DE10142005A1

DE10142005A1 - Scheibenlaser mit integrierten kristallinen Coatings

Info

Publication number: DE10142005A1
Application number: DE2001142005
Authority: DE
Inventors: Guenter Huber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2003-03-20

Abstract

In Lasern mit scheibenförmiger Geometrie des Laserkristalls ist es oft notwendig, eine verspiegelte Scheibenfläche des Laserkristalls zu kühlen. Hierbei ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit von konventionellen amorphen Spiegelschichten hinderlich. Das Problem wird in diesem Patent mit einkristallinen Spiegelschichten als Bragg-Reflektoren gelöst, die sehr viel höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen. Das Patent kann für einseitige Bragg-Reflektoren (Scheibenlaser) und zweiseitige Bragg-Reflektoren (Mikrochiplaser) eingesetzt werden. Darüber hinaus können die einkristallinen Bragg-Reflektoren selbst mit einem aktiven Laserion dotiert werden und damit zur Herstellung eines Lasers mit verteilter Rückkopplung (distributed feedback) benutzt werden.

Description

In Festkörperlasern wird oft der Verstärkerkristall in scheibenförmiger oder plattenförmiger Geometrie eingesetzt. Ein scheibenförmiger Laserkristall kann effektiv nur über die große Oberfläche einer oder beider Scheibenflächen gekühlt werden. Wenn der Laserresonator mit externem Spiegel aufgebaut wird, muß das Kühlmittel (Flüssigkeit oder Gas) durch den Resonator zur effektiven Kühlung der Scheibenoberflächen geleitet werden. Dies vermindert durch Schlierenbildung und Streuverluste die Güte des Laserresonators.
Bislang wird das Problem so gelöst, dass herkömmliche amorphe Spiegelschichten direkt auf eine Scheibenfläche aufgebracht werden und diese Spiegelschicht gekühlt wird, siehe A. Giesen, S. Erhard, M. Karszewski, T. Rupp, Ch. Schmitz, C. Stewen, H. Hügel, I. Brauch, I. Johannsen, H. Opower, K. Contag, Laser und Optoelektronik 31, 36 (1999).
Der Laserkristall besteht in dem zitierten Beispiel aus einem Yb³⁺-dotierten Kristall mit einer Dicke von typischerweise einigen 100 µm. Die Scheibe ist direkt auf einer Fläche verspiegelt und wird dort gekühlt. Der Vorteil der Anordnung ist, dass sich die Temperaturgradienten in sehr guter Näherung nur in Richtung der Laserachse ausbilden und deshalb der thermische Linseneffekt sehr gering bleibt. Solche Anordnungen lassen deshalb sehr hohe Leistungen bei guter Strahlqualität zu.
Das Problem der Anordnung ist dabei, dass der Scheibenlaserkristall durch den hochreflektierenden Spiegel hindurch gekühlt wird. Die konventionellen, aufgedampften Spiegelschichten sind amorph und haben deshalb eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Wärmewiderstand. Die Effizienz der Kühlung wird dadurch begrenzt. Darüber hinaus werden die einzelnen λ/4-Schichten (λ = Laserwellenlänge) der Verspiegelung für langwelligere Laser im nahen Infraroten proportional zur Wellenlänge dicker und der gesamte aufgedampfte Spiegel dadurch relativ dick, sodass die Kühlung für langwelligere Laser noch schlechter wird.
Dieses Patent löst das Kühlproblem mit einkristallinen Spiegelschichten, die als Bragg-Spiegel auf den Laserkristall aufgebracht werden. Die einkristallinen Schichten haben im Vergleich zu amorphen Schichten eine weit höhere Wärmeleitung - dies kann eine Größenordnung oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit durch eine Verspiegelung mit einkristallinen Schichten ist damit drastisch besser. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen
Fig. 1(a) Bragg-Spiegel auf der linken Seite des Laserkristalls, aufgebaut aus einkristallinen Schichten.
Fig. 1(b) Mikrochiplaser mit zwei Bragg-Spiegeln als Resonator.
Fig. 1(c) Resonator mit verteilter Reflexion (Distributed Feedback Laser) auf der Basis von einkristallinen Schichten.
Der Bragg-Spiegel in Fig. 1a dient als hochreflektierender Resonatorspiegel und kann direkt gekühlt oder auf eine Wärmesenke aufgebracht werden. Das Prinzip kann erweitert werden und auch zwei Bragg-Spiegel (siehe Fig. 1b) aufgebracht werden. Ein Spiegel dient dabei als Auskoppler des Resonators, der andere als hochreflektierender Spiegel, der gekühlt werden kann. Man erhält so einen Mikrochip-Laser, der ohne externe Spiegel auskommt. Darüber hinaus können auch die Bragg-Spiegel prinzipiell selbst mit Laserionen dotiert werden, sodass die Spiegelstrukturen selbst auch zur Verstärkung beitragen. So kann auch ein Laser mit verteilter Rückkopplung (Fig. 1c) realisiert werden; hier werden Spiegel und der Laserverstärker in ein und derselben Struktur realisiert. Es können dabei alle Schichten dotiert sein oder auch nur teilweise.
Die einkristallinen Schichten können mit Epitaxieverfahren aufgebracht werden. Besonders gut geeignet ist z. B. das PLD-Verfahren (pulsed laser deposition). Hiermit können kontrolliert einkristalline Schichten von Oxiden, Fluoriden, Nitriden u. a. hergestellt werden. Für die Herstellung von möglichst perfekten einkristallinen Schichten müssen die Gitterkonstanten von Laserkristall (Substrat) und aufzubringenden Schichten möglichst identisch sein (oder Vielfache voneinander betragen) und die Symmetrie der aufwachsenden Einheitszellen der Schichten kompatibel zu denen des Laserkristalls sein. So sind z. B. tetragonale Systeme senkrecht zur c- Achse kompatibel mit kubischen Strukturen; oder Flächen senkrecht zur <111>-Richtung einer kubischen Struktur kompatibel mit hexagonalen Systemen senkrecht zur hexagonalen c-Achse.
Außerdem müssen sich die beiden Schichten für den Bragg-Spiegel möglichst stark im Brechungsindex n unterscheiden, damit nicht zu viele Schichten benötigt werden. Kompatible Schichtsysteme sind für die Ausführungsbeispiele der Fig. 1a bis 1c z. B.:
An Stelle von Yb-Dotierung der Laserkristalle sind auch andere Dotierungen wie Nd, Tm, Ho, Pr, Er, Ce etc. als Laserionen möglich.

Claims

1. Laser mit Scheiben- oder Plattengeometrie, dadurch gekennzeichnet, dass Rückkopplung für den Laserbetrieb mit auf einem Laserkristall integrierten einkristallinen Schichtstrukturen (Bragg-Spiegel) erzielt wird.

2. Laser nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein dielektrischer Laserkristall mit integrierten einkristallinen Schichtstrukturen (Bragg-Spiegel) eingesetzt wird.

3. Laser nach Anspruch (1) bis (2), dadurch gekennzeichnet, dass integrierte einkristalline, dielektrische Schichtstrukturen (Bragg-Spiegel) eingesetzt werden.

4. Laser nach Anspruch (1) bis (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mit in den Laserkristall dotierten Seltenerd-Ionen erzeugt wird.

5. Laser nach Anspruch (1) bis (3) dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung mit in den Laserkristall dotierten Übergangsmetall-Ionen erzeugt wird.

6. Laser nach Anspruch (1) bis (5) dadurch gekennzeichnet, dass die Bragg-Spiegel selbst als Lasermaterial dienen (Distributed Feed-Back).