DE102004030949B4

DE102004030949B4 - Intracavity-gepumpter Laser

Info

Publication number: DE102004030949B4
Application number: DE200410030949
Authority: DE
Inventors: Antoine Dr. Hirth
Original assignee: Deutsch-Franzosisches Forschungsinstitut Saint-Louis; Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Deutsch-Franzosisches Forschungsinstitut Saint-Louis; Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2004-06-26
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2024-06-27
Also published as: DE102004030949A1; FR2858721A1; FR2858721B1

Abstract

Intracavity-gepumpter Laser mit ersten Pumpmitteln (10) zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln (13, 33) bestehend aus einem ersten thuliumdotierten Kristall (13, 33) zum Pumpen eines zweiten holmiumdotierten Kristalls (14), wobei sich der erste und zweite Kristall in demselben Resonator befinden, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser eine Laserstrahlaufweitungs-Vorrichtung (17, 28, 37) im erwähnten Resonator zwischen dem ersten und zweiten Kristall besitzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laser und betrifft insbesondere eine intracavity-gepumpte Laserquelle.
Aus einer Fachzeitschrift (IEEE Journal of Quantum Electronics, 2002, Vol. 38, No. 11, S.1455-1464, Schellhorn, M.; Hirth, A.:Modeling of Intracavity-Pumped Quasi-Three-Level-Lasers) ist ein gattungsgemäßer intracavity-gepumpter Laser bekannt.
Laser, die bei einer für das Augenlicht weniger gefährlichen Wellenlänge von 2 μm betrieben werden, können in unterschiedlichen Bereichen, wie z.B. Medizin, Lidarsystemen oder atmosphärischen Sondierungen, zum Einsatz kommen. Bei der letzten Anwendungsmöglichkeit muss eine hohe Strahlungsleistung des Lasers und eine große atmosphärische Transmission bei der entsprechenden Wellenlänge vorliegen.
Für die Emission bei dieser Wellenlänge wird bekanntermaßen eine TmYAG-Laserquelle verwendet, die gute Strahleigenschaften aufweist und beispielsweise mit handelsüblichen Laserdioden bei einer Wellenlänge um 0,785 μm gepumpt werden kann.
Zudem besitzen die thuliumdotierten Kristalle, wie etwa TmYAG, aufgrund der Cross-Relaxation zwischen Tm³ ⁺-Nachbarionen einen Pumpwirkungsgrad von ca. 2.
Im Bereich der Emission des Tm³ ⁺-Thuliumions je nach Mutterkristall kommt es aufgrund von Absorptionslinien, insbesondere von Wasser, zu einer erheblichen Reduzierung der atmosphärischen Transmission.
Zur Lösung dieses Problems wird bekanntermaßen eine HoYAG-Laserquelle eingesetzt, die eine Emissionswellenlänge von ca. 2,10 μm aufweist, bei der ein weitaus besserer Wert der atmosphärischen Transmission erzielt wird. Diese Laserquelle kann mit direkt bei 1,9 μm emittierenden Laserdioden gepumpt werden, wie im Patent US 5315608 A . Solche Dioden erfordern jedoch eine komplexe Realisierung und liefern niedrige Leistungen.
Mit dem Patent US 4974230 A kann dieses Problem gelöst werden. Hier wird der Einsatz eines YLF-Kristalls beschrieben, der mit Thulium und Holmium einer Konzentration von 6% bzw. 0,4% codotiert ist und mit bei 0,792 μm Wellenlänge emittierenden Laserdioden gepumpt wird.
Dieses Material weist jedoch Schwierigkeiten aufgrund von elektronischen Niveauänderungen (Up Conversion) auf, was zu größeren Verlusten im Kristall und zu einer geringeren Lebensdauer des oberen Laserniveaus führt. Zudem ist die Lasermaterial-Schwelle, d.h. die notwendige Mindestenergiemenge zum Lasen des Materials, hoch.
Esterowitz et al. haben in ihrem Artikel mit dem Titel „Intracavity-pumped 2,09 μm HoYAG laser", Optics letters vol. 17, n°10/May 15, 1992, vorgeschlagen, ein Intracavity-Pumpen durchzuführen. Dazu befinden sich in demselben Resonanzraum, wie in 1 dargestellt, ein erster mit 12% Thulium dotierter YAG-Kristall 2 und ein zweiter mit 0,5% Holmium dotierter YAG-Kristall 3. Der Resonator 4 ist einerseits durch einen Spiegel 5 mit einer bei ca. 2,1 μm Wellenlänge hoch reflektierenden Beschichtung und einer hohen Transmission bei einer Wellenlänge von ca. 0,785 μm sowie einen Auskoppler 6 mit einer konkaven Fläche und einer bei 2,0 μm hoch reflektierenden Beschichtung 7 mit einer Reflektivität von 98,5% bei 2,1 μm abgegrenzt. Der erste Kristall wird mit ersten Pumpmitteln 8 bestehend aus Laserdioden gepumpt, während der erste Kristall 2 ein Pumpmittel des zweiten Kristalls 3 darstellt.
