DE102007048463B4 - Multilayered laser medium with a pentagonal shape in cross-section - Google Patents
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Abstract
Mehrschichtiges Lasermedium, welches eine erste Schicht (3) aus einem Lasermaterial umfasst, das zu stimulierter Emission auf einer Laserwellenlänge anregbar ist, und eine zweite Schicht (1) aus einem Absorbermaterial umfasst, das bei derselben Wellenlänge absorbierend wirkt, wobei die erste und zweite Schicht direkt oder über eine Zwischenschicht (2) optisch aneinander angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Schichtaufbau im Querschnitt senkrecht zu den Schichtebenen eine fünfeckige Form aufweist und sich senkrecht zum Querschnitt über eine gewünschte Länge erstreckt und so einen fünfeckigen prismatischen Körper ausbildet.A multilayered laser medium comprising a first layer (3) of laser material excitable for stimulated emission at a laser wavelength and a second layer (1) of an absorber material absorbing at the same wavelength, the first and second layers are optically coupled to each other directly or via an intermediate layer (2), characterized in that the entire layer structure in cross-section perpendicular to the layer planes has a pentagonal shape and extends perpendicular to the cross section over a desired length and thus forms a pentagonal prismatic body.
Description
Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Lasermedium, welches eine erste Schicht aus einem Lasermaterial umfasst, das zu stimulierter Emission auf einer Laserwellenlänge anregbar ist und eine zweite Schicht aus einem Absorbermaterial umfasst, das bei derselben Wellenlänge absorbierend wirkt, wobei die erste und zweite Schicht direkt oder über eine Zwischenschicht optisch aneinander angekoppelt sind.The The invention relates to a multilayer laser medium, which is a first layer of a laser material that stimulates to Emission on a laser wavelength is stimulable and a second layer of an absorber material comprising absorbing at the same wavelength, wherein the first and second layers are optically direct or via an intermediate layer are coupled to each other.
Ein
mehrschichtiges Lasermedium ist z. B. aus der
Lasermedien sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Dabei können beispielsweise als Lasermedium Festkörper verwendet werden, wie z. B. Kristalle, amorphe Gläser sowie auch Keramiken. Insbesondere Festkörper-Lasermedien werden üblicherweise verwendet, um Laserresonatoren zur Erzeugung von Laserstrahlung oder aber auch Laserverstärker zur Verstärkung von bereits erzeugter Laserstrahlung aufzubauen.laser media are well known in the art. It can, for example as a laser medium solid be used, such as. As crystals, amorphous glasses and also ceramics. In particular, solid state laser media are commonly used used to laser resonators for generating laser radiation or also laser amplifier for reinforcement build up of already generated laser radiation.
Lasermedien zeichnen sich dabei dadurch aus, dass es sich um ein Medium, insbesondere Festkörpermedium, teilweise mit zusätzlicher Dotierung handelt, in welchem eine Besetzungsinversion der Elektronen durch äußere Anregung, beispielsweise optische Anregung durch sogenanntes Pumplicht erzeugt werden kann, so dass eine stimulierte Emission von Photonen einer oder auch mehrerer Laserwellenlängen erzeugt wird. Je nach gewünschter Laserwellenlänge können dabei unterschiedliche Lasermedien, insbesondere verschiedene Festkörpermedien mit oder auch ohne eine zusätzliche Dotierung eingesetzt werden.laser media characterized by the fact that it is a medium, in particular solid-state medium, partly with additional Doping is, in which a population inversion of the electrons by external stimulation, For example, optical excitation generated by so-called pump light can be, so that a stimulated emission of photons one or even multiple laser wavelengths is produced. Depending on the desired Laser wavelength can do it different laser media, especially different solid state media with or without an extra Doping be used.
