DE10054289A1

DE10054289A1 - Festkörperlaser mit einem resonatorexternen Laserverstärker

Info

Publication number: DE10054289A1
Application number: DE2000154289
Authority: DE
Inventors: Klaus Ludewigt
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-02-28

Abstract

Bei einem Festkörperlaser mit einem außerhalb eines Resonators (2) angeordneten Laserverstärker ist als Verstärkermedium zum Verstärken eines aus dem Resonator austretenden Oszillatorstrahls (4) eine Kristallscheibe (6) vorgesehen. Der Kristallscheibe (6) ist zumindest eine erste Reflexionsanordnung (12; 12p) optisch nachgeschaltet, die einen aus der Kristallscheibe (6) unter einem Austrittswinkel (alpha) austretenden verstärkten ersten Laserstrahl (10) derart umlenkt, dass dieser erneut in die Kristallscheibe (6) eingekoppelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser mit ei nem außerhalb eines Resonators angeordneten (resonatorexter nen) Laserverstärker.

Resonatorexterne Laserverstärker dienen zur Verstärkung des aus einem Resonator austretenden Laserstrahls (Oszillator strahl) und werden insbesondere bei Hochleistungslasern ein gesetzt. Mit zunehmender Leistung eines innerhalb des Resona tors erzeugten Laserstrahls treten nämlich Stabilitätsproble me auf, die nicht oder nur mit sehr großem technischen Auf wand vermieden werden können. Diese Stabilitätsprobleme sind verursacht durch die bei großer Leistungsdichte innerhalb des Resonators auftretenden thermischen und optischen Belastun gen. Diese Stabilitätsprobleme können durch die Verwendung eines außerhalb des Resonators angeordneten Verstärkungsmedi ums vermieden werden.

In neuerer Zeit finden als laseraktives Medium eines Festkör perlasers Kristallscheiben beispielsweise auf der Basis von mit Ytterbium (Yb) dotiertem YAG (Yb : YAG) Verwendung, die nur wenige Zehntelmillimeter dick sind, typisch einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 10 mm aufweisen und auf einem Kühlelement angeordnet sind. Ein solcher Festkörperlaser wird in der Literatur auch als Scheibenlaser bezeichnet und ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 5,553,088 A bekannt. Gegenüber herkömmlichen Festkörperlasern, bei denen als la seraktives Medium ein Stab vorgesehen ist, haben Scheibenla ser den Vorteil, dass bei diesen durch die parallel zur Aus breitungsrichtung erfolgende Wärmeabfuhr die Temperaturdiffe renz quer zum Strahlquerschnitt gering gehalten und die bei Stablasern auftretenden Wellenfrontdeformationen vermieden sind.

Aus dieser Patentschrift ist es auch bekannt, durch optische Kopplung mehrerer Kristallscheiben innerhalb des Resonators einen Hochleistungslaser aufzubauen.

Die optische Kopplung mehrerer Kristallscheiben innerhalb ei nes Resonators führt jedoch zwangsläufig zu einer zunehmenden Empfindlichkeit gegenüber beispielsweise thermisch verursach ter Dejustage der Kristallscheiben und der Resonatorspiegel.

