DE102007023298A1

DE102007023298A1 - Polarisationsverfahren für Diodenlaseranregung von Festkörperlasern

Info

Publication number: DE102007023298A1
Application number: DE102007023298A
Authority: DE
Inventors: Gary R. Cambridge Holtom
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2007-12-13
Also published as: US20070268951A1; US7457328B2

Abstract

Ein modenverriegelter Laser verwendet ein Schema gekoppelter Polarisationen für ein wirksames longitudinales Pumpen mittels neu geformter Laserdiodenstäben. Ein oder mehrere dielektrische Polarisatoren sind dazu ausgebildet, eine Pumpenwellenlänge mit einer ersten Polarisation zu reflektieren und eine Laserwellenlänge mit einer zweiten Polarisation zu reflektieren. Ein Yb-dotiertes Verstärkermedium kann verwendet werden, das Licht mit einer ersten Polarisation absorbiert und Licht mit einer zweiten Polarisation emittiert. Unter Verwendung eines solchen Pumpens mit einer Dispersionssteuerung der Laserkavität können Pulsdauern von weniger als 100 fs erreicht werden.

Description

GEBIET
Die Offenbarung betrifft diodengepumpte Laser.
ANERKENNUNG STAATLICHER UNTERSTÜTZUNG
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter Vertrag DE-AC0576RLO1830 gemacht, die von dem US-Energieministerium zuerkannt wurde. Der Staat hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
HINTERGRUND
Modenverriegelte (modengelockte (ML)) Laser haben aufgrund ihrer extrem kurzen Pulsdauern eine Vielfalt industrieller und wissenschaftlicher Anwendungen. Beispielsweise können ML-Laser typischerweise Pulse mit Dauern bis hinunter zu wenigen zehn Femtosekunden erzeugen. Derzeitige Lasersysteme, die diese kurzen Pulsbreiten (beispielsweise ML-Ti-Saphir-Laser) erzeugen können, sind jedoch häufig teuer, groß und können spezielle Installationen und feine Ausrichtvorgänge erforderlich machen.
Ein Ansatz, um die Größe und Kosten von ML-Lasern zu vermindern, besteht darin, mit Diodenlasern zu pumpen. Laserdioden sind relativ kostengüstig, und die erforderliche Treiberschaltung kann einfach und kompakt sein. Unglücklicherweise ist die von einer einzelnen Laserdiode erhältliche Pumpleistung begrenzt. Eine erhöhte Pumpleistung kann mit Laserdiodenstäben bereitgestellt werden. Solche Laserdiodenstäbe umfassen typischerweise 10-50 Laserdioden, die um etwa 100-200 um beabstandet sind. Laserdiodenstäbe emittieren aufgrund der großen Diodenbeabstandung unglücklicherweise aus einer großen Fläche, und ein wirksames Einkoppeln der Laserdiodenemission in einen Laserwirt ist schwierig. Manche Lasersysteme weisen darüber hinaus Pump- und Laserwellenlängen auf, die um weniger als 100 nm unterschiedlich sein können. Diese Lasersysteme können aufgrund des kleinen Quantenfehlers eine hohe Wirksamkeit aufweisen, jedoch ist es schwierig, die Pumpstrahlung und die Laseremission unabhängig voneinander zu steuern, da die Pump- und Laserwellenlängen spektral nahe beieinander liegen. Zumindest aus diesen Gründen besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren und Vorrichtungen zum Weitergeben von Pumpstrahlung an ein Verstärkermedium.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
Ein modenverriegelter Betrieb eines Yb:KGW-Lasers, der hier beschrieben wird, verwendet ein Schema gekoppelter Polarisationen für ein wirksames longitudinales Pumpen mittels eines Paars neu geformter Laserdiodenstäbe. Der Laser umfasst einen oder mehrere dielektrische Polarisatoren, die dazu ausgebildet sind, eine Laserwellenlänge mit einer Polarisation zu transmittieren und eine Pumpwellenlänge mit einer zweiten Polarisation zu reflektieren. Die hierin beschriebenen Lasersysteme haben Anwendungen in der Vielphotonen-Mikroskopie und Spektrometrie, und können auch in Verstärkern und in optischen parametrischen Oszillatoren (OPO) verwendet werden.
In einem hierin beschriebenen Beispiel wird Pumpstrahlung mit einem ersten (linearen) Polarisationszustand auf ein Verstärkermedium entlang einer Pumpachse gerichtet, und Laserstrahlung mit einem zweiten (linearen) Polarisationszustand wird entlang einer Laserachse gerichtet. Die Laserachse kann eine innere Achse einer Laserkavität oder eine Achse sein, entlang der Laserstrahlung ausgegeben wird. Die Pumpachse kann „gefaltet" sein, um entlang der Laserachse zu verlaufen, sobald die Pumpstrahlung in der Laserkavität empfangen wird. Außerhalb einer Laserkavität ist jedoch die Pumpachse im Wesentlichen frei von Laserstrahlung, insbesondere in Lasersystemen, in denen Kavitätsverluste bei der Laserwellenlänge wohl kontrolliert sind.
In einem speziellen Beispiel fällt Pumpstrahlung auf eine Oberfläche eines dielektrischen Polarisator in einer S-Polarisation ein, während Laserstrahlung als P-Polarisation einfällt, und der dielektrische Polarisator ist dazu ausgebildet, die S-Polarisation (Pumpstrahlung) zu reflektieren und die P-Polarisation (Laserstrahlung) zu transmittieren.
In weiteren Beispielen können unterschiedliche Polarisationszustände verwendet werden, so wie z.B. zirkulare oder elliptische. Typischerweise wird ein Polarisator dazu verwendet, Pumpstrahlung wirksam auf ein Verstärkermedium zu richten, ohne der Laserkavität nennenswerte Verluste zuzufügen. Solche Verluste sind typischerweise geringer als etwa 5%, 4%, 3%, 2%, 1% oder weniger. Pump- und Laserpolarisationen müssen nicht vollständig orthogonal sein, sollten jedoch derart sein, dass sich zumindest etwa 90%, 95%, oder 98% der gesamten Leistung in jeder in einem orthogonalen Polarisationszustand befindet, um ein wirksames Pumpen und/oder niedrige Kavitätsverluste zu erreichen.
Dielektrische Polarisatoren, die ein bezüglich beiden (Pump- und Laser-) Eingängen gekipptes Substrat aufweisen, können besonders tauglich sein, jedoch können ebenso Polarisationsstrahlteilerwürfel oder Kristallpolarisatoren verwendet werden. Für höchstes Leistungsverhalten sind Verstärkermedien mit starker Absorption in einem Polarisationszustand und starker Laseremission in einem orthogonalen Polarisationszustand bevorzugt. Pumpstrahlung wird vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich konzentriert, in dem sie im Wesentlichen von dem Verstärkungsmedium absorbiert wird.
