DE10045371B4 - Laser mit einem Resonator, in dem ein Laserstab und ein Teleskop angeordnet sind - Google Patents

Laser mit einem Resonator, in dem ein Laserstab und ein Teleskop angeordnet sind Download PDF

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Abstract

Laser mit einem Resonator, in dem ein Laserstab und ein Teleskop angeordnet sind, wobei das Teleskop zwischen dem Laserstab und einer Lochblende vor einem Resonatorspiegel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Laserstab (3) eingekoppelte Pumplicht (17) in dem Laserstab (3) indexgeführt ist und daß das Teleskop (7) den Querschnitt (14) des von dem Laserstab (3) kommenden Laserstrahls (13) aufweitet und den Querschnitt (15) des von dem Resonatorspiegel (12) durch die Öffnung (11) der Lochblende (10) reflektierten Laserstrahls (13) auf einen emittierenden Kernbereich (16) des Laserstabs (3) um seine Längsachse reduziert.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser mit einem Resonator, in dem ein Laserstab und ein Teleskop angeordnet sind, wobei das Teleskop zwischen dem Laserstab und einer Lochblende vor einem Resonatorspiegel angeordnet ist.
  • Ein wichtiges Kriterium für die Leistungsfähigkeit eines Lasers ist die als M2 bestimmte Qualität des emittierten Laserstrahls. Dabei ist M2 das Quadrat des Quotienten aus dem tatsächlich erreichten Durchmesser des Laserstrahls in einem Fokus und dem theoretisch erreichbaren Durchmessers, der durch unvermeidbare Beugungsphänomene nach unten begrenzt ist.
  • Bei sogenannten konfokal gepumpten Lasern kann ein Wert von M2 in der Größenordnung von 1 erreicht werden, die erreichbare Leistung des Laserlichts ist jedoch typischerweise auf unter 50 Watt begrenzt.
  • Bei Faserlasern, bei denen dotiertes Lasermaterial nur als dünne Faser innerhalb eines undotierten Trägermaterials vorgesehen ist, in dem Pumplicht indexgeführt wird, kann ein Wert von M2 ebenfalls in der Größenordnung von 1 erreicht werden. Aber auch hier ist die Leistung der mit dieser Strahlqualität erreichbaren Laserstrahlung auf typischerweise unter 50 Watt begrenzt.
  • Mit sogenannten Scheibenlasern sind auch größere Laserleistungen in der Größenordnung von hundert Watt mit einer Strahlqualität der Laserstrahlung M2 in der Größenordnung von 1 erreichbar. Allerdings weisen Scheibenlaser eine komplexe Pumpgeometrie auf, und bei höheren Laserleistungen verschlechtert sich die Strahlqualität signifikant.
  • Mit Lasern, die auf einem stabförmigen aktiven Festkörpermaterial basieren, welches in radialen oder axialen Pumpgeometrien angeregt wird, sind relativ große Laserleistungen erreichbar. Dies ist darauf zurückzuführen, daß ein relativ großes Volumen an dotiertem Material innerhalb des Laserstabs genutzt wird. Allerdings ist die Strahlqualität bei einem solchen Laser relativ schlecht und liegt ohne zusätzliche Maßnahmen oberhalb M2 = 10.
  • Aus „Solid-State Laser Engineering" W.Koechner, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, Seiten 229 bis 231 ist ein Laser der eingangs beschriebenen Art bekannt, in dessen Resonator neben dem Laserstab ein Teleskop zwischen dem Laserstab und einer Lochblende vor einem konkaven Resonatorspiegel angeordnet ist. Dabei reduziert das Teleskop den Querschnitt des von dem Laserstab kommenden Laserstrahls und weitet den Querschnitt des von dem konkaven Resonatorspiegel durch die Öffnung der Lochblende reflektierten Laserstrahls auf. Hierdurch soll der Querschnitt des Laserstrahls, der durch die Lochblende hindurchtritt und auf den konkaven Resonatorspiegel auftrifft, derart reduziert werden, daß Beugungsverluste für Moden höherer Ordnung, die zu einer Verschlechterung der Laserstrahlqualität beitragen, besonders groß sind. Gleichzeitig soll durch die Aufweitung des Laserstrahls zum Laserstab hin trotzdem der gesamte Querschnitt des Laserstabs für die Erzeugung des Laserstrahls nutzbar sein. Weiterhin soll durch die einstellbare fokale Länge des Teleskops eine leichte Einstellbarkeit des Lasers in seinem Stabilitätsdiagramm gegeben sein. Der bekannte Laser weist eine Güteschaltung in dem Resonator auf; das Material seines Laserstabs ist ein Nd:YAG-Kristall.