Grundsätzlich kann nun eine solche Kristallscheibe auch als resonatorexternes Verstärkungsmedium (Scheibenlaserverstär ker) eingesetzt werden. Um die in einem Verstärkermedium ge speicherte Pumpleistung effizient extrahieren zu können, muss nun der injizierte Oszillatorstrahl eine Intensität aufwei sen, die im Bereich der Sättigungsintensität liegt. Das für solche Kristallscheiben üblicherweise verwendete Yb : YAG als Festkörpermaterial besitzt aber einen recht geringen Quer schnitt für die stimulierte Emission und damit eine relativ hohe Sättigungsintensität von etwa 9 kW/cm², Scheibenlaser verstärker sind daher erst dann effizient einsetzbar, wenn bereits hohe Eingangsintensitäten bzw. Eingangsleistungen zur Verfügung stehen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Festkör perlaser anzugeben, bei dem als resonatorexterner Laserver stärker eine Kristallscheibe auch bei einer wesentlich gerin geren Intensität des Oszillatorstrahls effizient betrieben werden kann.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit ei nem Festkörperlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Ein Festkörperlaser gemäß der Erfindung enthält einen außer halb eines Resonators angeordneten Laserverstärker, der als Verstärkermedium zum Verstärken eines aus dem Resonator aus tretenden Oszillatorstrahls eine Kristallscheibe sowie zumin dest eine der Kristallscheibe optisch nachgeschaltete erste Reflexionsanordnung umfasst, die einen aus der Kristallschei be unter einem Austrittswinkel austretenden verstärkten ers ten Laserstrahl derart umlenkt, dass dieser erneut in die Kristallscheibe eingekoppelt wird. Mit Hilfe dieser externen ersten Reflexionsanordnung wird somit die Intensität der La serstrahlung innerhalb der Kristallscheibe gegenüber einer Anordnung ohne externe Rückspiegelung zumindest verdoppelt, so dass auch bei einer Intensität des Oszillatorstrahls, die kleiner als die Sättigungsintensität ist, eine effiziente Leistungsextraktion möglich ist. Je nach Anzahl der externen Reflexionsanordnungen wird die Gesamtintensität innerhalb der Kristallscheibe um ein dieser Anzahl entsprechendes Vielfa ches erhöht. Darüber hinaus wird durch einen Mehrfachdurch gang des Laserstrahls durch die relativ dünne Kristallscheibe der Verstärkungsfaktor erhöht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der erste Laserstrahl in die Kristallscheibe unter einem Ein trittswinkel eingekoppelt, der sich vom Austrittswinkel un terscheidet. Insbesondere ist hierzu als erste Reflexionsan ordnung ein Reflexionselement mit zwei zueinander in einem spitzen Winkel angeordneten Reflexionsflächen vorgesehen. Als Reflexionselemente sind dabei sowohl an Oberflächen reflek tierende Spiegel (äußere Reflexion) als auch Umlenkprismen geeignet, wobei letztere den Laserstrahl durch innere Refle xion umlenken. Dadurch ist mit einfachen reflexiven optischen Elementen eine räumliche Trennung zwischen Oszillatorstrahl und verstärktem Laserstrahl möglich.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der aus dem Resonator austretende Oszillatorstrahl linear polari siert, wobei die erste Reflexionsanordnung ein polarisations drehendes Element und einen Umlenkspiegel umfasst, der den verstärkten ersten Laserstrahl in sich selbst reflektiert. Da sich die Strahlengänge überlappen, ist ein besonders kompak ter Aufbau möglich, wobei trotz sich überlappendem Strahlen gang Oszillatorstrahl und verstärkter Laserstrahl aufgrund ihrer unterschiedlichen Polarisation voneinander getrennt werden können. Insbesondere ist hierzu ein Polarisations strahlteiler vorgesehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß der weiteren Unteransprüche.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Festkörperlaser gemäß der Erfindung mit einer Reflexionsanordnung zur geometrischen Strahlauftren nung, in einer schematischen Prinzipdarstellung,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Festkörperla sers gemäß der Erfindung mit einer polarisationsse lektiven Anordnung zur Strahlauftrennung.

Gemäß Fig. 1 ist im Strahlengang eines aus einem Resonator 2 austretenden Oszillatorstrahles 4 eine Kristallscheibe 6 an geordnet, die als resonatorexterner Verstärker dient. Die Kristallscheibe 6 ist an ihrer Rückseite verspiegelt und steht dort in thermischem Kontakt mit einem Kühlelement 8. Alternativ zu dem in der Fig. 1 schematisch dargestellten und von einem massiven Kühlkörper gebildeten Kühlelement 8 kann auch eine Anordnung vorgesehen sein, bei der die Kristall scheibe 6 an ihrer Rückseite mit einer Schutzschicht be schichtet ist und dort unmittelbar in thermischen Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit steht. In diesem Fall kann an der Vor derseite der Kristallscheibe 6 zur mechanischen Stabilisie rung ein optisch transparenter Stützkörper vorgesehen sein, der ein Verformen der Kristallscheibe durch die von der Kühl flüssigkeit ausgeübten Kräfte verhindert.