In manchen Beispielen weisen Laser ein Verstärkermedium mit einer zugeordneten Laserwellenlänge und Pumpwellenlänge und eine Pumpstrahlungsquelle auf, die Strahlung im Wesentlichen mit der Pumpwellenlänge emittiert. Ein Polarisator ist dazu ausgebildet, Laserstrahlung mit der Laserwellenlänge und mit einem ersten Polarisationszustand von dem Verstärkermedium entlang einer ersten Achse und die Pumpstrahlung von der Pumpstrahlungsquelle mit einem zweiten Polarisationszustand in das Verstärkermedium entlang einer zweiten Achse zu koppeln. Die erste und die zweite Achse überlappen in dem Verstärkermedium. In manchen Beispielen ist die Pumpstrahlungsquelle eine Laserdiode, ein Laserdiodenarray oder ein Laserdiodenstab. In weiteren Beispielen ist das Verstärkermedium so angeordnet, dass es die Pumpstrahlung mit der Pumpwellenlänge in dem zweiten Polarisationszustand im Wesentlichen absorbiert und Laserstrahlung im Wesentlichen in dem ersten Polarisationszustand emittiert. In einem repräsentativen Beispiel ist das Verstärkermedium Yb:KGW. In manchen Beispielen umfasst der Polarisator eine dielektrische Beschichtung, die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung im Wesentlichen zu transmittieren und Pumpstrahlung zu reflektieren und ist so angeordnet, dass Laserstrahlung im Wesentlichen unter einem Brewster-Winkel einfällt. Die Laserstrahlung und die Pumpstrahlung sind bezüglich des Polarisators im Wesentlichen P-polarisiert bzw. S-polarisiert.
Verfahren zum Pumpen eines Verstärkermediums umfassen die Schritte: Bereitstellen von Pumpstrahlung an ein Verstärkermedium in einer ersten Polarisation, und Erzeugen von Laserstrahlung oder verstärkter Strahlung in einer zweiten Polarisation im Ansprechen auf die Pumpstrahlung. In einem Beispiel wird die Pumpstrahlung auf das Verstärkermedium und Laserstrahlung auf eine Laserkavität mittels eines Polarisators gerichtet, und die Pumpstrahlung wird von zumindest einer Laserdiode bereitgestellt. In repräsentativen Beispielen wird die Pumpstrahlung von dem Polarisator im Wesentlichen reflektiert und die Laserstrahlung im Wesentlichen transmittiert.
Optische Verstärker weisen ein Verstärkermedium mit einer zugeordneten Laserwellenlänge und Pumpwellenlänge und eine Pumpstrahlungsquelle auf, die Strahlung im Wesentlichen mit der Pumpwellenlänge emittiert. Ein Polarisator ist dazu ausgebildet, verstärkte Strahlung mit einer Laserwellenlänge von dem Verstärkermedium entlang einer ersten Achse und die Pumpstrahlung von der Pumpstrahlungsquelle mit einem zweiten Polarisationszustand in das Verstärkermedium entlang einer zweiten Achse zu koppeln, wobei die erste und die zweite Achse in dem Verstärkermedium überlappen. In repräsentativen Beispielen weist das Verstärkermedium einen ersten und zweiten Absorptionsquerschnitt für Pumpstrahlung mit dem ersten bzw. dem zweiten Polarisationszustand auf, wobei der zweite Absorptionsquerschnitt größer ist als der erste Absorptionsquerschnitt. In manchen Beispielen ist der Polarisator dazu ausgebildet, die Pumpstrahlung in das Verstärkermedium durch Reflexion zu koppeln.
Diese zusammenfassende Darstellung dient dazu, eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die hiernach in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese zusammenfassende Darstellung dient nicht dazu, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch dient sie dazu, als Hilfe bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstandes verwendet zu werden. Die vorhergehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der offenbarten Technologie gehen besser aus der folgen den detaillierten Beschreibung hervor, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Lasers, der ein Schema gekoppelter Polarisationen verwendet.
1B ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verstärkermediums und umgebender Elemente.
1C ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Laserkavitätpumpschemas unter Verwendung des in 1A gezeigten Lasersystems.
1D ist eine schematische Darstellung eines Laserkavitätpumpschemas nach dem Stand der Technik.
2 ist ein Schema eines Ausführungsbeispiels eins dielektrischen Polarisators.
3 ist ein repräsentatives Diagramm von Spotgrößen als Funktion der Linsenwirkung (Lensing) in einem Yb:KGW-Kristall und in einem sättigbaren-Absorber-Spiegel (SAM).
4A und 4B sind Spektren bzw. Autokorrelationskurven für Kavitätsdispersionen, die in Tabelle 1 gelistet sind.
5 ist ein Blockschema eines Beispiels eines Detektionssystems.
6 ist ein Blockschema eines Beispiels eines optisch-parametrischen-Oszillator-(OPO)-Systems.
7 ist ein Blockschema eines Beispiels eines regenerativen Verstärkersystems.
8–9 sind Schemata, die ein polarisationsbasiertes Diodenlaserpumpen eines Laserverstärkermediums veranschaulichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Einzahlformen „ein" und „der, die, das", wie sie in dieser Anmeldung und in den Ansprüchen verwendet werden, schließen die Mehrzahlformen ein, außer der Zusammenhang bestimmt eindeutig etwas anderes.
Darüber hinaus bedeutet der Begriff „umfasst" „weist auf". Des weiteren bedeutet der Begriff „gekoppelt" elektrisch, elektromagnetisch oder optisch gekoppelt oder verknüpft, und er schließt nicht das Vorhandensein von dazwischenliegenden Elementen zwischen den gekoppelten Teilen aus.
Die beschriebenen Systeme, Vorrichtungen und hierin beschriebenen Verfahren sollten nicht in irgendeiner Weise als beschränkend aufgefasst werden. Im Gegenteil ist die vorliegende Offenbarung auf alle neuen und nicht naheliegenden Merkmale und Aspekte der verschiedenen offenbarten Ausführungsbeispiele in Alleinstellung und in verschiedenen Kombinationen und Unterkombinationen miteinander gerichtet. Die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen sind nicht auf irgendeinen speziellen Aspekt oder ein spezielles Merkmal oder Kombinationen davon beschränkt, noch erfordern es die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen, dass irgendein oder mehrere spezielle Vorteile vorhanden sein oder Probleme gelöst werden müssen.
Obwohl die Betriebsweisen mancher der offenbarten Verfahren in einer für eine geeignete Darstellung besonderen, sequentiellen Reihenfolge beschrieben werden, versteht es sich, dass diese Art der Beschreibung eine Umanordnung umfasst, es sei denn, eine besondere Reihenfolge ist durch eine spezielle unten angegebene Ausdrucksweise gefordert. Beispielsweise können sequentiell beschriebene Operationen in manchen Fällen umgeordnet oder gleichzeitig durchgeführt werden. Darüber hinaus kann es sein, dass die beigefügten Figuren aus Gründen der Einfachheit nicht die verschiedenen Arten und Weisen zeigen, in denen die offenbarten Systeme, Verfahren und Vorrichtungen in Verbindung mit anderen Systemen, Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden können. Die Beschreibung verwendet darüber hinaus manchmal Begriffe wie „Erzeugen" und „Bereitstellen", um die offenbarten Verfahren zu beschreiben. Diese Begriffe sind hochgradige Abstraktionen der tatsächlichen Operationen, die durchgeführt werden. Die tatsächlichen Operationen, die diesen Begriffen entsprechen, variieren in Abhängigkeit von der besonderen Implementierung und sind von einem Durchschnittsfachmann vollständig erkennbar.
