DE102005034728B4

DE102005034728B4 - Longitudinal gepumpter Festkörperlaser und Verfahren zum longitudinalen Pumpen von Lasern

Info

Publication number: DE102005034728B4
Application number: DE200510034728
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Haag; Bernd Dr. Köhler; Peter Prof. Dr. Peuser
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: DE102005034728A1

Abstract

Verfahren zum longitudinalen Pumpen von Lasern, bei dem von wenigstens zwei Diodenlasern (11, 12) emittierte Pumpstrahlung (14) in ein laseraktives Medium (13) longitudinal eingekoppelt wird, um einen Laserstrahl zu erzeugen oder zu verstärken, wobei für die Pumpstrahlung (14) wenigstens zwei unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein dichroitischer Spiegel zur Kopplung der Pumpstrahlungen verwendet wird, wobei die Wellenlängen der Pumpstrahlung (14) einen zur Kopplung durch einen dichroitischen Spiegel geeigneten Abstand aufweisen und wobei das laseraktive Medium (13) in mindestens zwei unterschiedlichen Laserniveaus (N3, N4) gleichzeitig direkt und indirekt angeregt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum longitudinalen Pumpen von Lasern gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen longitudinal gepumpten Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.
Die longitudinale Anregung von Diodenlaser-gepumpten Festkörperlasern bietet entscheidende Vorteile gegenüber dem transversalen Pumpen. Dabei wird eine von Halbleiterlasern emittierte Strahlung in Richtung der Lasermodenachse bzw. bei einem Verstärker in Richtung des Oszillatorstrahles eingekoppelt, so dass sich eine optimale Überlappung des Pumpstrahlvolumens mit dem Modenvolumen oder dem zu verstärkenden Strahl im Verstärker ergibt. Diese bekannte Technik ist beispielsweise in P. Peuser, N. Schmitt: Diodengepumpte Festkörperlaser, Springer-Verlag 1995 beschrieben. Aufgrund der optimalen Überlappung des Pumpstrahlvolumens mit dem Modenvolumen ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad sowie eine geringere Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Wellenlänge der Pumpstrahlung und somit auch von der Temperatur des Diodenlasers. Hinzu kommt, dass eine verbesserte Strahlqualität erzielt werden kann, da nur die fundamentale Lasermode angeregt wird.
Ein Nachteil des longitudinalen Pumpens besteht jedoch darin, dass die verfügbare Diodenlaserleistung auf relativ geringe Werte begrenzt ist. Eine hohe Diodenlaserleistung bzw. große Diodenlaser-Intensitäten lassen sich bisher nur durch eine Stapelung von sogenannten Hochleistungsdiodenlaser-Barren erreichen. Mit dieser Art der Leistungsskalierung ist jedoch eine vergrößerte Problematik verbunden, die Strahlung so zu formen, dass noch ein wesentlicher Anteil der emittierten Diodenlaserstrahlung für das longitudinale Pumpen bzw. für eine Einkopplung in eine Lichtleitfaser verwendet werden kann.
Eine Zusammenkopplung von Strahlung aus zwei derartigen Diodenlaserstapeln wird durch Polarisationskopplung erreicht. Eine andere Möglichkeit der Strahlungskopplung besteht in der Verwendung eines dichroitischen Spiegels, der es gestattet, die Strahlung von zwei Diodenlaserstapeln, die bei zwei unterschiedlichen und hinreichend auseinanderliegenden Wellenlängen emittieren, zusammenzuführen. Dabei darf die Differenz der zentralen Emissionswellenlängen einen Wert von etwa 50–70 nm nicht unterschreiten, damit die erforderliche optische Beschichtung des Spiegels noch hinreichend wirksam ist und eine effiziente Wellenlängenkopplung gestattet.
Die WO 96/27927 A1 zeigt einen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen gepumpten Faserlaser, der mit Erbium und Ytterbium dotiert ist. Hauptsächlich wird das Ytterbium gepumpt, welches Energie an das laserabgebende Erbium abgibt. Mittels einer zweiten Wellenlänge kann das Erbium direkt gepumpt werden, was zu einer schnellen Reaktionsmöglichkeit auf Veränderungen der Laserausgangsleistung führt.
Um das Signalrauschen des Lasers zu verringern, wird mittels eines Sensors am Ausgang des Lasers und der Steuerung der direkten Pumpstrahlung in Verbindung mit einem PID-Regler ein Regelkreis aufgebaut, der die Laserintensität auf einem festlegbaren Wert konstant hält.
Die US 2005/0152426 A1 betrifft ein Verfahren zum Pumpen eines Laserresonators mit Laserdioden, bei dem die longitudinalen Endflächen des Resonators spezifische optische Eigenschaften haben. Die Wellenlängen des Lasers werden von den Endflächen nicht und die Wellenlänge des Pumpstrahls teilweise reflektiert.
