts (6) in den Resonator (5) eine Lichtleitfaser (7) und/oder eine Ein­ koppeloptik (8) vorgesehen ist.

17. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen­ bündel des Pumplichts (6) bei der Einkoppelung in den Resonator einen Öffnungswinkel von mindestens 20° aufweist.

18. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser als Festkörperlaser ausgebildet ist.

19. Laser nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption des Lasermedi­ ums (1) für das Pumplicht (6) unter 1/cm liegt.

20. Laser nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass er als 3-Niveau-Laser ausgebildet ist und als Lasermedium Yb:YAG mit einer Dotierung unter 1% verwendet wird.