Zur Bequemlichkeit sind repräsentative Beispiele bezüglich eines besonderen Laserwirts beschrieben, jedoch können verschiedene Laserwirte ebenso verwendet werden, ohne den Rahmen der Offenbarung zu verlassen. Darüber hinaus sind manche beispielhafte Lasersysteme modenverriegelte Lasersysteme, jedoch umfassen weitere Beispiele kontinuierliche-Welle-(CW), Q-geschaltete, kavitätsextrahierte oder andere Laserkonfigurationen. Zur Bequemlichkeit beziehen sich sowohl Pump- und Laser (oder verstärkte) – Strahlung auf solche bei bestimmten Wellenlängen, und ein Verstärkermedium bezieht sich auf ein solches, das Pump- und Verstärkerwellenlängen aufweist. Allgemein sind diese Wellenlängen mit einem Bereich von Wellenlängen verbunden, in dem Pumpstrahlung absorbiert werden kann und in dem Laserstrahlung erzeugt werden kann. So wie hierin Pump- und Laserwellenlängen verwendet werden, beziehen sie sich auf solche Wellenlängenbereiche sowie auf bestimmte ausgewählte Wellenlängen.
Yb-Laser
Yb-dotierte Verstärkermedien können in Festkörperlasersystemen verwendet werden, die kurze Pulse erzeugen. Solche Verwendungen sind zum Teil aufgrund der großen spektralen Linienbreite von Yb in kristallinen Wirten im Vergleich zu anderen Lasersorten wie Nd möglich. Da Yb ein Quasi-Drei-Niveau-System ist, kann ein Pumpen mit höherer Intensität erforderlich sein als für Nd-Laser, jedoch sind thermische Effekte in Yb-Lasern infolge eines kleineren Quantenfehlers reduziert. Eine Anzahl von kristallinen Wirten für Yb sind bekannt. Wolframsalzwirte weisen große optische Querschnitte auf, was eine wünschenswerte Eigenschaft für ein wirksames Diodenpumpen ist. Ausgabeleistungen im modenverriegelten Betrieb unter Verwendung eines einelementigen Verstärkermediums sind typischerweise nicht größer als etwa 1 W, wenn ein Paar Laserdioden mit einzelnem Emissionsbereich verwendet wird, die jeweils wenige Watt Pumplicht erzeugen. Höhere Leistungen sowohl im kontinuierlichen und ML-Betrieb wurden unter Verwendung von Dünnschicht- und Fasertechnologien berichtet, jedoch sind diese Systeme allgemein komplexer als direkt gepumpte Diodenquellen mit niedriger Leistung. Die unten beschriebene Technologie kann Laser mit Leistungen hervorbringen, die mit denjenigen eines ML-Ti-Saphir-Lasers vergleichbar sind.
Relativ hohe Pumpleistungen sind von Laserdiodenstäben erhältlich, wobei eine Herausforderung darin bestehen kann, die Emitter (beispielsweise 19 oder mehr auf einem einzelnen 1-cm-Stab) in einen einzelnen fokussierbaren Spot zu koppeln. In solchen Fällen kann das Wärmemanagement bedeutsam werden. Dies kann sogar für das Verstärkermedium Yb:KGW gelten, das eine hohe Quantenausbeute für Fluoreszenz und einen geringen Quantenfehler von etwa 6% zwischen der 981-nm-Pump- und der 1040-nm-Laserwellenlänge aufweist. Die in dem monoklinen Wolframsalzkristall niedriger Symmetrie inhärente optische Anisotropie kann ein wirksames Pumpschema unter Verwendung von Polarisatoren ermöglichen, um das relativ divergente Pumplicht in eine Kavität zu koppeln, wodurch ein kompaktes, kostengünstiges und praktisches Laserdesign bereitgestellt wird.
Ein zusätzlicher Vorteil des Yb-Lasers besteht darin, dass es relativ leicht ist, die Pulsbreite durch Ändern der Laserkavitätsdispersion zu verändern, da Yb in einem relativ kleinen Frequenzbereich arbeitet. Beispiele hierzu werden unten detaillierter beschrieben.
Repräsentative modenverriegelte Yb-Lasersysteme
1A zeigt eine schematische Darstellung (nicht notwendigerweise maßstabsgetreu) einer Kavität- und einer Pumpanordnung für ein Lasersystem 100. Das Lasersystem 100 weist eine oder mehrere Pumpquellen wie geformte Diodenstabanordnungen 110, 120 auf. Licht von den Anordnungen 110, 120 kann durch Linsen 130 bzw. 140 und durch Kollimieroptiken (nicht dargestellt) auf ein Verstärkermedium 170 fokussiert werden. Das Verstärkermedium 170 befindet sich zwischen dielektrischen Polarisatoren (DPs) 150, 160 und kann hinsichtlich seiner Polarisiereigenschaften ausgewählt werden.
Beispielsweise kann das Verstärkermedium 170 so ausgewählt werden, dass Pumplicht von dem Verstärkermedium 170 in einem ersten Polarisationszustand absorbiert und Laserlicht in einem zweiten Polarisationszustand emittiert wird. Der Absorptionsquerschnitt kann Funktion eines Polarisationszustands wie linearer, elliptischer oder zirkularer Polarisation sein. In Yb können Pumplicht und Laseremission in im Wesentlichen orthogonalen linearen Polarisationen ausgelegt sein. In weiteren Beispielen können auch nicht polarisierende Verstärkermedien ebenso verwendet werden, bei denen die Absorptions- und Emissionspolarisationszustände allgemein nicht Funktionen der Verstärkermedien sondern des optischen Systems sind, das verwendet wird, um eine resonante Kavität zu definieren. Der Polarisationszustand für Laserstrahlung in isotropen und anisotropen Verstärkermedien kann auf der Basis von Unterschieden in Kavitätsverlusten für unterschiedliche Polarisationszustände ausgewählt werden. Das Verstärkermedium 170 kann einem Kühlsystem wie Kühlplatten 171, 172 benachbart sein, um die Temperatur des Verstärkermedi ums, thermische Fokussierung und Temperatur-(oder Spannungs-)induzierte Doppelbrechung zu kontrollieren.
In manchen Ausführungsbeispielen können die Kollimieroptiken in die Diodenstabanordnungen 110, 120 integriert sein, oder sie können in separaten Paketen bereitgestellt werden. Die Kollimieroptiken formen die Pumpstrahlen von den Laserdioden zur Weitergabe an das Verstärkermedium um. Typischerweise werden die Diodenlaserpumpstrahlen kombiniert und konfiguriert, um eine ausgewählte räumliche Laseremissionsmode zu überlappen. Einzelne Dioden können anstelle der Diodenstabanordnungen 110, 120 verwendet werden, jedoch können solche einzelnen Emitter im Allgemeinen nicht soviel Leistung wie Laserdiodenstabanordnungen bereitstellen. Beispielsweise kann eine Einzel-Emitter-Diode etwa 6 W Pumpleistung erzeugen, während eine Stabanordnung Leistungen von 20-30 W oder mehr erzeugen kann. In einem typischen Beispiel ist der Ausgangsstrahl von den Diodenanordnungen 110, 120 vertikal polarisiert, und die Diodenanordnungen 110, 120 sind wassergekühlt. Vorzugsweise sind die Diodenanordnungen 110, 120 klein genug, so dass sie direkt oder beinahe direkt an das Verstärkermedium 170 koppeln und zusätzliche Relayoptiken nicht erforderlich sind.
