DE10147798A1

DE10147798A1 - Laserverstärkersystem

Info

Publication number: DE10147798A1
Application number: DE10147798A
Authority: DE
Inventors: Andreas Vos
Original assignee: Haas Laser GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: DE10147798B4

Abstract

Um ein Laserverstärkersystem, umfassend ein laseraktives Medium, in welchem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine Inversionsdichte erzeugbar ist, einen Laserverstärker, dessen Strahlführungsoptik ein Verstärkerstrahlungsfeld definiert, welche ein vom Pumpvolumen umfaßtes Verstärkungsvolumen im laseraktiven Medium durchsetzt und in welchem im laseraktiven Zustand des Laserverstärkers eine optische Verstärkung in mindestens einem Mode dann erfolgt, wenn die Inversionsdichte einen Verstärkungswert erreicht hat, derart zu verbessern, daß ein unerwünschter Anstieg der Inversionsdichte vermieden werden kann, wird vorgeschlagen, daß ein Hilfsoszillator vorgesehen ist, dessen optischer Resonator ein Oszillatorstrahlungsfeld definiert, das ein innerhalb des Pumpvolumens im laseraktiven Medium liegendes und zumindest teilweise mit dem Verstärkungsvolumen unter Bildung eines Überlappungsvolumens räumlich überlappendes Oszillatorverstärkungsvolumen durchsetzt, und daß der Hilfsoszillator so ausgebildet ist, daß eine Laserschwelle für jeden Mode des Oszillatorstrahlungsfeldes bei Einsatzwerten der Inversionsdichte innerhalb des Überlappungsvolumens erreicht wird, welche größer ist als der Verstärkungswert der Inversionsdichte.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem umfassend ein laseraktives Medium, in welchem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine Inversionsdichte erzeugbar ist, einen Laserverstärker, dessen Strahlführungsoptik ein Verstärkerstrahlungsfeld definiert, welches ein vom Pumpvolumen umfaßtes Verstärkungsvolumen im laseraktiven Medium durchsetzt und in welchem im laseraktiven Zustand des Laserverstärkers eine optische Verstärkung in mindestens einem Mode dann erfolgt, wenn die Inversionsdichte einen Verstärkungswert erreicht hat.
Derartige Laserverstärkersysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Erfolgt bei einem derartigen Laserverstärkersystem eine Deaktivierung des Laserverstärkers, entweder durch ein aktives Schaltelement oder durch eine ungewollte Dejustage, so führen die üblicherweise eingesetzten hohen Pumpleistungen dazu, daß die Fluoreszenzintensität überproportional zur Inversionsdichte ansteigt und somit der Bereich der stark überhöhten spontanen Emission erreicht wird, welcher