Problematisch ist beim Betrieb von Laserresonatoren oder Laserverstärkersystemen, dass der Wirkungsgrad dieser Systeme durch die verstärkte spontane Emission (ASE-amplied spontaneous emission) sowie auch durch parasitäre Moden, reduziert werden kann, d. h. durch das Anschwingen des Lasers oder Verstärkers auf nicht gewünschten, insbesondere transversalen Moden, insbesondere denen eines evtl. vorhandenen Unterresonators.Problematic is in the operation of laser resonators or laser amplifier systems, that the efficiency of these systems is enhanced by the spontaneous Emission (ASE-amplied spontaneous emission) as well as parasitic modes, can be reduced, d. H. by the oscillation of the laser or amplifier on not desired, in particular transversal modes, in particular those of a possibly. existing subresonator.
Die Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Lasermedium bereit zu stellen, durch welches die Möglichkeit gegeben ist, auf Grund der speziellen Konfiguration spontane Emissionen, die nicht in Richtung des Laserstrahls emittiert wird, zu absorbieren, wodurch die Verstärkung der spontanen Emission sowie auch parasitäre Moden unterdrückt werden können.The The object of the invention is therefore to provide a laser medium ready through which the possibility given due to the special configuration spontaneous emissions, which is not emitted in the direction of the laser beam, to absorb causing the gain the spontaneous emission as well as parasitic modes can be suppressed.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein mehrschichtiges Lasermedium, welches sich dadurch auszeichnet, dass es eine erste Schicht aus einem Lasermaterial umfasst, das zu stimulierter Emission auf einer Laserwellenlänge anregbar ist und eine zweite Schicht aus einem Absorbermaterial umfasst, das bei derselben Wellenlänge absorbierend wirkt, wobei die erste und zweite Schicht direkt oder über eine Zwischenschicht optisch aneinander angekoppelt sind und der gesamte Schichtaufbau im Querschnitt senkrecht zu den Schichtebenen eine fünfeckige Form aufweist, insbesondere mit fünf inneren Winkeln jeweils größer gleich 90 Grad und sich senkrecht zum Querschnitt über eine gewünschte Länge erstreckt und so einen fünfeckigen prismatischen Körper ausbildet.According to the invention Task solved by a multi-layered laser medium, which is characterized that it comprises a first layer of a laser material, the to stimulated emission excitable on a laser wavelength and a second Layer of an absorber material absorbing at the same wavelength acts, with the first and second layers directly or via a Intermediate layer are optically coupled to each other and the entire Layer structure in cross section perpendicular to the layer planes a pentagonal Shape, in particular with five inner angles respectively greater or equal 90 degrees and extending perpendicular to the cross section over a desired length and so a pentagonal one prismatic body formed.
Wesentlicher Kerngedanke des erfindungsgemäßen Lasermediums ist es, dass spontane Emissionen, die innerhalb des Lasermaterials auftritt und nicht in Richtung des erzeugten oder verstärkten das Lasermaterial durchlaufenden Laserstrahls verläuft, in das Absorbermaterial eintritt, da dieses direkt oder zumindest indirekt über eine Zwischenschicht an das Lasermaterial optisch angekoppelt ist, dort in ausreichendem Maße absorbiert wird, so dass keine Rückkopplung und Verstärkung der spontanen Emission auf geschlossenen Wegen innerhalb des erfindungsgemäßen mehrschichtigen Lasermediums erfolgen kann und hierdurch parasitäre Lasermoden wirkungsvoll unterdrückt werden können.essential Core idea of the laser medium according to the invention is it that spontaneous emissions that are within the laser material occurs and not in the direction of the generated or reinforced the laser material passing laser beam passes, in the absorber material enters because this directly or at least indirectly via a Intermediate layer is optically coupled to the laser material, there sufficiently is absorbed, so no feedback and reinforcement the spontaneous emission on closed paths within the multilayer according to the invention Lasermediums can be done and thus parasitic laser modes effectively repressed can be.