Das Lasersystem 100 weist weiterhin Reflektoren 180, 182 (auch als „Faltspiegel" bekannt) und einen Ausgangskoppler (OC) 186 auf. Die Reflektoren 180, 182 weisen Krümmungsradien von etwa 500 mm und Beschichtungen mit negativer Dispersion auf. Um die negative Dispersion zu kontrollieren, kann das Lasersystem 100 auch einen sättigbaren-Absorber-Spiegel (SAM) 190 aufweisen, der dazu ausgebildet ist, Licht zu empfangen, das durch ein mehrfach reflektierendes Gires-Tournois-Interferometer (GTI) 192 hindurchgetreten ist. Die negative Dispersion kann auch durch die Reflektoren 180, 182 kontrolliert werden. Licht kann von dem GTI 192 zu dem SAM 190 durch einen Faltspiegel 194 gerichtet werden. Der Faltspiegel 194 weist einen Krümmungsradius von etwa 800 mm auf. Das SAM 190 und der Faltspiegel 194 sind um einen Abstand d getrennt, der zur Verbesserung der Laserleistung und -stabilität eingestellt werden kann. Eine Auswahl besonderer Kombinationen des OC 186 und des SAM 190 können eine Solitonmodenverriegelung ermöglichen. Die Kavität in 1A kann eine unabhängige Steuerung der Laserstrahlspotgrößen in dem Verstärkermedium 170 und in dem SAM 190 für einen stabilen ML-Betrieb bereitstellen. Vorzugsweise sind die Faltwinkel in der Kavität klein (beispielsweise kleiner als etwa 3 Grad), so dass der Kavitätastigmatismus klein ist. Die Laserwellenlänge kann durch Ändern der Kavitätsdispersion abgestimmt werden.
Dielektrische Polarisatoren
Manche Yb:KGW und Yb:KYW-Lasermedien zeigen große optische Absorptions- und Emissionsquerschnitte für Strahlung auf, die parallel zu einer Kristall-a-Achse verläuft. Eine Kristall-b-Achse weist einen kleineren Absorptionsquerschnitt als die a-Achse auf, jedoch ist der Emissionsquerschnitt der b-Achse nahezu so groß wie das Maximum der a-Achse. Transmissionsverluste für Laserstrahlung, die entlang der b-Achse polarisiert ist, sind ebenso allgemein geringer als diejenigen für Laserstrahlung, die entlang der a-Achse polarisiert ist. Diese Eigenschaften können in der Auswahl und Anordnung dielektrischer Polarisatoren (wie die dielektrischen Polarisatoren 150, 160) verwendet werden, wie detaillierter in 2 gezeigt ist.
Wie aus 2 hervorgeht (die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ist) weist der dielektrische Polarisator 200 ein Substrat 210 auf. Der Polarisator 200 ist dazu ausgebildet, um einen Einfallswinkel θ bezüglich eines Laserstrahls 205 gekippt zu werden, der von dem Verstärkermedium 170 (in 2 nicht gezeigt) emittiert wird. Eine Beschichtung 220 ist auf eine erste Oberfläche 212 des Substrats 210 aufgebracht, die den Laserstrahl empfängt (und die so angeordnet ist, dass sie einem Verstärkermedium so wie das Verstärkermedium 170 in 1A zugewandt ist). Die Beschichtung 220 ist so ausgebildet, dass sie ein Reflexionsvermögen und ein Transmissionsvermögen aufweist, die Funktionen des Polarisationszustands sind, so dass der dielektrische Polarisator 220 ein polarisationssensitiver dichroitischer Spiegel ist.
Die Beschichtung 220 ist typischerweise so ausgewählt, dass sie eine hohe Reflektivität für S-polarisierte Strahlung bereitstellt, die unter dem Winkel θ einfällt, und sie ist im Allgemeinen auf der Basis des Einfallswinkels θ und einem Brechungsindex des Substrats 210 ausgebildet. Die Beschichtung 220 umfasst typischerweise eine Mehrzahl dielektrischer Schichten, wobei die dielektrischen Schichten Brechungsindices zwischen etwa 1,04 und 2,30 aufweisen. Das Substrat 210 kann beispielsweise aus optischen Gläsern wie BK-7 oder anderen Gläsern, Quarz oder anderen optischen Materialien gefertigt sein, die gegenüber Strahlung entweder bei der Pumpwellenlänge oder der Laserwellenlänge (oder beiden) im Wesentlichen transparent sind. Der Aufbau (d.h. Anzahl, Dicke und Brechungsindex) der Lagen der Beschichtung 220 kann auf der Basis des Brechungsindex des Substrats 210 eingestellt werden.
Eine zusätzliche Beschichtung 230 kann auf das Substrat 210 auf einer zweiten Oberfläche 214 aufgebracht sein, die typischerweise so angeordnet ist, dass sie von dem Verstärkermedium 170 abgewandt ist. Die Beschichtung 230 ist im Allgemeinen als Antireflexbeschichtung für die Laserstrahlung ausgebildet. In manchen Beispielen ist der dielektrische Polarisator 200 so angeordnet, dass der Laserstrahl unter einem Winkel θ einfällt, der einem Brewster-Winkel entspricht, so dass ein P-polarisierter Laserstrahl von dem dielektrischen Polarisator 200 ohne wesentliche Reflexion transmittiert wird. In jedem Fall reflektiert der Polarisator 200 allgemein Licht einer ersten Polarisation und Wellenlänge, während er Licht einer zweiten Polarisation und Wellenlänge allgemein transmittiert. Beispielsweise reflektiert der Polarisator 200 in einem Ausführungsbeispiel S-polarisierte Strahlung (typischerweise Pumpstrahlung) mit einer Wellenlänge von etwa 981 nm und transmittiert P-polarisierte Laserstrahlung (typischerweise Laserstrahlung) mit einer Wellenlänge von etwa 1040 nm. Alternativ kann die dielektrische Beschichtung 220 so ausgebildet sein, dass sie Pumpstrahlung im Wesentlichen transmittiert und Laserstrahlung im Wesentlichen reflektiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Polarisationen der Pump- und Laserstrahlung noch im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Implementierungsbeispiel
In einer Implementierung des Lasersystems 100 sind die Diodenstabanordnungen 110, 120 nicht identisch, sondern stellen 15 W bzw. 20 W in einem Fernfeld-Einzelspot bei einem Treiberstrom von 35 A bereit. Eine solche Diodenanordnung ist eine Diodenanordnung Model S14-981-1, die von Apollo Instruments, Inc., Irvine, Kalifornien erhältlich ist. In dieser besonderen Diodenanordnung sind 20 Laserdioden horizontal Ende-zu-Ende angeordnet, wobei eine Anordnung mit vertikal gesteckten Dioden jedoch ebenso verwendet werden kann. Kollimieroptiken können vergrößerte Bilder einzelner Emitter (die vergrößerten Bilder können beispielsweise etwa 0,5 auf 10 mm sein) in einen Ausgangsstrahl von etwa 10 mm auf 10 mm mit einer Nenn-Strahldivergenz von 3 mrad in jeder Richtung fokussieren. Die Linsen 130, 140 sind achromatisch und weisen eine Brennweite von 75 mm auf.