Ein differentieller Wirkungsgrad von 42% konnte bei einer Ausgangsleistung von 140 mW (TmYAG und HoYAG) erzielt werden.
Im Vergleich zum Einsatz eines Tm- und Ho-codotierten Kristalls weist der Intracavity-Laser von Esterowitz zahlreiche Vorteile auf, und zwar:

– Einen besseren Wirkungsgrad: 42%. Grundsätzlich kann die vom Ho-dotierten Kristall absorbierte Nutzleistung besser gesteuert und ein über die gesamte Länge des Kristalls 3 gleichmäßiges Pumpen mit geringen Reabsorptionsverlusten vorgenommen werden.
– Einen kompakteren Aufbau mit weniger Elementen.
– Einen einfachen Schutz des Aufbaus vor Absorptionseffekten von Wasserdampf in der Umgebungsluft (kürzerer Weg).

Die erzielte Leistung ist jedoch niedrig und der Anstieg der Pumpstrahlleistung führt zu einem schlechteren räumlichen Profil des vom HoYAG- Kristall emittierten Strahls und zu einem unmöglichen Einsatz im gepulsten oder kontinuierlichen Betrieb.
Es ist nämlich festzustellen, dass die kontinuierliche Emission von TmYLF bei Anordnung des HoYAG-Kristalls im Resonator in gepulste Emission umgewandelt wird. Die aufeinanderfolgenden Impulse erfolgen unregelmäßig mit einer Pulsdauer von einigen μs. Bei der gepulsten Emission von TmYLF wird fast bei jedem Impuls genügend Energie abgegeben, um eine Populationsinversion und eine HoYAG-Emission zu ermöglichen. Ist der akustooptische Modulator abgeschaltet, entspricht jedem TmYLF-Impuls ein HoYAG-Impuls mit variabler Dauer zwischen 200 und 600 ns je nach Pumpniveau der Dioden. Durch Einsatz eines Triggersystems, im vorliegenden Fall eines akustooptischen Modulators, bei einer Frequenz von 5 bis 15 kHz wird keine größere Regelmäßigkeit der aufeinanderfolgenden Impulse erreicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für diese Probleme zu finden und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher ein Laserstrahl ohne Zerstörung des räumlichen Profils des vom HoYAG-Kristall emittierten Strahls mit einem möglichen Einsatz im kontinuierlichen und gepulsten Betrieb erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausführungsform durch einen intracavity-gepumpten Laser mit ersten Pumpmitteln zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln bestehend aus einem ersten thuliumdotierten Kristall zum Pumpen eines zweiten holmiumdotierten Kristalls gelöst, wobei sich der erste und zweite Kristall in demselben Resonator befinden, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser Mittel zur Aufweitung eines Laserstrahls im erwähnten Resonator zwischen dem ersten und zweiten Kristall besitzt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform besteht die Strahlaufweitungsvorrichtung aus einer Brennpunktsvorrichtung, wie z.B. einer Konkav- und Konvexlinse.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform besteht die Strahlaufweitungsvorrichtung mindestens aus einem Prisma.