Die EP 1 482 608 A1 offenbart ein Verfahren zum Pumpen von Lasermaterial, das in unterschiedlichen Kristallrichtungen unterschiedliche Absorptionseigenschaften aufweist. Dies führt zu einer Abhängigkeit der Absorption der Pumpstrahlung von der Polarisation der Pumpstrahlung. Weiter unterscheiden sich in den verschiedenen Polarisationsrichtungen auch die optimalerweise zur Anregung verwendeten Wellenlängen der Pumpstrahlung.
Zur Verbesserung der Absorptionseigenschaften des Lasermaterials wird daher eine Pumpstrahlung eingesetzt, die aus zwei Einzelpumpstrahlungen besteht, die jeweils in einer bevorzugten Richtung polarisiert sind und somit an die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften angepasst werden können.
Allgemein wird bei einem mit Neodym dotierten Lasermaterial, wie beispielsweise Nd:YAG in erster Linie bei einer zentralen Wellenlänge von etwa 807 nm gepumpt, wie in 1 gezeigt. Dabei wird von einem Grundniveau N1 ausgehend in ein deutlich über dem oberen Laserniveau N3 liegendes Niveau N4 gepumpt. Eine andere Möglichkeit der optischen Anregung, die als direktes Pumpen bezeichnet wird, ist in 2 gezeigt. Bei dieser Art der Anregung wird unmittelbar in das obere Laserniveau N3 selbst gepumpt. Diese Technik des Pumpens ist beschrieben in R. Lavi et al: Efficient pumping scheme for neodymium-doped materials by direct excitation of the upper lasing level, Applied Optics 38 (1999) 7382.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum longitudinalen Pumpen von Lasern anzugeben, bei dem eine größere Pumpleistung erzielt wird und die Strahlung so geformt werden kann, dass ein wesentlicher Anteil der emittierten Diodenlaserstrahlung für das longitudinale Pumpen oder für eine Einkopplung in eine Lichtleitfaser verwendet werden kann. Weiterhin soll ein longitudinal gepumpter Festkörperlaser angegeben werden, der die oben genannten Anforderungen erfüllt.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum longitudinalen Pumpen von Lasern gemäß Patentanspruch 1 und durch den longitudinal gepumpten Festkörperlaser gemäß Patentanspruch 4. Weitere vorteilhafte Merkmale, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum longitudinalen Pumpen von Lasern wird eine von einem Diodenlaser emittierte Strahlung als Pumpstrahlung in ein laseraktives Medium longitudinal eingekoppelt, um einen Laserstrahl zu erzeugen oder zu verstärken, wobei die Pumpstrahlung mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen umfasst, um das laseraktive Medium, das ein mit Neodym dotiertes Medium umfasst, in mindestens zwei unterschiedlichen Laserniveaus gleichzeitig direkt und indirekt anzuregen. Die Wellenlängen der Pumpstrahlen weisen einen zur Kopplung durch einen dichroitischen Spiegel geeigneten Abstand auf und werden mittels eines dichroitischen Spiegels gekoppelt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Nachteile der Leistungsbeschränkung beim longitudinalen Pumpen erheblich reduziert werden. D. h., dass eine deutlich erhöhte Pumpleistung zur Verfügung steht, jedoch ohne die Nachteile und Probleme, wie sie beispielsweise bei der Stapelung von Hochleistungslaser-Barren entstehen.
Bevorzugt erfolgt das Pumpen in den Wellenlängenbereichen bei 807 nm und bei 880 nm gleichzeitig. Es ist aber auch möglich, andere Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche zum Pumpen zu verwenden, wobei jedoch immer mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen in der Pumpstrahlung enthalten sein müssen.
Der erfindungsgemäße longitudinal gepumpte Festkörperlaser umfasst eine Diodenlasereinrichtung zur Erzeugung einer Pumpstrahlung, ein laseraktives Medium, das optisch an die Diodenlasereinrichtung gekoppelt ist, um durch die Pumpstrah lung angeregt zu werden und einen Laserstrahl zu erzeugen oder zu verstärken, wobei die Pumpstrahlung mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen umfasst, um das laseraktive Medium, das ein mit Neodym dotiertes Medium umfasst, in mindestens zwei unterschiedlichen Laserniveaus gleichzeitig direkt und indirekt anzuregen, wobei die Diodenlasereinrichtung einen ersten Diodenlaser zur Erzeugung von Pumpstrahlung einer ersten Wellenlänge und einen zweiten Diodenlaser zur Erzeugung einer zweiten Wellenlänge umfasst, die durch einen dichroitischen Spiegel optisch gekoppelt sind, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge einen zur Kopplung durch den Spiegel geeigneten Längenunterschied aufweisen. Der erfindungsgemäße longitudinal gepumpte Festkörperlaser kann eine wesentlich erhöhte Ausgangsleistung erzeugen und auf kleinem Bauraum verwirklicht werden.