- die Beschädigung des laseraktiven Mediums oder benachbarter Komponenten des Aufbaus des Laserverstärkersystems durch Absorption der Fluoreszenz an hierfür nicht ausreichend thermisch belastbaren Stellen zur Folge haben kann,
- und/oder eine erhöhte Wärme innerhalb des laseraktiven Mediums erzeugen kann, wodurch unter Umständen die thermomechanischen Belastungsgrenzen des laseraktiven Mediums überschritten werden,
- und/oder eine Beschädigung des laseraktiven Mediums oder anderer Komponenten, insbesondere an das laseraktive Medium angrenzenden Beschichtungen, im optischen Aufbau durch Abrufen einer überhöhten gespeicherten Energie hervorrufen kann, wie es typischerweise beim Pulsbetrieb des Laserverstärkers der Fall sein kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laserverstärkersystem der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß ein unerwünschter Anstieg der Inversionsdichte vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Laserverstärkersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Hilfsoszillator vorgesehen ist, dessen optischer Resonator ein Oszillatorstrahlungsfeld definiert, das ein innerhalb des Pumpvolumens im laseraktiven Medium liegendes und zumindest teilweise mit dem Verstärkungsvolumen unter Bildung eines Überlappungsvolumens räumlich überlappendes Oszillatorverstärkungsvolumen durchsetzt, und daß der Hilfsoszillator so ausgebildet ist, daß eine Laserschwelle für jeden Mode des Oszillatorstrahlungsfeldes bei Einsatzwerten der Inversionsdichte innerhalb des Überlappungsvolumens erreicht wird, welche größer sind als der Verstärkungswert der Inversionsdichte.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch diesen Hilfsoszillator die Möglichkeit besteht, direkt die Inversionsdichte im Überlappungsvolumen dadurch zu begrenzen, daß der Hilfsresonator die Laserschwelle erreicht und selbst Laseraktivität entfaltet, wobei dieses Entfalten der Laseraktivität erst bei einem Einsatzwert der Inversionsdichte einsetzt, der höher liegt als der Verstärkungswert der Inversionsdichte, so daß immer dann, wenn der Laserverstärker laseraktiv ist, der Hilfsoszillator in der Regel nicht laseraktiv ist, so daß der Hilfsoszillator in der Lage ist, einen Anstieg der Inversionsdichte auf unerwünscht hohe Werte zu verhindern.
Da bei bestimmten Betriebsmoden der Hilfsoszillator aufgrund einsetzender Einschwingvorgänge nicht stets ein kurzzeitiges Überschreiten der Einsatzwerte der Inversionsdichte verhindern kann, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Hilfsoszillator innerhalb des Überlappungsvolumens die Inversionsdichte innerhalb eines Wertebereichs hält, welcher den Einsatzwert der mindestens einen Mode des Oszillatorstrahlungsfelds mitumfaßt.
Hinsichtlich der Ausführung des Oszillatorstrahlungsfelds sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar. So könnte das Oszillatorstrahlungsfeld so ausgebildet sein, daß das Oszillatorstrahlungsfeld nur einen Mode aufweist. Dies hätte den Vorteil, daß der Einsatzwert eindeutig definiert ist.
Besonders günstig ist es jedoch, insbesondere um ein möglichst ausgedehntes Oszillatorverstärkungsvolumen erreichen zu können, wenn das Oszillatorstrahlungsfeld des Hilfsoszillators mehrere Moden umfaßt, wobei dann allerdings für jede einzelne Mode ein Einsatzwert gilt.
Um einen möglichst großen Teil des mit den Pumpbedingungen variierenden Pumpvolumens mit dem Oszillatorstrahlungsfeld ohne Nachjustieren bei einer Variation zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Oszillatorstrahlungsfeld bezüglich des Pumpvolumens selbstadaptierend ausgebildet ist.
Dies heißt, daß die Zahl der sich im Oszillatorstrahlungsfeld ausbildenden Moden sich danach richtet, wie groß das Pumpvolumen ist, so daß auch bei unterschiedlicher Pumpleistung und somit unterschiedlicher Größe des Pumpvolumens das Oszillatorstrahlungsfeld in der Lage ist, sich diesem selbständig anzupassen und somit die Inversionsdichte gegebenenfalls in einem möglichst großen Teil des Pumpvolumens abzubauen.