Gemäß einer Ausführungsform für einen einfacheren Einsatz der Strahlaufweitungsvorrichtung aufgrund ihrer unkritischen Ausrichtung ist das Prisma ein YAG-Kristall. Dieser besitzt einen hohen Brechungsindex und eine gute Transparenz bei einer Wellenlänge von 2,1 μm.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform für den Ausgleich der spektralen Dispersion der Strahlen und die Sicherstellung des Austritts des aufgeweiteten Strahls in derselben Richtung wie der einfallende Strahl besteht die Strahlaufweitungsvorrichtung aus zwei hintereinander angeordneten Prismen mit demselben Scheitelwinkel β, die jedoch entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform zur Einstellung der Emissionswellenlänge des ersten Kristalls auf die gewünschte Wellenlänge besitzt der Laser eine Wellenlängen-Wahlvorrichtung beispielsweise bestehend aus einem Fabry-Perot-Etalon aus Siliziumoxid.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zur Aufrechterhaltung des Laserbetriebs in einem Emissionsbereich mit möglichst hohem Wirkungsgrad besteht der erste Kristall aus thuliumdotiertem YLF und enthält der Resonator mit dem ersten Kristall einen ersten Spiegel, der eine Beschichtung mit einem spektralen Profil aufweist, wodurch der Betrieb des Pumplasers bei einer Wellenlänge von ca. 1,91 μm sichergestellt wird, bei welcher eine maximale Verstärkung erreicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur erheblichen Reduzierung der Gefahr des Auftretens des thermischen Linseneffektes umfasst der Laser zwei transversale Intracavity-Resonatoren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform zur erheblichen Reduzierung der Abmessungen jedes Resonators ist das einzige gemeinsame Element der beiden Resonatoren der zweite holmiumdotierte Kristall.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform besitzt der Resonator mit dem ersten Werkstoff einen Strahlteiler, der bei der Wellenlänge, bei welcher das Lasen des ersten thuliumdotierten Kristalls erfolgt, hoch reflektierend ist und bei der Wellenlänge, bei welcher das Lasen des zweiten holmiumdotierten Kristalls erfolgt, eine sehr hohe Transmission besitzt, wobei dieser Strahlteiler beispielsweise für Wellenlängen zwischen λ = 1,91 und 1,953 μm bei einer Polarisation „S" hoch reflektierend sein und für Wellenlängen von ca. 2,1 μm bei einer Polarisation „P" eine maximale Transmission aufweisen und eventuell unter einem bestimmten Einfallswinkel zur Strahlrichtung angeordnet sein kann.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform werden der erste und zweite Kristall unter folgenden Kristallen oder als Kombination dieser Kristalle ausgewählt:
YSAG (Ytterbium- und Scandium-Aluminium-Granat), YSGG (Ytterbium- und Scandium-Gallium-Granat), YGG (Ytterbium- und Gallium-Granat), GGG (Gallium- und Gadolinium-Granat), GSGG (Gadolinium- und Scandium-Gallium-Granat), GSAG (Gallium- und Gadolinium-Aluminium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat), YAP (Yttrium- und Aluminium-Perovskit), YLF (Yttrium- und Lithium-Fluorid), LuLF (Lutetium- und Lithium-Fluorid), YVO₄ (Yttrium-Vanadat).
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung sowie den beigefügten Figuren hervor, wobei:
in 1 der Stand der Technik dargestellt wird;
in 2a und 2b die allgemeinen Bauelemente einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt werden;
in 3a und 3b eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt wird;
in 4a und 4b eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt wird;
in 4c eine Modifikation dieser dritten Ausführungsform zur Steigerung der Pumpleistung dargestellt wird;
in 5 ein Beispiel einer Strahlaufweitungsvorrichtung für den Einsatz mit der dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt wird.
2a und 2b zeigen die allgemeinen Bauelemente eines intracavitygepumpten Lasers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Laser erste Pumpmittel 10 bestehend aus Laserdioden zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln 13 bestehend aus einem ersten thuliumdotierten Kristall zum Pumpen eines zweiten holmiumdotierten Kristalls 14 aufweist, wobei der erste und zweite Kristall in demselben Resonator 11 angeordnet sind.
Dieser Resonator 11 ist einerseits durch einen ersten Spiegel 12 mit einer bei ca. 1,9 und 2,1 μm Wellenlänge reflektierenden Beschichtung 12a an der Resonatorseite und einer hohen Transmission für die Wellenlängen der Laserdioden sowie einen zweiten Auskoppelspiegel 15 mit einer bei 1,91 μm hoch reflektierenden Beschichtung 15a auf einer Spiegelfläche an der Seite von Resonator 11 mit einer Reflektivität von ca. 95% bei 2,1 μm, d.h. der Emissionswellenlänge des Lasers, abgegrenzt. Zudem besitzt die der Beschichtung des ersten Spiegels 12 gegenüberliegende Fläche eine hohe Transmission für die Wellenlängen der Laserdioden.
Dieser Resonator besitzt außerdem eine Strahlaufweitungsvorrichtung 17 zwischen den beiden Kristallen 13 und 14.
Dabei handelt es sich um eine übliche Strahlaufweitungsvorrichtung, welche die Vergrößerung der Strahlabmessungen und somit die Reduzierung der Strahlleistungsdichte bei gleichzeitiger Beibehaltung der Gesamtleistung des Strahls ermöglicht.