Bevorzugt umfasst der Festkörperlaser eine Lichtleitfaser zur Übertragung der Pumpstrahlung auf das laseraktive Medium.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben, wobei
1 die Anregung beim indirekten Pumpen gemäß dem Stand der Technik schematisch zeigt;
2 die Anregung beim direkten Pumpen gemäß dem Stand der Technik schematisch zeigt;
3 einen longitudinal gepumpten Festkörperlaser gemäß einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt; und
4 die Anregung des Lasermaterials bei dem erfindungsgemäßen Pumpverfahren anhand verschiedener Niveaus des Lasermaterials schematisch darstellt.
3 zeigt als besonders bevorzugtes Beispiel einen longitudinal gepumpten Festkörperlaser bzw. ein longitudinal gepumptes Festkörperlaser-System 10 mit einer aus zwei getrennten Diodenlasern 11 bzw. 12 bestehenden Diodenlasereinrichtung und mit einem laseraktiven Medium 13, das optisch an die Diodenlasereinrichtung 11, 12 gekoppelt ist. Die Diodenlasereinrichtung 11, 12 erzeugt eine Pumpstrahlung 14, die in Richtung der Lasermodenachse bzw. longitudinal in das laseraktive Medium 13 eingekoppelt wird, um dieses optisch anzuregen. Dabei umfasst die von der Diodenlasereinrichtung 11, 12 erzeugte Pumpstrahlung 14 zwei unterschiedliche Wellenlängen, die derart gewählt sind, dass das laseraktive Medium 13 in mindestens zwei unterschiedliche Laserniveaus angeregt wird.
Weiterhin ist ein dichroitischer Spiegel 15 vorgesehen, der den Pumpstrahl des ersten Diodenlasers 11 mit dem Pumpstrahl des zweiten Diodenlasers 12 koppelt, so dass aus den beiden zunächst getrennten Pumpstrahlen ein einziger Pumpstrahl als Pumpstrahlung 14 erzeugt wird, der das laseraktive Medium 13 anregt.
In dem hier gezeigten Beispiel erzeugt der erste Diodenlaser 11 eine Pumpstrahlung im Wellenlängenbereich von 807 nm, während der zweite Diodenlaser 12 eine Pumpstrahlung im Wellenlängenbereich bei 880 nm erzeugt. Die Differenz der Wellenlängen ist ausreichend, so dass die erforderliche optische Beschichtung des dichroitischen Spiegels 15 noch hinreichend wirksam ist und eine effiziente Wellenlängenkopplung gestattet.
Das laseraktive Medium 13 ist im hier gezeigten Beispiel ein mit Neodym dotiertes Lasermaterial wie beispielsweise Nd;YAG, Nd:YLF, Nd:YAP oder Nd:YVO, das durch die eingekoppelte Pumpstrahlung longitudinal in den zwei unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitigt gepumpt wird.
4 zeigt schematisch die verschiedenen Laserniveaus N1–N4 des laseraktiven Mediums 13. Durch die erste der beiden Wellenlängen, die im Pumpstrahl 14 enthalten sind, erfolgt eine Anregung A1 des laseraktiven Mediums 13 aus dem Niveau N1 in das Niveau N4, das deutlich über dem oberen Laserniveau N3 liegt. Es handelt sich dabei um eine indirekte Anregung, d. h., dass vor dem eigentlichen Laserübergang aus dem Niveau N3 in das Niveau N2 zunächst ein Übergang aus dem Niveau N4 in das Niveau N3 stattfindet. Die erste Wellenlänge, die in dem hier gezeigten Beispiel 807 nm beträgt und die Anregung A1 bewirkt, wird durch den ersten Diodenlaser 11 erzeugt (s. 3).
Gleichzeitig mit der Anregung A1 erfolgt eine Anregung A2, die durch die zweite Wellenlänge im Pumpstrahl 14 erzeugt wird. Diese zweite Wellenlänge beträgt im hier gezeigten Beispiel 880 nm und wird von dem zweiten Diodenlaser 12 (s. 3) erzeugt. Bei der zweiten Anregung A2 handelt es sich um direktes Pumpen, d. h., dass eine Anregung des laseraktiven Mediums 13 aus dem Niveau N1 unmittelbar in das obere Laserniveau N3 selbst erfolgt, von dem aus der eigentliche Laserübergang in das darunter liegende Niveau N2 stattfindet, das die Laserstrahlung erzeugt.
Durch die Anregung des laseraktiven Mediums 13 simultan mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen können auf sehr kleinem Bauraum sehr große Pumpleistungen erzeugt werden und somit schließlich extrem leistungsfähige Laser. Durch die Anordnung mit zwei Diodenlasern zur Erzeugung von zwei Wellenlängen, die über den dichroitischen Spiegel 15 gekoppelt werden, ergibt sich eine erhöhte Redundanz, da selbst bei einem totalen Ausfall eines Pumpdiodenlasers die Geometrie der Anregung unverändert bleibt. Dabei wird die Pumpstrahlung beispielsweise mittels einer Lichtleitfaser auf das laseraktive Medium 13 übertragen.