Der Oszillatorstrahl 4 hat einen Durchmesser von beispiels weise etwa 5 mm und fällt unter einem von Null verschiedenen ersten Einfallswinkel α auf die dem Kühlelement 8 abgewandte Oberfläche der Kristallscheibe 6. Der Oszillatorstrahl 4 pflanzt sich innerhalb der Kristallscheibe 6 fort, wird dort verstärkt, an der verspiegelten Rückseite reflektiert und tritt unter dem ersten Austrittswinkel α als verstärkter ers ter Laserstrahl 10 aus der Kristallscheibe 6 aus.

Im Strahlengang des verstärkten ersten Laserstrahls 10 ist eine erste Reflexionsanordnung 12 vorgesehen, die ein Refle xionselement 120 mit zwei unter einem spitzen Winkel γ zuein ander geneigte Reflexionsflächen 120a, b enthält (äußere Re flexion mit Hilfe von Spiegeln oder innere Reflexion mit Hil fe von Umlenkprismen), das den ersten Laserstrahl 10 derart umlenkt, dass er erneut unter einem vom ersten Einfallswinkel α verschiedenen zweiten Einfallswinkel β auf die Kristall scheibe 6 an zumindest annähernd der Stelle auftrifft, an der er aus dieser ausgetreten ist. Auf diese Weise erfasst der erneut in die Kristallscheibe 6 eintretende verstärkte erste Laserstrahl 10 annähernd dasselbe Volumen, das auch beim ers ten Durchqueren vom Oszillatorstrahl 4 erfasst worden ist.

Beim erneuten Durchgang durch die Kristallscheibe 6 wird so mit die nach dem ersten Durchgang verbliebene Anregungsleis tung extrahiert und der verstärkte erste Laserstrahl 10 ein weiteres Mal verstärkt, so dass er als verstärkter zweiter Laserstrahl 14 unter dem zweiten Austrittswinkel β zur Norma len aus der Kristallscheibe 6 austritt. Da sich der erste Einfallswinkel α vom zweiten Austrittswinkel β unterscheidet, können Oszillatorstrahl 4 und verstärkter zweiter Laser strahl 14 problemlos voneinander getrennt werden. Mit Hilfe eines Umlenkprismas 16 wird dann der verstärkte zweite Laser strahl 14 in eine gewünschte Richtung abgelenkt.

Zum optischen Pumpen der Kristallscheibe 6 ist ein Pumplicht strahl 20 vorgesehen, der mittels einer zweiten Reflexionsan ordnung 22 auf die Kristallscheibe 6 gelenkt wird. Die zweite Reflexionsanordnung 22 umfasst hierzu einen fokussierenden Hohlspiegel 220, mit dem der Pumplichtstrahl 20 auf der Kris tallscheibe 6 derart fokussiert wird, dass die Pumpleistung im Wesentlichen im vom Oszillatorstrahl 4 erfassten Volumen der Kristallscheibe 6 absorbiert wird. Der Hohlspiegel 220 umfasst eine Durchgangsöffnung 224 und ist als ringförmiger Spiegel ausgeführt. Durch diese Durchgangsöffnung 224 treten der Oszillatorstrahl 4 und die Laserstrahlen 10,14 hindurch. Auf diese Weise ist ein besonders kompakter Aufbau möglich. Ein Rückspiegel 222 dient dazu, den aus der Kristallscheibe 6 austretenden reflektierten Pumplichtstrahl 24 über den Hohl spiegel 220 erneut auf die Kristallscheibe 6 zu lenken, um auf diese Weise die Pumpleistung effizienter auszunutzen.