Der verwendete erste und zweite Kristall sind YAG-Kristalle (Ytterbium- und Aluminium-Granat). Jeder andere Kristalltyp oder jede geeignete Kombination von Kristallen könnte jedoch ebenfalls verwendet werden, wie z.B. YSAG (Ytterbium- und Scandium-Aluminium-Granat), YSGG (Ytterbium- und Scandium-Gallium-Granat), YGG (Ytterbium- und Gallium-Granat), GGG (Gallium- und Gadolinium-Granat), GSGG (Gadolinium- und Scandium-Gallium-Granat), GSAG (Gallium- und Gadolinium-Aluminium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat), YAP (Yttrium- und Aluminium-Perovskit), YLF (Yttrium- und Lithium-Fluorid), LuLF (Lutetium- und Lithium-Fluorid), YVO₄ (Yttrium-Vanadat)...
Diese Laservorrichtung funktioniert wie folgt. Für eine deutlichere Darstellung zeigt 2a die Pumpstrahlen und 2b den vom zweiten Kristall erzeugten Strahl.
Ein erster Pumpstrahl 18 wird von den Laserdioden 10 emittiert. Dieser Strahl durchdringt ohne Verluste den ersten Spiegel 12 und dessen dazugehörige Beschichtung 12a sowie anschließend den TmYAG-Kristall 13, in dem er fast vollständig (zu ca. 80%) absorbiert wird. Somit beginnt das Lasen dieses ersten Kristalls durch Emittieren eines Laserstrahls 16 mit einer Wellenlänge von 1,91 μm. Dieser Strahl 16 durchdringt dann die Strahlaufweitungsvorrichtung 17, in welcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 erhöht wird, wobei die Strahlleistungsdichte ebenfalls um einen Faktor 10 reduziert wird. Der aufgeweitete Pumpstrahl 19, der aus der Strahlaufweitungsvorrichtung 17 austritt, durchdringt den zweiten Kristall 14, in dem er teilweise absorbiert wird. Der nicht absorbierte Teil wird von der Beschichtung 15a in Richtung des zweiten Kristalls 14 reflektiert, in dem er erneut teilweise absorbiert wird. Der vom zweiten Kristall 14 absorbierte Teil des Strahls aus dem ersten Kristall führt, durch den zweiten Kristall, zu einer Emission eines Strahls 20 bei einer Wellenlänge von ca. 2,1 μm. Beim Austritt aus dem zweiten Kristall werden 95% dieses Strahls 20 von der Beschichtung 15a des zweiten Spiegels 15 reflektiert, während 5% des Strahls diesen durchdringen. Dieser Teil des Strahls 9 kann somit bekanntermaßen an der Außenseite des Resonators genutzt werden. Somit kommt es zwischen den jeweiligen Beschichtungen der Spiegel 12 und 15 zu einer Überlagerung der Strahlen 16, 19, 20, 21 aus dem ersten bzw. zweiten Kristall.
In 3a und 3b wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher der Laser transversale Intracavity-Resonatoren aufweist. Er besitzt erste Pumpmittel 10 bestehend aus bei 0,792 μm Wellenlänge funktionierenden Laserdioden zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln 33 bestehend aus einem ersten Kristall 33 aus Yttrium- und Lithium-Fluorid, der mit 3,5% Thulium dotiert ist und eine aktive Länge von 8 mm aufweist, zum Pumpen eines zweiten Kristalls 14 aus YAG, der mit 0,3% Holmium dotiert ist und eine aktive Länge L von 20 mm aufweist, wobei der erste und zweite Kristall in zwei Intracavity-Resonatoren angeordnet sind, d.h. einen gemeinsamen Teil aufweisen.
Der erste Resonator 48, nämlich der des ersten Kristalls TmYLF, ist einerseits durch einen ersten Spiegel 22 mit einer im Wellenlängenbereich von 1,9-2,1 μm reflektierenden Beschichtung 25 an der Resonatorseite und einer hohen Transmission für die Wellenlängen der Laserdioden sowie einen zweiten Spiegel 23 mit einer insbesondere bei Wellenlängen zwischen 1,9 und 2,1 μm hoch reflektierenden Beschichtung 26 auf einer Spiegelfläche an der Resonatorseite abgegrenzt. Zudem besitzt die der Beschichtung des ersten Spiegels 22 gegenüberliegende Fläche eine hohe Transmission für die Emissionswellenlängen der Laserdioden. Die Länge dieses Resonators beträgt ca. 60 mm.