Hinsichtlich der Funktionsbereitschaft des Hilfsoszillators sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar.
Beispielsweise wäre es denkbar, den Hilfsoszillator stets dann einzusetzen, wenn eine erhöhte Fluoreszenz auftritt, wobei in diesem Fall der Hilfsoszillator aktiv geschaltet und die Fluoreszenz detektiert werden müßte.
Besonders günstig ist es daher, wenn der Hilfsoszillator zumindest dann ständig in dem laseraktiven, die Ausbildung des Oszillatorstrahlungsfelds erlaubenden Zustand ist, wenn ein Pumpen des laseraktiven Mediums erfolgt.
Das heißt, daß während des Pumpens des laseraktiven Mediums der Hilfsoszillator stets in einem Zustand ist, in welchem er dann laseraktiv wird, wenn aufgrund des erreichten Einsatzwerts der Inversionsdichte die Schwellbedingung für die Lasertätigkeit erreicht ist.
Noch vorteilhafter ist es, wenn der Hilfsoszillator ständig in dem die Ausbildung des Oszillatorstrahlungsfelds erlaubenden Zustand ist, so daß unabhängig von dem Betrieb des Laserverstärkers stets der Hilfsoszillator zur Begrenzung der Inversionsdichte zur Verfügung steht, so daß Fehlbedienungen einfach ausgeschlossen werden können.
Hinsichtlich der Verwertung der im Hilfsoszillator entstehenden optischen Leistung wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht die einfachste Lösung vor, daß die optische Leistung durch einen Absorber absorbiert wird.
Um eine möglichst große Funktionssicherheit des Hilfsoszillators zu gewährleisten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Resonator des Hilfsoszillators dejustageunempfindlich aufgebaut ist, so daß dieser sicher funktioniert und Funktionsausfälle durch Dejustage weitgehend ausgeschlossen werden können.
Um zu erreichen, daß der Einsatzwert der Inversionsdichte, bei welchem die Schwellbedingung für die Laserverstärker im Hilfsoszillator erreicht ist, möglichst an die jeweiligen Verhältnisse anpaßbar ist, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Resonator des Hilfsoszillators mit einem Einstellelement versehen ist, mit welchem sich über die Verluste die Einsatzwerte einstellen lassen.
Besonders günstig ist es dabei, wenn mit dem Einstellelement die Verluste des Resonators und somit auch die Einsatzwerte stufenlos einstellbar sind.
Hinsichtlich der Ausbildung des laseraktiven Mediums wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Prinzipiell wäre es denkbar, sowohl ein gasförmiges Medium als auch einen Festkörper als laseraktives Medium beliebiger Form vorzusehen.
Besonders günstig ist es, wenn der Festkörper ein plättchenförmiger Festkörper ist, da bei einem plättchenförmigen Festkörper die Anordnung des Hilfsoszillators und des Laserverstärkers unter Erzielung eines möglichst großen Überlappungsvolumens besonders einfach realisiert werden können.
Eine besonders günstige Anordnung sieht vor, daß auf einer Seite des laseraktiven Mediums ein Reflektor für das Verstärkerstrahlungsfeld angeordnet ist. Dabei könnte das Verstärkerstrahlungsfeld in sich reflektierend verlaufen.
Besonders günstig ist es jedoch, wenn der Reflektor einen Umlenkspiegel für das Verstärkerstrahlungsfeld bildet und somit zwei Äste des Verstärkerstrahlungsfeldes ineinander überführt.
Hinsichtlich des Oszillatorstrahlungsfelds ist der Reflektor vorzugsweise ebenfalls wirksam.
Eine Möglichkeit sieht vor, daß der Reflektor einen Endspiegel des Resonators des Hilfsoszillators bildet.
Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß der Reflektor einen Umlenkspiegel für das Oszillatorstrahlungsfeld bildet und somit ebenfalls zwei Äste des Oszillatorstrahlungsfelds ineinander überführt.
Hinsichtlich der Überlappung des Verstärkungsvolumens und des Oszillatorverstärkungsvolumens wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. Besonders günstig ist es dabei, wenn das Verstärkungsvolumen und das Oszillatorverstärkungsvolumen im wesentlichen vollständig überlappen, wobei vorzugsweise das Oszillatorverstärkungsvolumen größer als das Verstärkungsvolumen ist und somit das Verstärkungsvolumen vollständig umschließt.