  • Aus Optical and Quantum Electronics, 13 (1981), S. 493 bis 507 ist ein Laser mit einem Resonator bekannt, in dem ein Laserstab und ein Teleskop angeordnet sind, wobei das Teleskop zwischen dem Laserstab und einem Resonatorspiegel angeordnet ist. Das Teleskop ist so angeordnet, dass es den Querschnitt des von dem Laserstab kommenden Laserstrahls verkleinert und den Querschnitt des von dem konkaven Resonatorspiegel zurückkommenden Laserstrahls wieder vergrößert. Weiter wird die Funktion von Lochblenden vor den Resonatorspiegeln eines Lasers beschrieben.
  • Aus der EP 0 247 823 B1 ist ein Laser mit einem Resonator, in dem ein Laserstab und ein Teleskop angeordnet sind, bekannt, wobei das Teleskop zwischen dem Laserstab und einem Resonatorspiegel angeordnet ist. Das Teleskop ist so orientiert, dass es den Querschnitt des von dem Laserstab kommenden Laserstrahls aufweitet und den Querschnitt des von dem Resonatorspiegel reflektierten Laserstrahls reduziert. Die Hauptfunktion des Teleskops besteht aber darin, den Querschnitt eines Anteils von aus dem Resonator ausgekoppeltem Licht, der zurück in den Resonator eingekoppelt wird, bereits vor dem Verlassen des Resonators aufzuweiten. Dabei wird dieser Teil des Lichts so zurück in den Resonator eingekoppelt, dass er mit dem aufgeweiteten Querschnitt auf den Laserstab trifft, um dessen Material über ein größeres Volumen auszunutzen. Eine bei dem bekannten Laser vorhandene Lochblende ist zwischen dem dem Teleskop über den Laserstab hinweg gegenüberliegenden Resonatorspiegel und dem Laserstab vorgesehen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, der mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand eine besonders gute Strahlqualität über einen großen Leistungsbereich, d. h. auch im Bereich höherer Laserleistungen aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Laser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen des neuen Lasers sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 beschrieben.
  • Bei dem neuen Laser wird der Laserstab über eine indexgeführte Pumpanordnung in axialer Richtung gepumpt und das Teleskop weitet den Querschnitt des von dem Laserstab kommenden Laserstrahls auf und reduziert den Querschnitt des von dem hier vorzugsweise planen Resonatorspiegel durch die Öffnung der Lochblende reflektierten Laserstrahls.
    •
  • Bei dem neuen Laser wird das Teleskop gegenüber dem bekannten Laser in umgekehrter Orientierung bezüglich seiner Vergrößerungsrichtung angeordnet. Das heißt, hier wird der von dem Laserstab kommende Laserstrahl aufgeweitet. Hierdurch ist eine besonders einfache Teilausblendung des aufgeweiteten Laserstrahls durch die Lochblende möglich, um seine Divergenz zu beschränken. Der von dem mit nur geringer Flächenleistung beaufschlagten Resonatorspiegel reflektierte Laserstrahl wird durch das Teleskop in seinem Querschnitt reduziert. In der Folge durchläuft er im wesentlichen einen Kernbereich des Laserstabs und löst nur dort die Emission von Laserlicht durch weitere auf dem Laserniveau befindliche Atome bzw. Moleküle aus. Durch diese geometrische Einschränkung des tatsächlich genutzten Bereichs des Laserstabs auf einen Kernbereich um seine Längsachse ergibt sich wohl die deutliche Verbesserung der Strahlqualität, die bei dem neuen Laser beobachtet wird. So sind Werte kleiner als M2 = 2 über einen großen Leistungsbereich der Ausgangsstrahlung möglich.