Dieser Resonator besitzt, ausgehend vom ersten Spiegel 22, einen Pumpwellenlängen-Wähler 45, den ersten Kristall TmYLF 33, einen Strahlteiler 32, eine Strahlaufweitungsvorrichtung 28 und den zweiten Kristall HoYAG 14. Mit der eingesetzten Strahlaufweitungsvorrichtung 28 wird in eine einzige Richtung senkrecht zur Strahlrichtung die Strahlbreite um einen Faktor von ca. 10 erhöht.
Der zweite Resonator 50, nämlich der des zweiten Kristalls HoYAG, ist einerseits durch den zweiten Spiegel 23 des ersten Resonators und andererseits durch einen dritten Auskoppelspiegel 24 mit einer Beschichtung 27 an der Resonatorseite mit einer Reflektivität von ca. 95% bei 2,1 μm, d.h. der Emissionswellenlänge des HoYAG-Lasers, abgegrenzt.
Dieser Resonator besitzt einerseits, ausgehend vom zweiten Spiegel 23 bis zum Strahlteiler 32, dieselben Elemente 23, 26, 14, 28 wie der erste Resonator, da es sich hierbei um den gemeinsamen Teil der beiden Resonatoren handelt, und andererseits hinter dem Strahlteiler 32 und zwischen dem Strahlteiler und dem dritten Spiegel 24 eine Triggervorrichtung bestehend aus einem akustooptischen Modulator 34. Die Länge dieses Resonators beträgt ca. 80 mm.
Da sich der HoYAG-Stab im gemeinsamen Teil der beiden Intracavity-Resonatoren befindet, d.h. auf der Strecke, wo sich die beiden Strahlen überlagern, durchdringen diese den Stab. Der Strahlteiler 32 dient zur Trennung des durch TmYLF erzeugten Strahls von dem durch HoYAG erzeugten Strahl durch Einflussnahme auf die Polarisations- und Wellenlängendifferenz, um die Verzerrung des HoYAG-Strahls aufgrund des thermischen Linseneffektes zu vermeiden, der durch den Pumpstrahl aus den Dioden im ersten Kristall TmYLF erzeugt wird. Der unter einem Einfallswinkel von 45° angeordnete Strahlteiler 32 übernimmt teilweise diese Rolle; er ist bei einer Wellenlänge von ca. λ = 1,91 μm für eine Polarisation „S" hoch reflektierend und besitzt eine maximale Transmission bei einer Wellenlänge von ca. 2,1 μm für eine Polarisation „P".
Um zudem eine Funktionsweise mit einer möglichst hohen HoYAG-Sättigungsschwelle zu ermöglichen, müssen die zweiten Pumpmittel eher bei einer Wellenlänge von 1,91 μm als einer Wellenlänge von 1,953 μm betrieben werden. Zu diesem Zweck ist einerseits die Verwendung eines spektralen Profils des Spiegels 22 vorzuziehen, wodurch der Pumplaser 33 eher bei einer Wellenlänge im Bereich von 1,91 μm als von 1,953 μm betrieben und die Wellenlängen-Wahlvorrichtung zur Einstellung der Emissionswellenlänge des ersten Kristalls 33 auf die gewünschte Wellenlänge verwendet werden kann. Diese Wellenlängen-Wahlvorrichtung 45 besteht in diesem Beispiel aus einem Fabry-Perot-Etalon aus Siliziumoxid.
Diese Laservorrichtung funktioniert wie folgt. Für eine deutlichere Darstellung zeigt 3a die Pumpstrahlen und 3b den vom zweiten Kristall erzeugten Strahl.
Ein erster Pumpstrahl 18 wird von den Laserdioden 10 emittiert. Dieser Strahl durchdringt ohne Verluste den ersten Spiegel 22 und dessen dazugehörige Beschichtung 25 sowie anschließend den Wähler 45 und dann den ersten Kristall TmYLF, mit dem eine Wechselwirkung entsteht. Dieser erste Kristall 33 erzeugt somit einen Strahl 29 zum Pumpen des zweiten Kristalls HoYAG 14. Dieser Strahl 29 mit einer Wellenlänge von ca. 1,91 μm wird vom Strahlteiler 32 in Richtung der Strahlaufweitungsvorrichtung 28 reflektiert, in welcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 erhöht wird, wobei die Strahlleistungsdichte ebenfalls um einen Faktor 10 reduziert wird. Der aus der Strahlaufweitungsvorrichtung 28 austretende Pumpstrahl 30 dringt somit in den zweiten Kristall 14 ein, mit dem eine Wechselwirkung entsteht. Somit erfolgt das Lasen des zweiten Kristalls 14 durch Emittieren eines Strahls 35 bei einer Wellenlänge von ca. 2,1 μm.