So kann gerade durch die im Querschnitt fünfeckige Ausgestaltung des mehrschichtigen Lasermediums erreicht werden, dass vorzugsweise sämtliche spontane Emission innerhalb des Lasermaterials, deren Richtung außerhalb der Richtung des erzeugten oder verstärkten Laserstrahls liegt, bevorzugt vollständig über interne Total-Reflexion an den Grenzflächen des fünfeckigen prismatischen Körpers in das Absorbermaterial geleitet wird, welches einen Teil dieses prismatischen Körpers, insbesondere eine Schicht des prismatischen Körpers ausbildet und somit genügend absorbiert wird, um Rückkopplung ins Lasermaterial zu verhindern und somit die parasitären Moden zu unterdrücken.So can just by the pentagonal in cross section embodiment of the be achieved multilayer laser medium that preferably all spontaneous emission within the laser material, its direction outside the direction of the generated or amplified laser beam is preferred completely over internal Total reflection at the interfaces of the pentagonal prismatic body is passed into the absorber material, which is part of this prismatic body, In particular, a layer of the prismatic body is formed and thus absorbed sufficiently will be to feedback into the laser material to prevent and thus the parasitic modes to suppress.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, dass die Schicht des Lasermaterials parallel zu einer Basisfläche des fünfeckigen Körpers angeordnet ist.In a preferred embodiment it is thereby provided that the layer of the laser material is parallel to a base area arranged the pentagonal body is.
Bei der Betrachtung des fünfeckigen Körpers im Querschnitt wird dabei eine horizontal liegende untere Fläche als Basisfläche im Sinn der Erfindung verstanden, wohingegen die beiden dieser Basisfläche gegenüberliegenden Flächen des fünfeckigen prismatischen Körpers, die unter einem Winkel zueinander stehen, als Dachflächen bezeichnet werden. Jede der Dachflächen steht dabei mit der Basisfläche über eine angrenzende Fläche in Verbindung.at the contemplation of the pentagonal Body in Cross-section becomes a horizontal lower surface than footprint understood in the meaning of the invention, whereas the two opposite this base surface surfaces of the pentagonal prismatic body, which are at an angle to each other, referred to as roof areas become. Each of the roof surfaces stands with the base area over one adjacent area in connection.
Wird nun die Schicht des Lasermaterials gemäß der eingangs genannten Ausführung parallel zu einer Basisfläche des fünfeckigen Körpers angeordnet, so hat dies den Vorteil, dass die an die Basisfläche angrenzenden Flächen, die zu der Basisfläche unter einem Winkel größer als 90 Grad orientiert sind, bewirken, dass die in dem Lasermaterial erzeugte spontane Emission bei einer Reflexion an einer solchen Fläche immer aus dem Lasermaterial heraus reflektiert werden und so direkt oder gegebenenfalls über eine Zwischenschicht in das Absorbermaterial gelangen, wo eine ausreichende Absorption dieser spontanen Emission stattfindet, womit eine Rückkopplung und somit jeglicher geschlossener Weg vermieden wird, so dass die Ausbildung parasitärer Moden unterdrückt wird.Becomes Now the layer of the laser material according to the aforementioned embodiment in parallel to a base area of the pentagonal body arranged, this has the advantage that the adjacent to the base surface surfaces, to the base area below an angle greater than 90 degrees, cause that in the laser material produced spontaneous emission upon reflection on such area always be reflected out of the laser material and so directly or optionally via get an intermediate layer in the absorber material, where a sufficient Absorption of this spontaneous emission takes place, bringing a feedback and thus any closed path is avoided, so that the Training parasitic modes repressed becomes.
Spontane Emission, die nicht über die Seitenflächen oder auch die Stirnflächen des prismatischen Körpers in das Absorbermedium reflektiert wird, gelangt ausserhalb des Laserstrahlengangs aus dem prismatischen Körper hinaus und bildet somit keinen störenden Beitrag.spontaneous Emission that does not exceed the side surfaces or even the faces of the prismatic body is reflected in the absorber medium, passes outside the laser beam path the prismatic body and thus does not make a disturbing contribution.