Hinsichtlich der Betriebsweise des Laserverstärkers sind im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung die unterschiedlichsten Arten denkbar. Eine Lösung sieht vor, daß der Laserverstärker im Betriebszustand kontinuierlich bei Verstärkungswerten der Inversionsdichte arbeitet und daß der Hilfsoszillator nur dann seine Laserschwelle erreicht, wenn der Laserverstärker seinen Betriebszustand verläßt.
Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß der Laserverstärker im Pulsbetrieb arbeitet und dabei der Wert der Inversionsdichte innerhalb eines Wertebereichs schwankt, welcher im wesentlichen unterhalb des Einsatzwerts der Inversionsdichte liegt.
Dabei sind alle möglichen bekannten Arten des Pulsbetriebs denkbar. Beispielsweise kann dieser Pulsbetrieb Mode Locking, Cavity Dumping oder alle weiteren bekannten Arten des Pulsbetriebs umfassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lasersystems;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs A in Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Verstärkerstrahlungsfeld beim ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch ein Oszillatorstrahlungsfeld beim ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs der Inversionsdichte im laseraktiven Medium nach Einschalten der Pumplichtquelle;
Fig. 6 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems;
Fig. 7 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Inversionsdichte bei Aktivierung und Deaktivierung des Laserverstärkers und
Fig. 8 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1 eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, dargestellt in Fig. 1, umfaßt ein laseraktives Medium 10, ausgebildet, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, als plättchenförmiger Festkörper mit einer ersten Flachseite 12 und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Flachseite 14, die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.
Als äußerer Rand verlaufen zwischen den Flachseiten 12 und 14 Schmalseiten 16.
Der Festkörper 10 kann beispielsweise auch als kurzer Stab ausgebildet sein.
Im Fall eines plättchenförmigen Festkörpers 10 beträgt die Erstreckung des Festkörpers 10 in Richtung der Flachseiten 12 und 14 ein Vielfaches, mindestens das Zehnfache, noch besser das Hundertfache, der Erstreckung der Schmalseiten 16 quer zu den Flachseiten 12 und 14.
Der Festkörper 10 sitzt dabei mit seiner zweiten Flachseite 14 auf einem als Ganzes mit 20 bezeichneten Reflektor, wobei über den Reflektor vorzugsweise auch eine Kühlung des Festkörpers 10, vorzugsweise über Wärmeleitung durch den Reflektor 20 hindurch, erfolgt.
Eine Fixierung des Festkörpers 10 erfolgt entweder über den Reflektor 20 und die Flachseite 14 oder über die Flachseite 12, welche beispielsweise mit einem transparenten Träger verbunden ist.
In dem Festkörper 10 wird nun durch ein beispielsweise über die Flachseite 12 in diesen einfallendes Pumplichtstrahlungsfeld 22 innerhalb eines in Fig. 2 durch Punkte hinterlegten Pumpvolumens 24 eine Besetzungsinversion angeregter Zustände erzeugt, die zu einer Inversionsdichte innerhalb des Pumpvolumens 24 im Festkörper 10 führt.
Ferner tritt in den Festkörper 10 über die Flachseite 12 ein Verstärkerstrahlungsfeld 30 ein, welches, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, am Reflektor 20 reflektiert wird und somit zwei Äste 30A und 30B aufweist, die durch den Reflektor 20 ineinander überführt werden.
Das Verstärkerstrahlungsfeld 30 wird über eine Strahlführungsoptik, beispielsweise umfassend Endspiegel 32 und 34 in Ergänzung zum Reflektor 20, definiert, die gemeinsam mit dem Reflektor 20 beispielsweise einen V-förmigen Verlauf des Verstärkerstrahlungsfelds 30 in diesem Ausführungsbeispiel definieren.
Im einfachsten Fall ist beispielsweise der Spiegel 34 als Auskoppelspiegel ausgebildet, durch welchen ein Teil der im Verstärkerstrahlungsfeld 30 vorhandenen optischen Leistung aus diesem austreten kann.