Wie in 3a dargestellt, wird der vom ersten Kristall emittierte Pumpstrahl, der mit dem zweiten Kristall nicht in Wechselwirkung stand, vom Spiegel 23 reflektiert und durchdringt erneut den zweiten Kristall, in dem eine Wechselwirkung entsteht, anschließend durchdringt der nicht in Wechselwirkung stehende Teil die Strahlaufweitungsvorrichtung 28, bevor er über den Strahlteiler 32 in Richtung des ersten Spiegels 22 geleitet wird.
Wie in 3b dargestellt, wird der Emissionsstrahl des zweiten Kristalls 14 vom zweiten Spiegel 23 reflektiert, durchdringt dann den zweiten Kristall 14 und die Strahlaufweitungsvorrichtung 28, welche den einfallenden Strahl 35 in einen Strahl 36 mit einem um einen Faktor 10 reduzierten Querschnitt umwandelt. Dieser Strahl 36 durchdringt anschließend den Strahlteiler 32 und den akustooptischen Modulator 34, bevor er teilweise von der Beschichtung 27 des Spiegels 24 reflektiert wird, wobei der übertragene Teil des Strahls 9 somit bekanntermaßen an der Außenseite des Resonators genutzt werden kann.
Zwischen der Beschichtung 26 des Spiegels 23 und dem Strahlteiler 32 überlagern sich die jeweiligen Strahlen des ersten und zweiten Kristalls.
In 4a, 4b und 5 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher der Laser ebenfalls transversale Intracavity-Resonatoren aufweist. Er besitzt erste Pumpmittel 10 bestehend aus bei 0,792 μm Wellenlänge funktionierenden Laserdioden zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln bestehend aus einem ersten Kristall 33 aus Yttrium- und Lithium-Fluorid, der mit 3,5% Thulium dotiert ist und eine aktive Länge von 8 mm aufweist, zum Pumpen eines zweiten Kristalls 14 aus YAG, der mit 0,3% Holmium dotiert ist und eine aktive Länge L von 20 mm aufweist, wobei der erste und zweite Kristall in zwei Intracavity-Resonatoren angeordnet sind, d.h. einen gemeinsamen Teil aufweisen.
Der erste Resonator 49, nämlich der des ersten Kristalls TmYLF, besitzt dieselben, in derselben Reihenfolge angeordneten Elemente wie in der zweiten Ausführungsform der Erfindung, d.h. einen ersten Spiegel 22 mit einer im Wellenlängenbereich von 1,91 und 2,1 μm reflektierenden Beschichtung 25 an der Resonatorseite und einer hohen Transmission für die Wellenlängen der Laserdioden, einen Pumpwellenlängen-Wähler 45, den ersten Kristall TmYLF 33, einen bei ca. 1,91 und 2,1 μm Wellenlänge hoch reflektierenden Strahlteiler 46, eine Strahlaufweitungsvorrichtung 37, 43, 44 sowie den zweiten Kristall HoYAG 14 und einen zweiten Spiegel 42 mit einer insbesondere bei einer Wellenlänge zwischen 1,9 und 2,1 μm hoch reflektierenden Beschichtung 26 auf einer Spiegelfläche an der Resonatorseite. Zudem besitzt die der Beschichtung des ersten Spiegels 22 gegenüberliegende Fläche eine hohe Transmission für die Emissionswellenlängen der Laserdioden. Die Länge dieses Resonators beträgt ca. 60 mm.
Der zweite Resonator 51, nämlich der des zweiten Kristalls HoYAG, ist einerseits durch einen dritten Spiegel 39 mit einer bei 2,1 μm, d.h. der Emissionswellenlänge des Lasers, hoch reflektierenden Beschichtung 40 an der Resonatorseite abgegrenzt. Er enthält ebenfalls den zweiten Kristall HoYAG 14 sowie einen akustooptischen Modulator 34 und schließlich einen Auskoppelspiegel 24 mit einer Beschichtung 27, die eine Reflektivität von ca. 95% bei 2,1 μm aufweist.
Das einzige gemeinsame Element zwischen dem ersten und zweiten Resonator ist der zweite Kristall HOYAG, wodurch jegliche Überlagerung der Pumpstrahlen mit dem Emissionsstrahl des zweiten Kristalls vermieden und somit die Gefahr von Störungen aufgrund der im ersten Kristall auftretenden thermischen Linse maximal eingeschränkt wird.