1B zeigt das Verstärkermedium 170 und einige mögliche umgebende Teile in detaillierterer Form. Das Verstärkermedium 170 ist ein Yb:KGW-Kristall, der beispielsweise ein 10 mm²-Stab sein kann, der für ein longitudinales Pumpen bei nahezu normalem Einfall angeordnet ist. Antireflexbeschichtungen 174, 175 können vorgesehen sein. Der Kristall ist etwa 1,4 mm dick und weist eine Yb-Dotierung von 1,5% auf. Solch ein Kristall kann von NovaPhase, Inc., Newton, New Jersey erhalten werden. Andere Kristalle können verwendet werden. Den 10-mm²-Seiten des Verstärkermediums 170 sind wassergekühlte Platten 171, 172 benachbart, die an das Verstärkermedium 170 mit Indium-Folienschichten 176, 178 gekoppelt sind. Licht, das in das Verstärkermedium 170 eintritt, breitet sich daher entlang einer Achse 179 durch den Kristall hindurch aus. Wie in dem Beispiel in 1A gezeigt ist, ist der Yb:KGW-Kristall so angeordnet, dass eine Kristall-a-Achse vertikal und eine Kristall-b-Achse horizontal verläuft. Mit Bezug weiterhin auf 1A–1B breiten sich sowohl der Pump- als auch der Laserstrahl entlang der Achse 178 aus, wodurch ein relativ langer Absorptions-/Verstärkerpfad in dem Verstärkermedium 170 bereitgestellt wird. Dieser lange Pfad und die relativ geringe Yb-Dotierung können Temperaturanstiege an den Kanten des Yb:KGW-Kristalls reduzieren, jedoch ist ein solcher langer Pfad typischerweise mit dem Abgleich der Divergenz des Diodenpumpstrahls über den langen Bereich des Laser-/Pumpstrahl-Überlapps verbunden. Für diesen besonderen Yb:KGW-Kristall beträgt die gemessene mittlere Pumpstrahlabsorption etwa 93% (mehr als 98% bei der Absorptions-Mittelwellenlänge).
1C–1C vergleichen einige mögliche Konfigurationen für Laserkavitäten, die mit konvergenten Diodenstrahlen gepumpt werden. Graue Bereiche in diesen Figuren stellen Pfade der Diodenpumpstrahlen dar. 1C zeigt eine Laserkavität, die derjenigen des Lasersystems 100 in 1A ähnlich ist, wobei Pumpstrahlen 131, 132 unter einem Winkel relativ zu einem Laserstrahl 133 in die Kavität eintreten. 1D zeigt eine eher herkömmliche Konfiguration einer Laserkavität, wobei die Pumpstrahlen 131, 132 näherungsweise parallel zum Laserstrahl 133, gegebenenfalls über Spiegel 180, 182 in die Kavität eintreten.
Wieder zurück zu 1A kann das Lasersystem 100 so ausgebildet sein, dass ein Pumpstrahl mit einer großen numerischen Apertur in das Verstärkermedium 170 eingekoppelt wird. In einem Ausführungsbeispiel weist der Laserstrahl an Reflektoren 180, 182 einen Durchmesser von etwa 6-8 cm auf. Wie oben erwähnt können in weiteren Beispielen die Diodenstabanordnungen 110, 120 so angeordnet sein, dass Pumpstrahlung durch die Reflektoren 180, 182 auf das Verstärkermedium 170 gerichtet werden. Das System 100 kann so ausgebildet sein, dass es zumindest teilweise aufgrund der Polarisatoren 150, 160 relativ kompakt ist. Diese Polarisatoren haben vorzugsweise eine geringe Wirkung auf die Eigenschaften der Laserkavität als Ganzes.
In einem besonderen Beispiel weist ein erster Satz an dielektrischen Polarisatoren 150, 160, die eine erste Art von Beschichtung aufweisen, eine Reflektivität von mehr als 98% für P-polarisierte Strahlung bei der Pumpwellenlänge und 99,8% Transmission für S-polarisierte Strahlung bei der Laserwellenlänge auf, wenn sie etwa unter einem Brewster-Winkel angeordnet sind. Um eine optische Beschädigung zu vermeiden, können die dielektrischen Polarisatoren 150, 160 mehrere Zentimeter von dem Verstärkermedium 170 beabstandet oder auf andere Weise von dem Verstärkermedium 170 verschoben sein. Ebenso kann der Ausgangskoppler 186 verändert werden, so dass er eine geringere oder höhere Reflektivität aufweist. In einem weiteren Beispiel wies ein zweiter Satz von dielektrischen Polarisatoren, die eine zweite Art von Beschichtung aufweisen, eine Reflektivität von 98% und eine Transmission von 99,3% bei der Pump- bzw. Laserwellenlänge auf. Diese zweite Beschichtung war jedoch gegenüber optischer Beschädigung beständiger und war in der Lage, über Hunderte von Stunden ohne jegliche zusätzliche Verschiebungen von dem Verstärkermedium 170 betrieben zu werden.
Einige Kavitätabstände für dieses besondere Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 1 gezeigt.
Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass andere Abstände verwendet werden können, und dass andere Kavitätkonfigurationen möglich sind. Die dielektrischen Polarisatoren 150, 160 werden nahe genug zu dem Verstärkermedium 170 angeordnet, um einen Brennpunktspot zu ermöglichen, der von ausreichender Größe ist, um ein wirksames Pumpen des Quasi-Drei-Niveau-Yb:KGW-Lasers zu ermöglichen. Einige beispielhafte Spotgrößen werden unten beschrieben.
Tabelle 1. Repräsentative Laserkavität-Abmessungen
Um einen hoch qualitativen, beugungsbegrenzten Laserstrahl zu erhalten, kann eine sorgfältige Ausrichtung der Pumplaserdioden erforderlich sein, und ist mit einem Laserradius zwischen 100 und 180 μm an dem Verstärkermedium 170 erhaltbar. Strahlung in dem langen Arm ist in diesem Ausführungsbeispiel wohl kollimiert und für das Einsetzen eines GTI-Spiegelpaars geeignet. Der OC 186 weist eine Reflek tivität von 85% auf. Die Ausgangsleistung im Betrieb mit kontinuierlicher Welle (CW) (gemessen mit einem Spiegel hoher Reflektivität anstelle des SAM) beträgt 7,6 W und hängt vom Abstand von dem Faltspiegel 194 ab. Der Umlauf-Kavitätsverlust von den dielektrischen Polarisatoren 150, 160 beträgt etwa 2,8% mit etwa 1% zusätzlichem Verlust von den Antireflexbeschichtungen auf dem Verstärkermedium 170 und von Spiegelverlusten. Während diese Kavität größere Verluste als manche andere Yb-diodengepumpten Laserkonfigurationen aufweist, sind die Verstärkungs- und Ausgangsleistungsniveaus ebenfalls größer. Ein Betrieb mit einem Ausgangskoppler hoher Transmission hat den Vorteil, dass ein SAM mit wesentlichem Verlust wirksam dazu verwendet werden kann, einen stabilen Einzelpuls-modenverriegelten Betrieb zu erzwingen, während ein Aufheizen in dem SAM minimiert wird.
Bei diodengepumpten Festkörperlasern können Kavitätausrichtung und Stabilität von thermischer Linsenwirkung (Lensing) abhängen. Thermische Linsenwirkungs-Effekte in einem stark gepumpten Yb:KBW-Kristall können so groß wie 10 Dioptrien („Dioptrien" oder m^–1, abgekürzt „D") bei 7 W absorbiertem Pumplicht sein. 3 zeigt Kurven eines Satzes von Messungen für Laserstrahlspotradien in einem Yb:KGW-Kristall-Verstärkermedium und einem SAM als Funktion von thermischer Linsenwirkung in Dioptrien. Lasern im Kontinuierliche-Welle-Betrieb (CW) tritt bei einer thermischen Linsenwirkung von 3 D, und ML-Betrieb tritt bei größerer thermischer Linsenwirkung auf. Alle Spotgrößen sind unter Verwendung der abgeleiteten Linsenwirkung von 3 D berechnet. Die thermische Linsenwirkung unter Laserbedingungen wurde durch systematisches Untersuchen der Stabilitätsgrenzen einer symmetrischen 4-Spiegel-Kavität bestimmt.