Um diese Reflexion zu erreichen und dabei eine Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen den Schichten zu verhindern, ist es dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einzelnen Schichten optisch aneinander angekoppelt sind, d. h. stoffschlüssig ineinander übergehen, was beispielsweise technisch durch das Verfahren des thermischen Diffusionsbonden bzw. das sogenannte optische Ansprengen erzielt werden kann, wobei die aneinander angekoppelten Schichten zumindest ähnliche oder bevorzugt gleiche Brechungsindizes aufweisen.Around To achieve this reflection while doing a total reflection to the interfaces between the layers, it is provided according to the invention, that the individual layers are optically coupled to each other, d. H. cohesively merge, which, for example, technically by the method of thermal Diffusion bonding or the so-called optical wringing achieved can be, with the coupled layers at least similar or preferably have the same refractive indices.
Dabei wird unter gleichen Brechungsindizes verstanden, dass sich die Brechungsindizes allenfalls erst ab der ersten, bevorzugt erst in noch späteren Nach-Kommastellen, unterscheiden, bevorzugt, dass sich der Unterschied im Prozent- oder Promille-Bereich oder noch geringer bewegt.there is understood to mean the same refractive indices that the refractive indices at most only from the first, preferably only in later decimal places, preference, that the difference in the percentage of or per thousand range or even less.
Um ein interne Lichtführung im prismatischen Körper zu gewährleisten, die bewirkt, dass spontane Emission, soweit sie außerhalb der Richtung des Laserstrahls im Lasermaterial liegt, immer aus dem Lasermaterial heraus in das Absorbermaterial geleitet wird, kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass die zwei an die Basisfläche im gleichen Winkel angrenzenden Flächen im Querschnitt gleiche Seitenlängen aufweisen und jeweils an ihrem der Basisfläche abgewandtem Ende unter einem rechten Winkel an die jeweils weitere der Basisfläche gegenüberliegende Dachfläche angrenzen.Around an internal light guide in the prismatic body to ensure, which causes spontaneous emission, as far as they are outside the direction of the laser beam in the laser material is always off the laser material is passed out into the absorber material, It may preferably be provided that the two to the base surface in the same Angle adjacent surfaces in cross-section same side lengths and in each case at its end facing away from the base surface below a right angle to the respective other of the base surface opposite roof adjoin.
Dabei kann es weiterhin vorgesehen sein, dass im Querschnitt die Länge der an die Basisfläche angrenzenden Flächen derart ausgewählt ist, dass die beiden gleich langen Dachflächen zumindest im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen wie die Basisfläche.there It may furthermore be provided that the length of the adjacent to the base surface surfaces selected in this way is that the two equal-length roof surfaces at least substantially the same length have like the base surface.
Dies hat den Vorteil, dass ein optisches Pumpen des Lasermaterials dadurch erfolgen kann, dass durch eine der zwei Dachflächen, insbesondere senkrecht zu dieser, Pumplicht in das mehrschichtige Lasermedium eingekoppelt wird und dieses Pumplicht parallel zu einer Seitenfläche des prismatischen Körpers verläuft, die an die Dachfläche der Einkopplung und an die Basisfläche angrenzt, so dass das Pumplicht durch das Absorbermaterial in die Schicht des Lasermaterials eindringt, an der Basisfläche auf Grund der Totalreflexion oder aber einer hoch reflektierenden Verspiegelung reflektiert wird, erneut durch das Lasermaterial propagiert, sodann durch das Absorbermaterial in Richtung der zweiten Dachfläche propagiert, an dieser reflektiert wird und denselben Weg zurück verläuft. So wird erreicht, dass Licht einer Pumpwellenlänge, welches senkrecht zu der einen Dachfläche in den fünfeckigen prismatischen Körper eingekoppelt wird, einen vierfachen Durchgang durch das Lasermaterial vollzieht.This has the advantage that optical pumping of the laser material thereby can be done by one of the two roof surfaces, in particular vertically to this, pumping light coupled into the multilayer laser medium and this pump light is parallel to a side surface of the prismatic body runs, the to the roof area the coupling and adjacent to the base surface, so that the pump light enters the layer of laser material through the absorber material, at the base area due to the total reflection or a highly reflective Mirror reflection is reflected, propagated again by the laser material, then propagated through the absorber material towards the second roof surface, is reflected at this and the same way back. This is how it is achieved Light of a pump wavelength, which is perpendicular to the one roof surface in the pentagonal prismatic body coupled, a four-fold passage through the laser material takes place.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass eine der Dachflächen für die Einkopplung des Lichtes einer Pumpwellenlänge antireflexbeschichtet ist und die andere Dachfläche, insbesondere auch die Basisfläche für eine Pumpwellenlänge zur optischen Anregung des Lasermaterials hoch verspiegelt beschichtet ist.there It is furthermore preferably provided that one of the roof surfaces for the coupling the light of a pump wavelength antireflex-coated and the other roof surface, especially the footprint for one Pump wavelength coated for optical excitation of the laser material high-reflective is.