Außerdem kann aufgrund dieser Anordnung der Bauelemente des Lasers die Länge des zweiten Resonators erheblich begrenzt werden, da diese nur ca. 40 mm beträgt.
Wie in 5 dargestellt, besteht die Strahlaufweitungsvorrichtung 37 aus zwei hintereinander angeordneten Prismen 43 und 44 mit demselben Scheitelwinkel β, die jedoch entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.
Die scheinbar am besten und einfachsten umzusetzende Lösung aufgrund einer weniger kritischen Ausrichtung ist die Verwendung von Prismen aus undotiertem YAG (n = 1,8050 bei 1,9 μm).
Mit einem einzigen Prisma kann leicht ein Vergrößerungsfaktor von ca. 3 erzielt werden. In Abhängigkeit des Einfallswinkels i beträgt die Vergrößerung von Strahl G: G = (1/n).[(n2 – sin2i)/(1 – sin2i)]1/2,wobei G gegen unendlich strebt, wenn i gegen π/2 strebt.
Ein Einfallswinkel von 75° wurde gewählt, da bei diesem Wert eine gute Antireflexbehandlung bei einer Polarisation „P" sichergestellt werden kann. Der Scheitelwinkel β eines Prismas beträgt somit 32°21'. I = L.tg β I'tg(π/2 – i) = d,wobei d der Durchmesser des Eingangsstrahls ist.
Weisen die beiden Prismen 43 und 44 denselben Winkel β, jedoch unterschiedliche Größen auf, betragen die Mindestabmessungen: I + I' = L.tg β + d/tg(π/2 – i) = d[G.tgβ + 1/tg(π/2 – i)]
Bei zwei identischen Prismen wird I + I' zu: I + I' = L[tg β + (1 – 1/G2 + tg2 β)
Bei G = 10, 1/G² << 1: I + I' = L(1 + sinβ)/cosβ
Bei β = 32°21' beträgt I + I' = 1,8L und L > = d.G.
Bei G = 10 und d < 1 mm überschreiten die Gesamtabmessungen in Abhängigkeit der Resonatorlänge nicht 18 mm, wodurch kurze Resonatorlängen beibehalten werden können.
Eine Vorrichtung mit 2 hintereinander angeordneten Prismen, die entgegengesetzt zueinander stehende Scheitelwinkel aufweisen, besitzt zwei Vorteile: Einerseits wird die spektrale Dispersion der Strahlen ausgeglichen und andererseits tritt der aufgeweitete Strahl in derselben Richtung wie der einfallende Strahl aus.
Diese Laservorrichtung funktioniert wie folgt. Für eine deutlichere Darstellung zeigt 4a die Pumpstrahlen und 4b den vom zweiten Kristall erzeugten Strahl.
Ein erster Pumpstrahl 18 wird von den Laserdioden 10 emittiert. Dieser Strahl durchdringt ohne Verluste den ersten Spiegel 22 und dessen dazugehörige Beschichtung 25 sowie anschließend den Wähler 45 und den ersten Kristall TmYLF 33, mit dem eine Wechselwirkung entsteht. Der erste Kristall 33 erzeugt somit einen Strahl 29 zum Pumpen des zweiten Kristalls HoYAG 14. Dieser Strahl 29 mit einer Wellenlänge von ca. 1,91 μm wird vom Strahlteiler 46 in Richtung der Strahlaufweitungsvorrichtung 37 reflektiert, in welcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 erhöht wird, wobei die Strahlleistungsdichte ebenfalls um einen Faktor 10 reduziert wird. Der Pumpstrahl 29 dringt somit in den zweiten Kristall 14 ein, mit dem eine Wechselwirkung entsteht. Somit erfolgt das Lasen des zweiten Kristalls durch Emittieren eines zweiten Strahls 41 bei einer Wellenlänge von 2,1 μm, der die Strahlaufweitungsvorrichtung 37 nicht durchdringt und senkrecht zum von TmYLF emittierten Pumpstrahl steht. Somit muss der Werkstoff, aus dem die Prismen bestehen, für die Emissionswellenlänge von HoYAG, d.h. 2,1 μm, nicht durchlässig sein.