Claims

Verfahren zum longitudinalen Pumpen von Lasern, bei dem von wenigstens zwei Diodenlasern (11, 12) emittierte Pumpstrahlung (14) in ein laseraktives Medium (13) longitudinal eingekoppelt wird, um einen Laserstrahl zu erzeugen oder zu verstärken, wobei für die Pumpstrahlung (14) wenigstens zwei unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein dichroitischer Spiegel zur Kopplung der Pumpstrahlungen verwendet wird, wobei die Wellenlängen der Pumpstrahlung (14) einen zur Kopplung durch einen dichroitischen Spiegel geeigneten Abstand aufweisen und wobei das laseraktive Medium (13) in mindestens zwei unterschiedlichen Laserniveaus (N3, N4) gleichzeitig direkt und indirekt angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (13) ein mit Neodym dotiertes Lasermaterial umfasst, wobei in Wellenlängenbereichen bei 807 nm und 880 nm gepumpt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlung (14) mittels einer Lichtleitfaser übertragen wird.
Longitudinal gepumpter Festkörperlaser, mit einer Diodenlasereinrichtung (11, 12) zur Erzeugung einer Pumpstrahlung (14), einem laseraktiven Medium (13), das optisch an die Diodenlasereinrichtung (11, 12) gekoppelt ist, um durch die Pumpstrahlung (14) angeregt zu werden und einen Laserstrahl zu erzeugen oder zu verstärken, wobei die Pumpstrahlung (14) mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenlasereinrichtung (11, 12) einen ersten Diodenlaser (11) zur Erzeugung von Pumpstrahlung einer ersten Wellenlänge und einen zweiten Diodenlaser (12) zur Erzeugung von Pumpstrahlung einer zweiten Wellenlänge umfasst, die durch einen dichroitischen Spiegel (15) optisch gekoppelt sind, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge einen zur Kopplung durch den Spiegel geeigneten Längenunterschied aufweisen, um das laseraktive Medium (13) in mindestens zwei unterschiedlichen Laserniveaus (N3, N4) gleichzeitig direkt und indirekt anzuregen.
Longitudinal gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Medium (13) ein mit Neodym dotiertes Medium umfasst.
Longitudinal gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Lichtleitfaser zur Übertragung der Pumpstrahlung (14) auf das laseraktive Medium (13).