Die Spiegel 32 und 34 sowie der Reflektor 20 und das von diesen festgelegte Verstärkerstrahlungsfeld 30 bilden insgesamt einen Laserverstärker 36, welcher entweder zur Verstärkung eingekoppelter Laserstrahlung oder auch als selbständig anschwingender Oszillator arbeiten kann.
Ein von den Ästen 30A und 30B im Festkörper 10 durchsetztes Verstärkungsvolumen 38, dargestellt durch Schrägschraffur, liegt dabei vorzugsweise so, daß dieses innerhalb des Pumpvolumens 24 liegt, so daß die innerhalb des Verstärkungsvolumens 38 erzeugte Inversionsdichte zur optischen Verstärkung im Verstärkerstrahlungsfeld 30 beiträgt, wobei eine kohärente optische Verstärkung im Verstärkerstrahlungsfeld 30 dann eintritt, wenn eine Laserschwelle erreicht ist. Dies ist vereinfacht formuliert dann der Fall, wenn die Verstärkung, welche das Verstärkerstrahlungsfeld 30 beim Hindurchlaufen durch das Verstärkungsvolumen 38 erfährt, gleich oder größer ist als die Verluste, die das Verstärkerstrahlungsfeld 30 im Laserverstärker 36 erfährt.
Diese Bedingung für das Auftreten der kohärenten optischen Verstärkung wird bei einem Wert der Inversionsdichte innerhalb des Verstärkungsvolumens 38 erreicht, welcher vereinfacht als Verstärkungswert bezeichnet wird, wobei dieser Verstärkungswert jeweils von der individuellen Ausführung der Strahlführungsoptik und gegebenenfalls weiterer Komponenten des Laserverstärkers 36 abhängt.
Bei detaillierter Betrachtung der Verhältnisse im Laserverstärker 36 ist für das Erfüllen der Laserschwelle für die kohärente optische Verstärkung nicht das Verstärkerstrahlungsfeld 30 als Ganzes maßgebend, sondern wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, es sind die einzelnen, sich im Laserverstärker ausbildenden und gemeinsam das Laserstrahlungsfeld 30 bildenden Moden M maßgebend, wobei dies beispielsweise eine Grundmode M₀₀ und weitere Moden, beispielsweise M₁₀, sein können, so daß bei detaillierter Betrachtung des Verstärkerstrahlungsfelds 30 jede einzelne Mode M einen eigenen Verstärkungswert aufweist, ab welchem die Laserschwelle für optische Verstärkung erfüllt ist.
Hinsichtlich der Bedingungen für das Erreichen der Laserschwelle bei der optischen Verstärkung wird im Detail auf die Ausführungen in dem Buch von Norman Hodgson, Horst Weber mit dem Titel "Optische Resonatoren", Springer-Verlag, Seite 221-223 verwiesen.
Der Reflektor 20 ist bei dem erfindungsgemäßen Laserverstärkersystem jedoch nicht nur Teil der Strahlführungsoptik des Laserverstärkers 36, sondern auch Teil eines die Strahlführungsoptik eines als Ganzes mit 42 bezeichneten Hilfsoszillators darstellenden Resonators 40, wobei der Resonator 40 beispielsweise einen weiteren Spiegel 44 aufweist, der auf einer dem Reflektor 20 gegenüberliegenden Seite des Festkörpers 10 angeordnet ist, und zwar so, daß eine Resonatorachse 45 mittig durch das Verstärkungsvolumen 38 hindurch verläuft und sich zwischen dem Reflektor 20 und dem Spiegel 44 des Resonators 40 ein Oszillatorstrahlungsfeld 46 ausbildet, welches ein Oszillatorverstärkungsvolumen 48 innerhalb des Pumpvolumens 24 durchsetzt, wobei das Oszillatorverstärkungsvolumen 48 eine derartige Ausdehnung aufweist, daß dieses weitgehend mit dem Verstärkungsvolumen 38 überlappt, vorzugsweise das Verstärkungsvolumen 38 mitumfaßt, so daß die Ausdehnung des Verstärkungsvolumens 38 einem Überlappungsvolumen 49 zwischen dem Verstärkungsvolumen 38 und dem Oszillatorverstärkungsvolumen 48 entspricht.
Vorzugsweise ist der Resonator 40 des Hilfsoszillators 42 so ausgebildet, daß in diesem eine Vielzahl von Moden HM anschwingen kann, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, so daß das Oszillatorstrahlungsfeld 46 ein komplexes Gebilde aus einer Vielzahl von zulässigen Moden HM darstellt, so daß das Oszillatorstrahlungsfeld 46 sich entsprechend dem zur Verfügung stehenden Pumpvolumen 24 quer zur Resonatorachse 45 durch Ausbildung entsprechender Moden HM ausdehnt, und zwar so, daß das maximal mögliche Pumpvolumen 24 vom Oszillatorverstärkungsvolumen 48, in Fig. 2 gestrichelt dargestellt, erfaßt ist.