Um eine effiziente Ausnutzung der Pumpleistung sicherzustel len, sollten der Oszillatorstrahl 4, der erneut in die Kris tallscheibe 6 eintretende verstärkte erste Laserstrahl 10, der Pumplichtstrahl 20 und der in die Kristallscheibe 6 er neut eingekoppelte reflektierte Pumplichtstrahl 24 auf der Kristallscheibe 6 vorzugsweise etwa den selben Strahlquer schnitt, bzw. bei rotationssymmetrischer Strahlform den sel ben Durchmesser aufweisen. Die Kristallscheibe 6 biegt sich nun unter dem Einfluss der Pumpleistung und der damit verbun denen ungleichmäßigen Erwärmung durch, so dass sie bei der Reflexion wie ein sphärischer Spiegel wirkt, der den reflek tierten Laserstrahl 10 und den reflektierten Pumplichtstrahl 24 fokussiert und zu einer Änderung des jeweiligen Strahl querschnitts führt. Um eine effiziente Ausnutzung der Pump leistung und eine hohe Gesamtverstärkung des erneut in die Kristallscheibe eintretenden ersten Laserstrahls 10 sicherzu stellen, kann es deshalb zweckmäßig sein, in den Strahlengang des ersten Laserstrahls 10 jeweils ein strahlformendes Ele ment 26 einzubringen, das die annähernde Gleichheit des Strahlquerschnitts oder -durchmessers des reflektierten ers ten Laserstrahls 10 und des Oszillatorstrahls 4 bei erneutem Eintritt des ersten Laserstrahls 10 in die Kristallscheibe 6 sicherstellt. Das strahlformende Element 26 kann dabei auch durch entsprechende Krümmung der Reflexionsflächen 120a, b ge bildet sein. Grundsätzlich kann auch in den Strahlengang des reflektierten Pumplichtstrahls 24 ein strahlformendes Element eingebracht werden, um die Durchbiegung der Kristallscheibe 6 zu kompensieren. Dies ist jedoch nur bei hoher Strahlqualität des Pumplichtstrahls 24 erforderlich.

Anstelle der in der Fig. 1 dargestellten einzigen Reflexions anordnung 120 können auch mehrere Reflexionsanordnungen vor gesehen sein, die den aus der Kristallscheibe 6 austretenden Laserstrahl jeweils umlenken, so dass dieser erneut unter ei nem vom Austrittswinkel verschiedenen Eintrittswinkel auf die Kristallscheibe 6 auftrifft. Auf diese Weise kann die Zahl der Durchgänge des Laserstrahls entsprechend der Zahl der Re flexionsanordnungen erhöht werden.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten alternativen Ausführungs form tritt aus dem Resonator 2p ein linearpolarisierter Os zillatorstrahl 4p aus und trifft auf die Kristallscheibe 6. Im Strahlengang des linearpolarisierten Oszillatorstrahls 4p ist ein Polarisationsstrahlteiler 30 angeordnet, der den li nearpolarisierten Oszillatorstrahl 4p transmittiert. Dieser trifft auf die Kristallscheibe 6 unter dem Einfallswinkel α auf, wird dort verstärkt und tritt als verstärkter erster li nearpolarisierter Laserstrahl 10p unter dem Austrittswinkel α zur Normalen aus der Kristallscheibe 6 aus und wird in der ersten Reflexionsanordnung 12p in sich selbst reflektiert. Die erste Reflexionsanordnung 12p enthält hierzu einen planen Umlenkspiegels 122, dessen Normale parallel zur Strahlachse ausgerichtet ist. Die erste Reflexionsanordnung 12 umfasst außerdem ein polarisationsdrehendes Element 124, durch das der verstärkte erste Laserstrahl 10p zweimal hindurchtritt und eine Drehung seiner Polarisationsebene um insgesamt 90° erfährt. Der aus der Kristallscheibe 6 austretende verstärkte zweite linearpolarisierte Laserstrahl 14p wird dann am Pola risationsstrahlteiler 30 reflektiert und vom linearpolari sierten Oszillatorstrahl 4p getrennt.