Die Kurven in 3 wurden unter Verwendung zweier unterschiedlicher Werte für d erhalten.
Messungen, die durch Yb:KGW 1 und SAM 1 repräsentiert sind, wurden mit d = 577mm erhalten, einem Abstand, der dazu ausgewählt wurde, lange Pulse bereitzustellen. Messungen, die durch Yb:KGW 2 und SAM 2 repräsentiert sind, wurden mit d = 572 mm erhalten, einem Abstand, der dazu ausgewählt ist, stabile kurze Pulse bereitzustellen. Wenn das System 100 von einem kontinuierlichen zum ML-Betrieb übergeht, bewegt sich der Betriebspunkt des Systems 100 in Richtung eines Pfeils 310 (d.h. der Laser ist gezwungen, mit einer zusätzlichen Linsenkraft zu arbeiten, die durch die Kombination nicht-linearer Effekte in dem Verstärkermedium und der thermischen Linsenwirkung aufgrund des Diodenpumplichts bereitgestellt wird).
Ein stabiler ML-Betrieb kann in dem Implementierungsbeispiel wie folgt erzeugt werden. Der Diodenfokus und -überlapp wird bei CW-Lasern unter Verwendung eines Strahlradius in dem Verstärkermedium 170 von etwa 100 μm und einem OC 186 mit einer Reflektivität von 85% optimiert. Die CW-Leistung beträgt etwa 9 W und ist nahezu konstant für Spotgrößen von weniger als etwa 100 μm Radius bis etwa 125 μm Radius. Die Spiegelkavität wird so eingestellt, dass eine Spotgröße von 156 μm mit einer Abnahme in der Spotgröße aufgrund zusätzlicher Linsenwirkung erzeugt wird, die durch nicht-lineare Effekte (durch Pfeil 310 in 3 angedeutet) induziert wird. Das SAM 190 (erhältlich von BATOP Optoelectronics GmbH) weist eine Reflektivität von 0,7-1,7% auf. Ein SAM mit höherem Absorptionsvermögen kann eine selbststartende Modenverriegelung über einen größeren Bereich von Kavitätkonfigurationen ermöglichen als ein SAM mit einem geringeren Absorptionsvermögen. Für einen SAM mit einem geringeren Absorptionsvermögen kann eine Lichtspitze erforderlich sein, um das Modenverriegeln zu initiieren. In der Praxis ist es günstig, den SAM 190 auf einem Translationstisch (in 1A nicht dargestellt) anzuordnen, um d leicht einzustellen und einen stabilen Betriebspunkt zu lokalisieren. Ein Betrieb mit kürzeren Pulsen erfordert es, den Abstand d zu vermindern, was in dem zweiten Betriebspunkt resultiert, der in 3 angedeutet ist (dargestellt durch Kurvenlinien für Yb:KGW 2 und SAM 2). Unter idealen Bedingungen können sich Linsenkräfte ergeben, die größer sind als diejenigen, die in 3 gezeigt sind.
In diesem besonderen Ausführungsbeispiel weisen die Reflektoren 180, 182 eine kombinierte Dispersion von –1300 fs² auf, die ausreichend ist, die positive Materialdispersion des Verstärkermediums 170 zu versetzen. Zusätzliche Dispersion wird durch ein Paar flacher Spiegel in dem GTI 192 bereitgestellt, wobei jede Reflexi on etwa –1000 fs² bereitstellt. Die 12,7 mm-Durchmesser-Spiegel können zwischen 1 und 4 Spots pro Spiegel aufnehmen.
Tabelle 2 zeigt Sätze von Messungen, die an dem oben beschriebenen Beispiel der Implementierung des Systems 100 vorgenommen wurden. In dieser Tabelle ist D die geschätzte Nutz-Umlauf-Kavitätsdispersion, SW ist die spektrale Halbbreite, T ist die gemessene Pulsbreite (unter Annahme eines sech²-Dekonvolutionsfaktors), und P ist die Ausgangsleistung. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, variieren die spektrale Pulsbreite und die gemessene Pulsbreite linear mit der totalen negativen Dispersion wie von der Solitonmodentheorie erwartet wird. Die Spektren und Autokorrelationsformen sind in 4A und 4B für jeden Satz von Messungen in Tabelle 2 geplottet. Die Kurven sind relativ glatt, und die Pulse weisen eine stabile Amplitude auf, wie mit einer schnellen Diode und einem Oszilloskop beobachtet wird. Die kürzesten Pulse sind unter der Annahme einer Pulsform eines Hyperbel-Sekans etwa 1,4 mal der transformationsbegrenzten Breite, jedoch sind die längeren Pulse innerhalb der Messgenauigkeit ebenfalls transformationsbegrenzt. Ein SAM mit einem Absorptionsvermögen von 1,5% wurde für die in 4A und 4B und in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse verwendet.
Tabelle 2. Messungen, vorgenommen an einem Implementierungsbeispiel.
Wie aus den Ergebnissen in Tabelle 2 hervorgeht, kann das Lasersystem 100 etwa 6 W bei 1040 nm mit einer Pulsbreite von 236 fs bereitstellen. Durch Änderungen in der Kavitätsdispersion kann die Pulsbreite auf weniger als 100 fs eingestellt werden.
In einem weiteren Beispiel erzeugte eine Netto-Gruppenverzögerungsdispersion von etwa –18200 fs² eine gemessene Pulsbreite von etwa 350 fs FWHM oder eine Breite von 225 fs unter der Annahme einer Pulsform eines Hyperbelsekans. Die Ausgangsleistung war etwa 6,3 W.
Die Rolle des nicht-linearen Brechungsindexes (Kerr-Linsen-Modenverriegelung, oder KLM) in der Stabilisierung von ML-Pulsbildung ist wohl bekannt. Die Rolle des SAM 190 in diesem Laser kann darin bestehen, einen Puls hoher Leistung zu initiieren. Wenn der SAM 190 durch einen Spiegel hoher Reflektivität ersetzt wird, wird eine intensive Modulation während der Spiegeltranslation oder durch Entnehmen eines Spiegels festgestellt, und in manchen Fällen werden Explosionen von ML-Pulsen beobachtet. Die spektralen und Autokorrelationsprofile dieses Lasers bei den Pulsbreiten, die in Tabelle 2 gezeigt sind, sind ähnlich zu denjenigen von berichteten „reinen" KLM-Lasern. KGW-Kristalle haben im Allgemeinen einen hohen Brechungsindex (etwa 2,0 für Strahlung, die parallel zur b-Achse polarisiert ist), und ein großes n₂ wurde neulich berichtet.