Ferner ist im Resonatorstrahlungsfeld 46 ein Verluste generierendes Element 50 vorgesehen, welches für das Oszillatorstrahlungsfeld 46 die Laserschwelle und somit die für das Erreichen der Laserschwelle erforderliche optische Verstärkung im Oszillatorverstärkungsvolumen 48 so hoch setzt, daß der Hilfsoszillator 42 erst bei einem Wert der Inversionsdichte innerhalb des Oszillatorverstärkungsvolumens 48, vereinfacht als Einsatzwert bezeichnet, anschwingt, der höher ist als der Verstärkungswert der Inversionsdichte.
Anstelle des verlusterzeugenden Elements 50 besteht aber auch die Möglichkeit, den Auskopplungsgrad des Spiegels 44 des Resonators 40 so hoch zu wählen, daß die Laserschwelle für das Anschwingen des Hilfsoszillators 42 bei dem über dem Verstärkungswert liegenden Einsatzwert der Inversionsdichte innerhalb des Überlappungsvolumens, in diesem Fall des Verstärkungsvolumens 38, erreicht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Laserverstärkersystem besteht nun die Möglichkeit, die Inversionsdichte im vom Oszillatorverstärkungsvolumen 48 durchsetzten Bereich des Pumpvolumens 24 auf Werte zu begrenzen, die im Bereich der Einsatzwerte für die einzelnen Moden HM des Hilfsoszillators 42 liegen, wobei andererseits der Hilfsoszillator 42 dann nicht aktiv ist, wenn die Inversionsdichte unterhalb des Einsatzwerts für die einzelnen Moden HM des Oszillatorstrahlungsfelds 46 liegt und somit nicht den Laserverstärker 36 dann behindert, wenn dieser in der vorgesehenen Weise bei Inversionsdichten im Bereich der Verstärkungswerte arbeitet und die Inversionsdichte auch auf diese Werte begrenzt.
Arbeitet beispielsweise der Laserverstärker im CW Betrieb, so wird, wie in Fig. 5 dargestellt, die Inversionsdichte I nach Einschalten der Pumpleistung so lange ansteigen, bis der Verstärkungswert VW erreicht ist, ab welchem für den Laserverstärker 36 die Laserschwelle erreicht ist. Ab Erreichen dieser Laserschwelle wird durch die optische Verstärkung im Laserverstärker 36 und die gleichzeitig erfolgende Auskopplung optischer Leistung aus diesem die Inversionsdichte auf dem Verstärkungswert VW verbleiben.
Tritt jedoch, beispielsweise aus unvorhersehbaren Gründen, eine Dejustierung der Strahlführungsoptik des Laserverstärkers 36 ein, beispielsweise durch Verdrehen des Spiegels 34, so wird ab diesem Zeitpunkt t_D die Inversionsdichte bis zum Einsatzwert EW ansteigen, ohne den Hilfsoszillator 42 den Einsatzwert EW weit zu überschreiten, da die Laserschwelle für die Laserverstärkung im Hilfsoszillator 42 bei Erreichen des Einsatzwerts EW der Inversionsdichte I erreicht wird, schwingt der Hilfsoszillator 42 an und folglich wird der weitere Anstieg der Inversionsdichte I über den Einsatzwert EW verhindert, so daß mögliche Zerstörungen, entweder des Festkörpers 10 oder durch aus dem Festkörper 10, beispielsweise an den Schmalseiten 16, austretende Fluoreszenz aufgrund einer zu hohen Inversionsdichte I vermieden werden können.
Beispielsweise ist dabei der Hilfsoszillator 42 so ausgebildet, daß die ausgekoppelte Laserstrahlung 52 auf einen Absorber 54 auftrifft und in diesem vernichtet wird.
Erfindungsgemäß ist somit im einfachsten Fall der Hilfsoszillator 42 zumindest dann, wenn der Laserverstärker 36 betrieben wird, in einem aktivierbaren Zustand, ohne daß der Hilfsoszillator 42 im Regelfall aktiviert wird. Vielmehr erfolgt eine Aktivierung des Hilfsoszillators 42 lediglich dann, wenn aufgrund irgendwelcher Störungen der Laserverstärker 36 die Inversionsdichte I nicht mehr begrenzen kann und diese somit den Verstärkungswert VW übersteigt und auch den Einsatzwert EW übersteigen würde.