Auch kann es vorgesehen sein, dass jede Dachfläche in einem oder mehreren Teilbereichen hochreflektierend beschichtet ist und in den jeweils anderen Teilbereichen antireflexbeschichtet ist, so dass einige der Pumplichtquellen auf oder über den antireflexbeschichteten Teilbereichen der einen Dachfläche positioniert werden können, und einige auf oder über den antireflexbeschichteten Teilbereichen der anderen Dachfläche. Beispielsweise können die Teilbereiche schachbrettartig angeordnet sein.Also It can be provided that each roof surface in one or more Part areas highly reflective coated and in each other Partial areas is antireflex-coated, so some of the pumping light sources up or over the antireflex-coated portions of a roof surface positioned can be and some on or over the antireflective coated portions of the other roof surface. For example can the sections are arranged like a checkerboard.
Dabei ist bevorzugt weiterhin vorgesehen, dass das Absorbermaterial keine, zumindest keine signifikante Absorption für die Wellenlänge des Pumplichtes aufweist, so dass als Absorbermaterial ein solches Material einzusetzen ist, welches bei der gewünschten Laserwellenlänge des Lasermaterials absorbierend ist, jedoch selbst keine Lasertätigkeit bei dieser Wellenlänge ermöglicht, bei dem also keine Besetzungsinversion mit dem Pumplicht erzielt wird.there is preferably further provided that the absorber material no, at least no significant absorption for the wavelength of the pump light has, so use as absorber material such a material which is at the desired Laser wavelength the laser material is absorbent, but no laser action itself this wavelength allows in which therefore no population inversion is achieved with the pump light.
Auf Grund des vierfachen Durchgangs des Pumplichtes durch das Lasermaterial kann es dabei bevorzugt vorgesehen sein, die erzeugte Wärme im Lasermaterial dadurch abzuführen, dass an die Basisfläche eine Wärmesenke angekoppelt ist bzw. zumindest an das Lasermedium ankoppelbar ist.Due to the quadruple passage of the pumping light through the laser material, it can preferably be provided to dissipate the heat generated in the laser material in that a heat sink is coupled to the base surface or to at least to the laser medium can be coupled.
So wird eine ausreichende Wärmeabfuhr erzielt, auf Grund der einseitigen Ankopplung einer Wärmesenke kommt es jedoch zu einem Temperaturgradienten innerhalb des Lasermaterials, so dass es in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen sein kann, das mehrschichtige Lasermedium derart auszugestalten, dass die Ein- und Auskopplung des zu erzeugenden oder verstärkenden Laserstrahles nicht entlang der Ausdehnungsrichtung des prismatischen Körpers senkrecht zum Querschnitt erfolgt, sondern vielmehr in einer besonders bevorzugten Ausführung über eine Grenzschicht des Lasermaterials innerhalb des prismatischen Körpers zu einer Zwischenschicht, die zwischen dem Lasermaterial und dem Absorbermaterial in bevorzugter Ausführung angeordnet sein kann.So is sufficient heat dissipation achieved due to the one-sided coupling of a heat sink However, there is a temperature gradient within the laser material, so that it may be provided in a preferred embodiment, the multilayered laser medium in such a way that the and decoupling of the laser beam to be generated or amplified not along the extension direction of the prismatic body perpendicular to the cross section takes place, but rather in a particularly preferred embodiment of a Boundary layer of the laser material within the prismatic body an intermediate layer between the laser material and the absorber material in a preferred embodiment can be arranged.