Bezugszeichenliste

2

,

2

p Resonator

4

Oszillatorstrahl

4

p linearpolarisierter Oszillatorstrahl

6

Kristallscheibe

8

Kühlelement

10

verstärkter erster Laserstrahl

10

p verstärkter erster linearpolarisierter Laserstrahl

12

Reflexionsanordnung

14

verstärkter zweiter Laserstrahl

14

p verstärkter zweiter linearpolarisierter Laserstrahl

16

Umlenkprisma

20

Pumplichtstrahl

22

zweite Reflexionsanordnung

24

reflektierter Pumplichtstrahl

26

strahlformendes Element

120

Reflexionselement

120

a, b Reflexionsflächen

124

polarisationsdrehendes Element

220

fokussierender Hohlspiegel

222

Rückspiegel

224

Durchgangsöffnung
γ Winkel
α erster Einfalls- und Austrittswinkel
β zweiter Einfalls- und Austrittswinkel

Claims

1. Festkörperlaser mit einem außerhalb eines Resona tors (2; 2p) angeordneten Laserverstärker, der als Ver stärkermedium zum Verstärken eines aus dem Resonator austretenden Oszillatorstrahls (4; 4p) eine Kristall scheibe (6) sowie zumindest eine der Kristallscheibe (6) optisch nachgeschaltete Reflexionsanordnung (12; 12p) um fasst, die einen aus der Kristallscheibe (6) unter einem Austrittswinkel (α) austretenden verstärkten ersten Laserstrahl (10; 10p) derart umlenkt, dass dieser erneut in die Kristallscheibe (6) eingekoppelt wird.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, bei dem der erste La serstrahl (10, 10p) in die Kristallscheibe (6) unter ei nem Eintrittswinkel (β) eingekoppelt wird, der sich vom Austrittswinkel (α) unterscheidet.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als ers te Reflexionsanordnung (12) ein Reflexionselement (120) mit zwei zueinander in einem spitzen Winkel (γ) angeord neten Reflexionsflächen (120a, b) vorgesehen ist.

4. Festkörperlaser nach Anspruch 1, bei dem der aus dem Re sonator (2p) austretende Oszillatorstrahl (4p) linear polarisiert ist, wobei die erste Reflexionsanord nung (12p) ein polarisationsdrehendes Element (124) und einen Umlenkspiegel (122) umfasst, der den aus der Kris tallscheibe austretenden verstärkten ersten Laserstrahl (10p) in sich selbst reflektiert.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 4, bei dem im Strahlengang des Oszillatorstrahls (4p) ein Polarisationsstrahltei ler (30) angeordnet ist.

6. Festkörperlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Strahlengang des ersten Laserstrahls (10) ein strahlformendes optisches Element (26) angeordnet ist.

7. Festkörperlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kristallscheibe (6) eine zweite Reflexions anordnung (22) zum erneuten Einkoppeln eines aus der Kristallscheibe (6) austretenden Pumplichtstrahls (24) zugeordnet ist.

8. Festkörperlaser nach Anspruch 6 oder 7, bei dem sich der Einfallswinkel (δ) des Pumplichtstrahls (20) auf die Kristallscheibe (6) vom Einfallswinkel (α) des Oszillatorstrahls (4; 4p) unterscheidet.

9. Festkörperlaser nach Anspruch 8, bei der die zweite Re flexionsanordnung (22) einen fokussierenden Hohlspie gel (220) umfasst, der eine Durchgangsöffnung (224) für den Oszillatorstrahl (4; 4p) und die verstärkten ersten und zweiten Laserstrahlen (10,14; 10p, 14p) aufweist.