In dem Implementierungsbeispiel wurde keine Beschädigung des SAM 190 festgestellt, solange die Laserspotgröße größer als etwa 100 μm mit dem OC 186 einer Reflektivität von 85% ist. Ausgangskoppler mit höherer Reflektivität und größeren Modendurchmessern in dem Yb:KGW-Kristall resultieren allgemein in einer optischen Beschädigung des SAM, außer wenn die Laserspotgröße bei dem SAM 190 erhöht wird. In einem Fall betrug die Pulsenergie bei einer Wiederholungsrate von 36 MHz und einer Leistung von 5,9 W 164 nJ bei einer Pulsbreite von 236 fs. Mit Kollimationspaketen mit Dioden hoher Leistung und mit verbesserten Polarisatoren kann die Lasereffizienz und Ausgangsleistung erhöht werden.
Anwendungsbeispiele
Der Ausgang des Lasersystems 100 kann zum Pumpen einer Anzahl optischer Systeme geeignet sein. Nachgewiesene Laserleistungen für das Lasersystem 100 sind mit herkömmlichen Ti:Saphir-ultraschnellen Lasern wettbewerbsfähig. Darüber hinaus sind die hierein beschriebenen Yb:KGW-Laser relativ einfach und kostengünstig, da ein hochqualitativer, im Sichtbaren arbeitender Pumplaser nicht erforderlich ist. Durch Skalieren der Laserspotgrößen können kostengünstige Einzelemitter-Dioden-Pumplaser Ausgangsleistungen von mehreren Watt bereitstellen, so dass solche Yb:KGW-Laser sehr gut für optische Systeme für Multiphotonenmikroskopie und nicht lineare Spektroskopie geeignet sind.
5 ist ein Blockschema eines nicht-linearen Spektroskopiesystems 500. Das System 500 weist einen Pumplaser 510 und einen Sondenlaser 515 auf, der ähnlich zu dem Lasersystem 100 in 1A sein kann. Der Pumplaser 510 und der Sondenlaser 515 sind dazu ausgebildet, jeweilige Strahlen auf eine Probe 530 zu richten. Der Detektor 520 kann dazu ausgestaltet sein, Ergebnisse zu kommunizieren oder von einem Computer 540 Konfigurationsdaten zu empfangen, die konfiguriert werden können, um Messungen zu bearbeiten und den Pumplaser 510 und den Sondenlaser 515 zu steuern.
Der Laser des Systems 100 kann in Verbindung mit anderen Elementen auch dazu verwendet werden, einen emittierten Laserstrahl für verschiedene Anwendungen zu modifizieren. 6 ist beispielsweise ein Blockschema eines Beispiels eines optisch-parametrischen-Oszillator(OPO)-Systems 600. Das System weist einen Laser 610 ähnlich zu dem Lasersystem 100 in 1A, ein nicht lineares optisches Medium 620 und dielektrische Spiegel 630, 635 auf. Der Laser 610 erzeugt einen Pumpstrahl 640, der in die optische Kavität eintritt, die durch das optische Medium 620 und die Spiegel 630, 635 gebildet wird. Das optische Medium 620 kann aus den vielen im Stand der Technik bekannten Medien ausgewählt werden, und ist typischerweise ein kristallines nicht-lineares Material. Der Pumpstrahl 640 wechselwirkt mit dem optischen Medium 620, um eine nicht-lineare Polarisation zu erzeugen, die abstrahlen kann, um zusätzliche Strahlen 642, 644 zu erzeugen, die von dem Spiegel 635 emittiert werden. Die Wellenlängen der Strahlen 642, 644 können unter Verwendung von Techniken wie beispielsweise der Auswahl von geeigneten Phasen-abgleichenden Zuständen in dem nicht-linearen optischen Medium 620 ausgewählt werden. Phasenabgleich kann auf der Basis einer Orientierung oder Temperatur des Mediums 620 bewerkstelligt werden.
Das beispielhafte Lasersystem 100 in 1A kann auch dazu verwendet werden, andere Arten von OPO-Systemen zu pumpen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Kohärente Strahlen 642, 644 können in Multiphotonenmikroskopie- oder Spektroskopie-Systemen oder in anderen geeigneten Anwendungen verwendet werden. Ein Laser 610 kann dazu verwendet werden, mehrfache OPO-Systeme zu pumpen, und die Systeme können Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen.
Das Lasersystem 100 kann auch in einem Oszillator oder Verstärker verwendet werden. 7 zeigt ein Blockschema eines beispielhaften regenerativen Verstärkersystems 700. Das System 700 weist Diodenstabanordnungen 710, 720, Linsen 722, 724, dielektrische Polarisatoren 726, 728 und Spiegel 740, 745 auf. Manche oder alle dieser Elemente können ähnlich zu denjenigen sein, die oben mit Bezug auf das System 100 in 1A beschrieben wurden. Das System 700 weist weiterhin ein Verstärkermedium 730 mit umgebenden Elementen auf. Dies kann ein longitudinal gepumpter Yb:KGW-Kristall sein, ähnlich zu dem Medium, das oben mit Bezug auf 1A und 1B beschrieben worden ist. Weitere Verstärkermedien, die im Stand der Technik bekannt sind, können ebenso verwendet werden. Das System 700 weist weiterhin eine Pockels-Zelle oder einem anderen Modulator 750 auf. Ein zusätzlicher Spiegel 760 transmittiert einen verstärkten Strahl 770, möglicherweise zu zusätzlichen Komponenten (nicht dargestellt), wie sie im Stand der Technik bekannt sind, so wie z.B. zu einem Pulsdehner oder einem Pulsstaucher. In einer zusätzlichen Anwendung kann das Lasersystem 100 zum Pumpen anderer Verstärker wie eines Phasenverstärkers verwendet werden, der eine Yb-dotierte Faser umfasst. In anderen Anwendungen kann das Lasersystem 100 zur Materialbearbeitung mit fokussierten Strahlen verwendet werden.
In den obigen Beispielen wird einem Verstärkermedium Pumpstrahlung unter Verwendung eines dielektrischen Polarisators zugeführt, der zur Anordnung unter dem Brewster-Winkel oder nahe dem Brewster-Winkel für den Laserstrahl ausgebildet ist. In weiteren Beispielen können polarisierende Strahlteiler verwendet werden, die eine dielektrische Beschichtung umfassen, oder kristalline Polarisatoren so wie Wollaston-Polarisatoren, Glan-Thompson-Strahlteilerprismen, oder andere Prismen- oder Strahlteilerkonfigurationen können verwendet werden. Solche kristallinen Polarisatoren werden typischerweise aus Kristallquartz, Kalzit oder anderen doppelbrechenden Materialien gefertigt. Diese kristallinen Materialien können uniaxial oder biaxial sein, und orthogonale Polarisationszustände können kombiniert oder getrennt werden, wie es für ein Diodenpumpen auf der Basis von Unterschieden in einem kritischen Winkel oder Brechungswinkeln aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindices für die Pump- und Laserwellenlänge benötigt wird. Einige Beispiele sind in 8–9 dargestellt.