  • Überraschenderweise stellt sich dabei heraus, daß der bei dem neuen Laser auftretende Leistungsverlust aufgrund der geometrischen Beschränkung des aktiven Bereichs des Laserstabs deutlich unterproportional ist. Das heißt, wenn die geometrische Konzentration auf einen Kernbereich des Laserstabs erfolgt, dessen Querschnittsfläche x Prozent der vollen Querschnittsfläche des Laserstabs beträgt, fällt die Leistung des Lasers nicht auf x Prozent der mit dem Laserstab unter vergleichbaren Randbedingungen maximal erzielbaren Leistung zurück, vielmehr wird bei dem neuen Laser eine eindeutig geringere Leistungsreduktion beobachtet.
  • Vorzugsweise weist der Resonator des neuen Lasers auch eine an sich bekannte Güteschaltung auf, die zwischen dem Teleskop und dem planen Resonatorspiegel angeordnet werden kann.
  • Für das weiterhin bevorzugte axiale Einkoppeln von Pumplicht in den Laserstab kann dieser eine undotierte Endkappe mit erweitertem Durchmesser aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist.
  • Als günstig erweist sich bei einer konkreten Ausführungsform des Lasers, bei dem der Laserstab einen dotierten Querschnitt von etwa 10 mm2 aufweist, wenn die Öffnung der Lochblende so groß ist, daß sie einem emittierenden Kernbereich des Laserstabs mit einem Querschnitt von 0,8 bis 1,2 mm2, d. h. von etwa 1 mm2 entspricht. Dies bedeutet, daß nur ein Teilvolumen von etwa einem Zehntel des Laserstabs für die Erzeugung der Laserstrahlung tatsächlich genutzt wird. Dennoch kann eine deutliche höhere Laserleistung erzielt werden, als nur 10 % der maximal erreichbaren Laserleistung beim Einsatz des gesamten Volumen des Laserstabs.
  • Dies gilt insbesondere, wenn das für die Ausbildung der Laserstrahlung genutzte Laserniveau eine Lebensdauer von mindestens 1·10-3 s aufweist. Diese Lebensdauer für ein Laserniveau ist vergleichsweise lang und wird beispielsweise bei einem Nd:YAG-Laser mit 0,2·10-3 deutlich unterschritten. Wenn jedoch eine so lange Lebensdauer des Laserniveaus erreicht wird, können bei dem neuen Laser trotz einer Reduktion des Volumens des Laserstabs auf einen emittierenden Kernbereich von etwa 10 des Gesamtvolumens etwa 50 % der maximal mit dem gesamten Volumen des Laserstabs erreichbaren Leistung der Ausgangsstrahlung erreicht werden. Dies mag darauf zurückzuführen sein, daß das Laserniveaus in dem nicht genutzten Volumen des Laserstabs durch das Pumplicht gesättigt wird und das Pumplicht damit effektiv im wesentlichen das Laserniveau im emittierenden Kernbereich immer wieder auffüllt, in dem es durch die Erzeugung der Laserstrahlung regelmäßig entvölkert wird, so daß keine Sättigung erfolgen kann.
  • Für die Ausnutzung des hier angedeuteten Effekts ist eine derartige Dotierung des Laserstabs besonders bevorzugt, daß das Laserniveau eine Lebensdauer von 2 bis 10·10-3 s aufweist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Laserstab ein mit Thulium und/oder Ytterbium dotierter YAG-Kristall ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert und beschrieben, dabei zeigt
  • 1 den prinzipiellen Aufbau des neuen Lasers,
  • 2 ein Detail des Lasers 1 im Betrieb und
  • 3 eine Auftragung der Laserleistung und der Strahlqualität des Lasers gemäß 1 über der Pumpleistung.