So kann es demnach in bevorzugter Ausführung vorgesehen sein, dass zwischen der Schicht des Lasermaterials und der Schicht des Absorbermaterials eine Zwischenschicht aus einem für die Laserwellenlänge transparenten Material angeordnet ist, wobei der Laserstrahl durch einen externen Strahlengang zunächst durch eine Stirnfläche des prismatischen Körpers unter einem Winkel insbesondere ungleich 90 Grad zur Stirnfläche in die Zwischenschicht und aus dieser insbesondere unter einem Einfallswinkel größer 55° und somit streifend in das Lasermaterial einkoppelbar ist, innen an der Basisfläche im Lasermaterial total reflektierbar und in die Zwischenschicht zurück und aus dieser aus dem Lasermedium heraus propagierbar ist. Hierbei kann demnach die Ausbreitung des Laserstrahls im Wesentlichen entlang der Erstreckung des prismatischen Körpers erfolgen.So It may therefore be provided in a preferred embodiment, that between the layer of laser material and the layer of absorber material an intermediate layer of a for the laser wavelength transparent material is arranged, wherein the laser beam through an external beam path first through a frontal area of the prismatic body at an angle in particular not equal to 90 degrees to the face in the Interlayer and from this in particular at an angle of incidence greater than 55 ° and thus grazing in the laser material is coupled, inside of the base surface in the laser material totally reflective and back and forth in the interlayer this is propagated out of the laser medium out. Here can Accordingly, the propagation of the laser beam substantially along the extension of the prismatic body.
Diese Art der Einkopplung des Laserstrahls hat den besonderen Vorteil, dass jeder Teil des Laserstrahlquerschnittes senkrecht zu seiner Propagationsrichtung dasselbe Temperaturprofil innerhalb des Lasermaterials durchläuft und somit optische Weglängendifferenzen im Laserstrahlprofil vermieden werden können.These Type of coupling of the laser beam has the particular advantage that each part of the laser beam cross section perpendicular to it Propagationsrichtung the same temperature profile within the laser material goes through and thus optical path length differences can be avoided in the laser beam profile.
Um zu gewährleisten, dass die Zwischenschicht keinen Einfluss auf die Laserstrahlung nimmt, ist es bevorzugt vorgesehen, dass diese Zwischenschicht für die Laserwellenlänge transparent ist, d. h. keine Absorption aufweist und darüber hinaus auch keine Besetzungsinversion aufbaut, da das Pumplicht, welches gemäß der vorgenannten Ausführung den prismatischen Körper durchläuft, bei dieser Anordnung auch die Zwischenschicht durchläuft.Around to ensure, that the interlayer does not affect the laser radiation takes, it is preferably provided that this intermediate layer transparent to the laser wavelength is, d. H. has no absorption and, moreover, no population inversion builds up because the pump light, which according to the aforementioned embodiment the prismatic body goes through in this arrangement, the intermediate layer passes through.
Um dies zu erzielen, kann es demnach in einer besonderen Ausführung vorgesehen sein, dass das Lasermaterial aus einem dotierten Granatwirt besteht.Around To achieve this, it can therefore be provided in a particular embodiment be that the laser material consists of a doped garnet host.
Derartige Materialien sind bekannt für ihre Lasereigenschaft, wie beispielsweise Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat. Für die Realisierung der Zwischenschicht kann sodann vorgesehen sein, dass diese aus einem undotierten Granat besteht, insbesondere wobei der Granat der Zwischenschicht dem Material des Granatwirts des Lasermaterials entspricht. Ebenso geeignete Beispiele sind andere substituierte Granate sowie die Klasse der Vanadate.such Materials are known for their laser property, such as neodymium-doped yttrium-aluminum garnet. For the Realization of the intermediate layer can then be provided that this consists of an undoped garnet, in particular the Garnet of the intermediate layer the material of the garnet host of the laser material equivalent. Also suitable examples are other substituted ones Grenade and the class of vanadates.