Mit Bezug auf 8 ist ein Verstärkermedium 802 so angeordnet, dass es eine Achse 800 definiert. Pumpstrahlung bei einer Pumpwellenlänge λ_pump wird von Pumpquellen (nicht dargestellt) durch Reflexion von einer dielektrischen Schicht 805 eines ersten polarisierenden Strahlteilers 804 und durch Transmission durch eine dielektrische Schicht 807 eines zweiten polarisierenden Strahlteilers 806 in das Verstärkermedium 802 gekoppelt. In der Konfiguration in 8 ist die Laserstrahlung polarisiert, so dass sie von dem polarisierenden Strahlteiler 804 im Wesentlichen transmittiert und von dem polarisierenden Strahlteiler 806 im Wesentlichen reflektiert wird. Die Achse 800 ist in 8 erweitert, um Achsenabschnitte einzuschließen, die durch Reflexionen durch die Strahlteiler definiert sind. Das Verstärkermedium 802 kann optisch anisotrop sein und so ausgelegt sein, dass Pump- und Laserstrahlungspolarisationszustände mit unterschiedlichen bevorzugten Emissions-/Absorptionsquerschnitten des Verstärkermediums 802 verknüpft werden. Die polarisieren den Strahlteiler 804, 806 können dielektrische polarisierende Strahlteilerwürfel sein, oder sie können auf kristallinen Materialien basieren.
9 ist eine schematische Darstellung, die das Pumpen eines Verstärkermediums 902 veranschaulicht. Pump- und Laserstrahlung (oder verstärkte Strahlung) werden in das oder aus dem Verstärkermedium 902 entlang jeweiliger Achsen 900A, 900B gekoppelt und breiten sich entlang einer Achse 900 in dem Verstärkermedium 902 aus. Die Achsen 900A, 900B sind durch einen kristallinen Strahlvereiniger 904 definiert, der auf Unterschieden in dem Brechungsindex für unterschiedliche Polarisationszustände basiert.
In Anbetracht der vielen möglichen Ausführungsbeispiele, auf die die Prinzipien der offenbarten Technologie angewendet werden können, sollte erkannt werden, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele nur repräsentative Beispiele sind und nicht als beschränkend verstanden werden sollen. Z.B. kann polarisationsbasiertes Pumpen mit Verstärkermedien verwendet werden, die Absorptions- oder Emissionsquerschnitte aufweisen, die eine Funktion der Polarisation sind, oder mit Verstärkermedien, bei denen diese Querschnitte unabhängig von der Polarisation sind. Darüber hinaus sind Laserdioden günstige Pumpquellen, jedoch kann die Pumpstrahlung in anderen Beispielen von anderen Pumpquellen erhalten werden. Beispielhafte Verstärkermedien umfassen Festkörperverstärkermedien, jedoch andere optisch gepumpte Verstärkermedien können ähnlich konfiguriert werden. Der Umfang der Erfindung ist somit nicht durch die dargestellten Beispiele beschränkt, sondern ist durch die folgenden Ansprüche definiert. Ich beanspruche daher als meine Erfindung alles, was in den Umfang und Sinn dieser Ansprüche fällt.

Claims

Laser, mit: einem Verstärkermedium mit einer zugeordneten Laserwellenlänge und Pumpwellenlänge; einer Pumpstrahlungsquelle, die Strahlung im Wesentlichen mit der Pumpwellenlänge emittiert; und einem Polarisator, der dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung mit der Laserwellenlänge und mit einem ersten Polarisationszustand von dem Verstärkermedium entlang einer ersten Achse und die Pumpstrahlung von der Pumpstrahlungsquelle mit einem zweiten Polarisationszustand in das Verstärkermedium entlang einer zweiten Achse zu koppeln, wobei die erste Achse und die zweite Achse in dem Verstärkermedium parallel sind.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Pumpstrahlungsquelle eine Laserdiode ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Pumpstrahlungsquelle ein Laserdiodenarray ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Pumpstrahlungsquelle ein Laserdiodenstab ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkermedium so angeordnet ist, dass es die Pumpstrahlung mit der Pumpwellenlänge in dem zweiten Polarisationszustand im Wesentlichen absorbiert.
Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkermedium so angeordnet ist, dass es die Pumpstrahlung im Wesentlichen in dem zweiten Polarisationszustand im Wesentlichen absorbiert und Laserstrahlung im Wesentlichen in dem ersten Polarisationszustand emittiert.
Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkermedium Yb-dotiert ist.
Laser nach Anspruch 7, wobei das Verstärkermedium Yb:KGW ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Polarisator dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung im Wesentlichen zu transmittieren und Pumpstrahlung zu reflektieren.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Polarisator eine dielektrische Beschichtung aufweist, die sich auf einem Polarisatorsubstrat befindet.
Laser nach Anspruch 10, wobei das Polarisatorsubstrat so angeordnet ist, dass Laserstrahlung im Wesentlichen unter einem Brewster-Winkel einfällt, wobei der erste Polarisationszustand im Wesentlichen eine P-Polarisation bezüglich des Substrats ist.
Laser nach Anspruch 11, wobei das Polarisatorsubstrat so angeordnet ist, dass die Pumpstrahlung bezüglich des Substrats im Wesentlichen S-polarisiert ist.
Laser nach Anspruch 10, wobei das Polarisatorsubstrat so angeordnet ist, dass die Pumpstrahlung bezüglich des Substrats im Wesentlichen S-polarisiert ist.
Laser nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Kühlplatte, die mit dem Verstärkermedium mittels einer leitfähigen Lage kontaktiert ist.
Laser nach Anspruch 14, wobei die Kühlplatte dazu ausgebildet ist, einen Kühlmediumfluss in das Innere der Kühlplatte zu ermöglichen, und wobei die leitfähige Lage eine gleichmäßige Metalllage ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei die Laserwellenlänge etwa 1040 nm und die Pumpwellenlänge etwa 981 nm beträgt.
Verfahren, mit den Schritten: Bereitstellen von Pumpstrahlung an ein Verstärkermedium entlang einer Achse des Verstärkermediums mit einer ersten Polarisation; und Erzeugen einer Laserstrahlung mit einer zweiten Polarisation im Ansprechen auf die Pumpstrahlung.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Polarisation und die zweite Polarisation im Wesentlichen orthogonal sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die erste Polarisation und die zweite Polarisation im Wesentlichen linear sind.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin mit den Schritten: Bereitstellen einer Laserkavität, die das Verstärkermedium enthält, und Einstellen einer Laserpulsdauer durch Auswählen einer negativen Dispersion.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Pumpstrahlung mittels zumindest einer Laserdiode bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Pumpstrahlung auf das Verstärkermedium und Laserstrahlung auf eine Laserkavität mittels eines Polarisators gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Pumpstrahlung von dem Polarisator im Wesentlichen reflektiert und die Laserstrahlung im Wesentlichen transmittiert wird.
Optischer Verstärker, mit: einem Verstärkermedium mit einer zugeordneten Laserwellenlänge und Pumpwellenlänge; einer Pumpstrahlungsquelle, die Strahlung im Wesentlichen mit der Pumpwellenlänge emittiert; und einem Polarisator, der dazu ausgebildet ist, verstärkte Strahlung mit einer Laserwellenlänge von dem Verstärkermedium entlang einer ersten Achse und die Pumpstrahlung von der Pumpstrahlungsquelle mit einem zweiten Polarisationszustand in das Verstärkermedium entlang einer zweiten Achse zu koppeln.
Optischer Verstärker nach Anspruch 24, wobei das Verstärkermedium einen ersten bzw. zweiten Absorptionsquerschnitt für Pumpstrahlung mit dem ersten bzw. zweiten Polarisationszustand aufweist, wobei der zweite Absorptionsquerschnitt größer ist als der erste Absorptionsquerschnitt.
Optischer Verstärker nach Anspruch 24, wobei das Polarisator dazu ausgebildet ist, die Pumpstrahlung durch Reflexion in das Verstärkermedium zu koppeln.