  • Der in 1 nur bezüglich seiner für die Erfindung wesentlichen Bestandteile und auch in diesem Umfang nur schematisch dargestellte Laser 1 weist einen Resonator 2 auf, der sich zwischen zwei Resonatorspiegeln 5 und 12 erstreckt. In dem Resonator 2 befindet sich ein Laserstab 3 aus einem aktiven Material, d. h. beispielsweise einem geeignet dotierten YAG-Kristall. Auf die Enden des Laserstabs 3 sind Endkappen 4 aufgesetzt, die aus nicht dotiertem Material bestehen. Die in 1 links dargestellte Endkappe 4 dient zum vereinfachten Einkoppeln von Pumplicht 17 (2) in den Laserstab 3. Die in 1 rechts dargestellte Endkappe 4 ist vorwiegend aus Symmetriegründen vorgesehen. Das Einkoppeln des Pumplichts 17 (2) in den Laserstab 3 erfolgt über den Resonatorspiegel 5, der für den Laserstrahl 13 in dem Resonator zwar undurchlässig, für das Pumplicht 17 (2) hingegen durchlässig ist. Eine Pumplichtquelle 6 für das Pumplicht 17 (2) besteht hier aus einer Fokussieroptik 25, in die ein Diodenstack aus einzelnen Laserdioden das Pumplicht einstrahlt, welches dann konzentriert über den Resonatorspiegel 5 endseitig und teilweise über die Endkappe 4 in den Laserstab 3 eingekoppelt wird. Auf der dem Resonatorspiegel 5 gegenüberliegenden Seite des Laserstabs 3 ist ein Teleskop 7 vor einer Lochblende 10 vorgesehen, die wiederum vor dem Resonatorspiegel 12 angeordnet ist. Zwischen der Lochblende 10 und dem Resonatorspiegel 12 befindet sich noch eine Güteschaltung 18. Das Teleskop 7, das hier durch zwei Linsen 8 und 9 repräsentiert wird, weitet den Querschnitt 14 des von dem Laserstab 3 kommenden Laserstrahls 13 auf. Die Randbereiche des auf geweiteten Laserstrahls 13 werden durch die Blende 10 ausgeblendet. Durch die Öffnung 11 der Blende 10 tritt nur der Zentralbereich des Laserstrahls 13 hindurch. Auch von dem von dem konkaven Resonatorspiegel 12 reflektierten Laserstrahl 13 blendet die Lochblende 10 den Randbereich aus. Der verbleibende Laserstrahl 13 wird bezüglich seines Durchmessers 15 durch das Teleskop 7 reduziert, bevor er wieder in den Laserstab 3 eintritt. In der Folge, d. h. aufgrund der Tatsache, daß der Laserstrahl 13 vielfach zwischen den Resonatorspiegeln 5 und 12 hin- und herläuft, bevor er anteilig als Ausgangsstrahl 19 über den halbdurchlässigen Resonatorspiegel 12 austritt, konzentriert sich der für die Erzeugung des Laserstrahls 13 genutzte Teil des Volumens des Laserstabs 3 auf einen Kernbereich 16, was in 2 dargestellt ist. In diesem Kernbereich 16 löst der Laserstrahl 13 die Emission weiteren Laserlichts durch zuvor auf das Laserniveau gepumpten Laserzentren aus. Dies bedeutet zusätzlich zu dem Einsatz der Lochblende 10 eine geometrische Beschränkung der Divergenz des Laserstrahls 13 und damit auch des Ausgangsstrahls 19. Dennoch wird bei dem Laser 1 gemäß 1 keine Leistungsreduktion beobachtet, wie sie der Konzentration auf den relativ kleinen Kernbereich 16 des Laserstabs 3 entspricht. So wird beispielsweise bei einem Kernbereich 16, dessen Teilvolumen etwa ein Zehntel des Gesamtvolumens des dotierten Laserstabs 3 ausmacht, immer noch eine Laserleistung von etwa 50 % der maximal erreichbaren Laserleistung erreicht. Dies mag darauf zurückzuführen zu sein, daß das Pumplicht 17, das in dem Laserstab 3 indexgeführt ist, außerhalb des Kernbereichs 16 das Laserniveau rasch sättigt, wobei diese Sättigung wegen der bei dem neuen Laser 1 möglichst langen Lebensdauer des Laserniveaus aufrechterhalten bleibt, da in diesem Bereich das Laserniveau nicht zur Emission von Laserlicht abgeregt wird. Anders verhält es sich in dem Kernbereich 16. Dort wird das Laserniveau regelmäßig abgeregt, so daß das Pumplicht 17 in der Folge dort eine verstärkte Absorption erfährt.