Erst dann erfolgt eine Aktivierung des stets aktivierbaren Hilfsoszillators 42, der dann die Inversionsdichte I innerhalb des Verstärkungsvolumens 38 auf den Einsatzwert EW begrenzt.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, dargestellt in Fig. 6, ist das erste Ausführungsbeispiel insoweit abgewandelt, als das Verstärkerstrahlungsfeld 30 des Laserverstärkers 36 noch ein Schaltelement 60 durchsetzt, mit welchem der Laserverstärker 36 aktivierbar oder deaktivierbar ist.
Auch in diesem Fall dient der stets in einem aktivierbaren Zustand befindliche Hilfsoszillator 42 dazu, wie in Fig. 7 dargestellt, die Inversionsdichte I im Oszillatorverstärkungsvolumen 48 auf den Einsatzwert EW begrenzt zu halten, so daß die Inversionsdichte diesen Wert im wesentlichen nicht übersteigt, solange der Laserverstärker 36 durch den Schalter 60 deaktiviert ist.
Wird nun der Laserverstärker 36 durch den Schalter 60 aktiviert, so sinkt die Inversionsdichte im Verstärkungsvolumen 38 zumindest auf den Verstärkungswert VW ab, welcher durch die Laserschwelle des aktivierten Laserverstärkers 36 definiert ist. Wird der Laserverstärker 36 wieder deaktiviert, so steigt die Inversionsdichte I wieder auf Werte in einem Wertebereich WB um den Einsatzwert EW an, wobei dieser Wertebereich WB beispielsweise durch Einschwingvorgänge der Inversionsdichte I auf den Einsatzwert EW bedingt ist, die Inversionsdichte I übersteigt jedoch den Einsatzwert EW nicht nennenswert und kann wiederum durch den Hilfsoszillator 42 so lange begrenzt gehalten werden, bis wieder ein Aktivieren des Laserverstärkers 36 erfolgt.
Durch das Schaltelement 60 kann der Laserverstärker in unterschiedlichsten Betriebsweisen, beispielsweise als modengekoppelter Verstärker, als Verstärker mit cavity dumping oder ähnlichen gepulsten Betriebsweisen betrieben werden, wobei jeweils der Hilfsoszillator 42 dafür sorgt, daß die Inversionsdichte I den Einsatzwert EW nicht wesentlich überschreitet und somit keinerlei schädliche Fluoreszenz aus dem Festkörper 10 austritt.
Darüber hinaus erlaubt diese Betriebsweise auch im Pulsbetrieb, die Pumpleistung ungefähr konstant zu halten und auch die durch die konstante Pumpleistung bedingte Erwärmung des Festkörpers 10 in einem Bereich zu halten, der trotz hoher Pumpleistung eine aus thermischer Sicht im wesentlichen stationäre Betriebsweise erlaubt, so daß die Probleme, die aufgrund schwankender thermischer Zustände auftreten, insbesondere eine unterschiedlich starke Linsenbildung des Festkörpers 10, vermieden werden können.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, dargestellt in Fig. 8, sind diejenigen Elemente, die mit denen der voranstehenden Ausführungsbeispiele identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen Bezug genommen werden kann.
Im Gegensatz zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen ist der Hilfsoszillator 42' mit einem Resonator 40' versehen, dessen Oszillatorstrahlungsfeld 46' ebenfalls gefaltet ist und zwei Äste 46A und 46B aufweist, die durch den Reflektor 20 ineinander überführt werden, so daß der Resonator 40' außerdem durch zwei mit dem Reflektor 20 das Oszillatorstrahlungsfeld 46' definierende Spiegel 70 und 72 gebildet ist.
Außerdem ist das verlusterhöhende Element 50' beispielsweise aus einem teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor 74 und einem polarisationsbeeinflussenden Element 76 gebildet, wobei der teildurchlässige reflektierende Spiegel 76 ein ausgekoppeltes Strahlungsfeld 78 erzeugt, das sich quer zum Ast 46B des Oszillatorstrahlungsfelds 46' ausbreitet und dessen Intensität von der durch den Polarisator 76 eingestellten Polarisationsrichtung abhängig ist. Durch Verdrehen des polarisationsbeeinflussenden Elements 76 sind somit die Verluste im Hilfsoszillator 42' innerhalb eines Bereichs kontinuierlich einstellbar und somit ist auch der Einsatzwert EW der Inversionsdichte I im Oszillatorverstärkungsvolumen 48 einstellbar, ab welchem die Laserschwelle im Hilfsoszillator 42' erfüllt ist.
Im übrigen ist auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems der Laserverstärker 36 in allen bereits im Zusammenhang mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Varianten betreibbar.