Wie in 4a dargestellt, wird der vom ersten Kristall emittierte Pumpstrahl, der mit dem zweiten Kristall nicht in Wechselwirkung stand, vom Spiegel 42 reflektiert und durchdringt erneut den zweiten Kristall, in dem eine Wechselwirkung entsteht, anschließend durchdringt er die Strahlaufweitungsvorrichtung 37, in welcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 reduziert wird, bevor er über den Strahlteiler 46 in Richtung des ersten Spiegels 22 geleitet wird.
Wie in 4b dargestellt, wird der Emissionsstrahl des zweiten Kristalls 14 vom dritten Spiegel 39 reflektiert, durchdringt dann den zweiten Kristall 14, den akustooptischen Modulator 34, bevor er teilweise vom Spiegel 24 reflektiert wird, wobei der übertragene Teil des Strahls 9 somit bekanntermaßen an der Außenseite des Resonators genutzt werden kann.
Bei dieser Ausführungsform besitzt der Strahlteiler 46 keine besondere Funktion, außer der Richtungsänderung des vom ersten Kristall 33 erzeugten Strahls mit einem Winkel von π/2 Radiant. Er könnte somit entfernt werden und der Resonator 49 wäre somit longitudinal und senkrecht zum Resonator 51 angeordnet. Dieser Strahlteiler 46, der die vom ersten Kristall an dessen Seite emittierte Laserstrahlung 29 reflektiert und die von den Dioden an der anderen Seite emittierte Strahlung durchlässt, könnte jedoch zur Steigerung der Pumpleistung des ersten Kristalls 33 eingesetzt werden. Es reicht nämlich aus, wie in 4c dargestellt, eine zweite Konstruktion bestehend aus Dioden 10, einem Spiegel 22 mit dessen Beschichtung 25 sowie einem Wähler 45 symmetrisch zum Strahlteiler 46 anzuordnen. Somit würde der erste Kristall einerseits direkt mit der Strahlung aus der ersten Konstruktion und andererseits mit der Strahlung aus der zweiten Konstruktion über den Strahlteiler 46 gepumpt werden. Mit dieser Lösung kann, im Vergleich zur Vorrichtung aus 4a, die Nutzleistung zum Pumpen des ersten Kristalls 33 verdoppelt werden.
Durch longitudinales oder transversales Pumpen von HoYAG werden aufgrund der Reduzierung der Pumpleistungsdichte infolge der Strahlaufweitung die Schwankungen bei der Emission von TmYLF und HoYAG verringert bzw. beseitigt. Durch Wahl einer Vorrichtung zur Strahlaufweitung in einer einzigen Richtung durch Beibehaltung der Höhe des Pumpstrahls ist ein transversaler Aufbau leicht durchführbar. Beim longitudinalen Pumpen muss der Strahl dieses Element bei 2,1 μm durchdringen und es besteht das Problem der Wahl einer Vorrichtung mit sehr geringen Absorptionsverlusten bei dieser Wellenlänge.

Claims

Intracavity-gepumpter Laser mit ersten Pumpmitteln (10) zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln (13, 33) bestehend aus einem ersten thuliumdotierten Kristall (13, 33) zum Pumpen eines zweiten holmiumdotierten Kristalls (14), wobei sich der erste und zweite Kristall in demselben Resonator befinden, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser eine Laserstrahlaufweitungs-Vorrichtung (17, 28, 37) im erwähnten Resonator zwischen dem ersten und zweiten Kristall besitzt.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaufweitungsvorrichtung aus einer Konkav- und Konvexlinse besteht.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaufweitungsvorrichtung mindestens aus einem Prisma besteht.
Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaufweitungsvorrichtung mindestens aus einem YAG-Kristall-Prisma besteht.
Laser nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaufweitungsvorrichtung aus zwei hintereinander angeordneten Prismen (43, 44) mit demselben Scheitelwinkel β besteht, die jedoch entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser eine Wellenlängen-Wahlvorrichtung (45) beispielsweise bestehend aus einem Fabry-Pérot-Etalon (45) aus Siliziumoxid besitzt.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall (33) aus thuliumdotierten YLF besteht und dass der Resonator, der diesen ersten Kristall (33) enthält, einen ersten Spiegel (22) aufweist, der eine Beschichtung (25) mit einem spektralen Profil besitzt, das den Betrieb des zweiten Pumplasers (33) bei einer Wellenlänge von ca. 1,91 μm gewährleistet.
Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser zwei transversale Intracavity-Resonatoren (48, 50; 49, 51) aufweist.
Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das einzige gemeinsame Element der beiden Resonatoren (49, 51) der zweite holmiumdotierte Kristall (14) ist.