  • 3 zeigt beispielhaft für den im wesentlichen selben Aufbau eines Lasers einmal ohne und einmal mit dem Teleskop 7 gemäß 1 den Verlauf der Ausgangsleistung Po 21 (ohne) und 20 (mit) und der Strahlqualität M2 23 (ohne) und 22 (mit) über der Leistung des Pumplichts Pi. Die Ausgangsleistung 20 liegt ungefähr bei 50 % der Ausgangsleistung 21. Die Strahlqualität 22 liegt jedoch über weite Bereiche der Pumpleistung und damit der Ausgangsleistung nahezu konstant bei etwa 2, während sie ohne das Teleskop in dem Resonator steil auf etwa 24 ansteigt und erst bei diesem vergleichsweise schlechten Wert von M2 nur noch einen geringen weiteren Anstieg verzeichnet. Unter Berücksichtigung sowohl der Ausgangsleistung als auch der Strahlqualität ist der Kurvenverlauf 20, 22 in Hinblick auf eine erzielbare Leistungsdicht als deutlich besser zu bezeichnen als der Kurvenverlauf 21, 23. Diese Verbesserung ist mit dem vergleichsweise geringen Aufwand des zusätzlichen Teleskops 7 in dem Resonator 2 (1) erreicht worden.
    • 1
    Laser
    2
    Resonator
    3
    Laserstab
    4
    Endkappe
    5
    Resonatorspiegel
    6
    Pumplichtquelle
    7
    Teleskop
    8
    Linse
    9
    Linse
    10
    Lochblende
    11
    Öffnung
    12
    Resonatorspiegel
    13
    Laserstrahl
    14
    Querschnitt
    15
    Querschnitt
    16
    Kernbereich
    17
    Pumplicht
    18
    Güteschaltung
    19
    Ausgangsstrahl
    20
    Ausgangsleistung
    21
    Ausgangsleistung
    22
    Strahlqualität
    23
    Strahlqualität
    24
    Diodenstack
    25
    Fokussieroptik

Claims (12)

  1. Laser mit einem Resonator, in dem ein Laserstab und ein Teleskop angeordnet sind, wobei das Teleskop zwischen dem Laserstab und einer Lochblende vor einem Resonatorspiegel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Laserstab (3) eingekoppelte Pumplicht (17) in dem Laserstab (3) indexgeführt ist und daß das Teleskop (7) den Querschnitt (14) des von dem Laserstab (3) kommenden Laserstrahls (13) aufweitet und den Querschnitt (15) des von dem Resonatorspiegel (12) durch die Öffnung (11) der Lochblende (10) reflektierten Laserstrahls (13) auf einen emittierenden Kernbereich (16) des Laserstabs (3) um seine Längsachse reduziert.
  2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Resonatorspiegel (12) hinter dem Teleskop (7) plan ist.
  3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Resonator (2) eine Güteschaltung (18) aufweist.
  4. Laser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der Laserstab (3) für das axiale Einkoppeln von Pumplicht (17) eine undotierte Endkappe (4) aufweist.
  5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die undotierte Endkappe (4) einen gegenüber dem Laserstab (3) erweiterten Durchmesser aufweist.
  6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (11) der Lochblende (10) so groß ist, daß sie bei einem Laserstab (3) mit einem dotierten Querschnitt von 8 bis 12 mm2 einem Querschnitt des emittierenden Kernbereichs (16) des Laserstabs (3) von 0,8 bis 1,2 mm2 entspricht.
  7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet daß der Laserstab (3) so dotiert ist, daß er ein Laserniveau mit einer Lebensdauer von mindestens 1·10-3 s aufweist.
  8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab (3) so dotiert ist, daß er ein Laserniveau mit einer Lebensdauer von 2·10-3-10·10-3 s aufweist.
  9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab (3) ein mit Thulium und/oder Ytterbium dotierter YAG-Kristall ist.
  10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Teleskop (7) eine Vergrößerung von 1 zu 3 bis 1 zu 10 aufweist.
  11. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (10) durch einen Resonatorspiegel (12) ausgebildet ist, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Querschnitt des von dem Teleskop (7) aufgeweiteten, von dem Laserstab (3) kommenden Laserstrahls (13).
  12. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (10) durch eine Linse (9) des Teleskops (7) ausgebildet ist, deren Außendurchmesser kleiner ist als der Querschnitt des von den davor liegenden Linsen (8) des Teleskop (7) aufgeweiteten, von dem Laserstab (3) kommenden Laserstrahls (13).
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EP0247823B1 (de) * 1986-05-27 1992-12-09 El-Op Electro-Optics Industries Limited Laservorrichtung

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