Claims

1. Laserverstärkersystem umfassend
ein laseraktives Medium (10), in welchem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens (24) eine Inversionsdichte (I) erzeugbar ist,
einen Laserverstärker (36), dessen Strahlführungsoptik (32, 34, 20) ein Verstärkerstrahlungsfeld (30) definiert, welches ein vom Pumpvolumen (24) umfaßtes Verstärkungsvolumen (38) im laseraktiven Medium (10) durchsetzt und in welchem im laseraktiven Zustand des Laserverstärkers (36) eine optische Verstärkung in mindestens einem Mode (M) dann erfolgt, wenn die Inversionsdichte (I) einen Verstärkungswert (VW) erreicht hat,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsoszillator (42) vorgesehen ist, dessen optischer Resonator (40) ein Oszillatorstrahlungsfeld (46) definiert, das ein innerhalb des Pumpvolumens (24) im laseraktiven Medium (10) liegendes und zumindest teilweise mit dem Verstärkungsvolumen (38) unter Bildung eines Überlappungsvolumen räumlich überlappendes Oszillatorverstärkungsvolumen (48) durchsetzt, und daß der Hilfsoszillator (42) so ausgebildet ist, daß eine Laserschwelle für jeden Mode (HM) des Oszillatorstrahlungsfeldes (46) bei Einsatzwerten (EW) der Inversionsdichte (I) innerhalb des Überlappungsvolumens (49) erreicht wird, welche größer sind als der Verstärkungswert (VW) der Inversionsdichte (I).

2. Laserverstärkersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsoszillator (42) innerhalb des Überlappungsvolumens (49) die Inversionsdichte (I) innerhalb eines Wertebereichs (WB) hält, welcher den Einsatzwert (EW) von des mindestens einer Mode (HM) des Oszillatorstrahlungsfeldes (46) mit umfaßt.

3. Laserverstärkersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oszillatorstrahlungsfeld (46) des Hilfsoszillators (42) mehrere Moden (HM) umfaßt.

4. Laserverstärkersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oszillatorstrahlungsfeld (46) bezüglich des Pumpvolumens (24) selbstadaptierend ausgebildet ist.

5. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsoszillator (42) zumindest dann ständig in dem laseraktiven, die Ausbildung des Oszillatorstrahlungsfeldes (46) erlaubenden Zustand ist, wenn ein Pumpen des laseraktiven Mediums (10) erfolgt.

6. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsoszillator (42) ständig in dem die Ausbildung des Oszillatorstrahlungsfelds (46) erlaubenden Zustand ist.

7. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Hilfsoszillator (42) erzeugte Laserstrahlung (52) von einem Absorber (54) absorbiert wird.

8. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (40) des Hilfsoszillators (42) dejustageunempfindlich aufgebaut ist.

9. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (40) des Hilfsoszillators (42) mit einem Einstellelement (50) versehen ist, mit welchem sich über die Verluste die Einsatzwerte (EW) einstellen lassen.

10. Laserverstärkersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Einstellelement (50) die Verluste des Resonators (40) stufenlos einstellbar sind.

11. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium ein plättchenförmiger Festkörper (10) ist.

12. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite des laseraktiven Mediums (10) ein Reflektor (20) angeordnet ist.

13. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (20) einen Umlenkspiegel für das Verstärkerstrahlungsfeld (30) bildet.

14. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (20) einen Endspiegel des Resonators (40) des Hilfsoszillators (42) bildet.

15. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (20) einen Umlenkspiegel für das Oszillatorstrahlungsfeld (46') bildet.

16. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsvolumen (38) und das Oszillatorverstärkungsvolumen (48) im wesentlichen vollständig überlappen.

17. Laserverstärkersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserverstärker (36) im Betriebszustand kontinuierlich bei den Verstärkungswerten (VW) der Inversionsdichte (I) arbeitet und daß der Hilfsoszillator (42) nur dann seine Laserschwelle erreicht, wenn der Laserverstärker (36) seinen Betriebszustand verläßt.

18. Laserverstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserverstärker (36) im Pulsbetrieb arbeitet und dabei der Wert der Inversionsdichte (I) innerhalb eines Wertebereichs schwankt, welcher im wesentlichen unterhalb dem Einsatzwert (EW) der Inversionsdichte liegt.