In Bezug auf das vorgenannte Beispiel, bei dem das Lasermaterial aus Neodym-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat besteht, kann demnach die Zwischenschicht aus undotiertem Yttrium-Aluminium-Granat bestehen.In Referring to the aforementioned example, in which the laser material made Neodymium-doped Yttrium aluminum garnet is therefore the intermediate layer consist of undoped yttrium-aluminum garnet.
Die typische Laserwellenlänge von 1064 nm des vorgenannten Lasermaterials kann demnach die Zwischenschicht unbeeinflusst durchtreten, ohne absorbiert zu werden. Eventuelle spontane Emission aus dem Lasermedium, die nicht entlang des Laserstrahls propagiert, wird jedoch auf Grund der geometrischen Konfiguration, wie eingangs erwähnt, auf Grund interner Totalreflexion immer in das Absorbermaterial geleitet und dort absorbiert.The typical laser wavelength of 1064 nm of the aforementioned laser material can therefore the intermediate layer pass through unaffected without being absorbed. any spontaneous emission from the laser medium, not along the laser beam propagated, but due to the geometric configuration, as mentioned in the beginning, due to internal total reflection always in the absorber material passed and absorbed there.
Aus diesem Grund wird für das Absorbermaterial bevorzugt ein Material gewählt, welches bei derselben Wellenlänge des Lasermaterials absorbierend ist, jedoch wie eingangs erwähnt selbst bei einer Bestrahlung und Durchleuchtung mit dem Pumplicht keine Besetzungsinversion aufbaut und demnach die spontane Emission nicht verstärkt, sondern vielmehr absorbiert. So kann das Absorbermaterial in einer bevorzugten Ausführung ebenso aus einem dotierten Granatwirt bestehen, der allerdings insbesondere derart gewählt ist, dass das Material der Dotierung und das Material des Granatwirtes derart aufeinander abgestimmt sind, dass das Absorbermaterial ein Maximum seiner Absorption zumindest im Wesentlichen bei der Laserwellenlänge aufweist, insbesondere ohne selbst die Möglichkeit zu bilden, für diese Laserwellenlänge eine Besetzungsinversion aufzubauen.Out This reason is for the absorber material preferably selected a material which in the same wavelength the laser material is absorbent, but as mentioned above itself with an irradiation and fluoroscopy with the pump light no Occupational inversion and therefore does not build spontaneous emission strengthened but rather absorbed. So can the absorber material in one preferred embodiment also consist of a doped garnet host, but in particular such chosen is that the material of the doping and the material of the garnet host are matched to one another such that the absorber material is a maximum has its absorption at least substantially at the laser wavelength, especially without even the possibility to form, for this laser wavelength to build a cast inversion.
Mit Bezug auf das eingangs genannte Lasermaterial, nämlich Neodym-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat kann für das Absorbermaterial bevorzugt ein Samarium-dotierter Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat gewählt werden, insbesondere wobei bei einer Realisierung der eingangs genannten Zwischenschicht diese aus undotiertem Yttrium-Aluminium-Granat bestehen kann.With Reference to the above-mentioned laser material, namely neodymium-doped yttrium-aluminum garnet can for the absorber material preferably comprises a samarium-doped gadolinium-scandium-aluminum garnet chosen in particular being in a realization of the aforementioned Interlayer these consist of undoped yttrium-aluminum garnet can.
So hat sich gezeigt, dass Samarium-dotierter Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat im Sinne der Erfindung gleichen oder zumindest nahezu gleichen Brechungsindex aufweist wie undotierter oder Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat und somit für die optische Ankopplung, beispielsweise mittels Diffusionsbonden, geeignet ist darüber hinaus jedoch bei Durchstrahlung mit dem notwendigen Pumplicht keine Besetzungsinversion aufbaut und gerade für die Laserwellenlänge des Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granats eine hohe Absorption aufweist, wie sie bisher bei keinem anderen geeigneten Material gefunden wurde, so dass auch geringe Weglängen im Absorbermaterial ausreichend sind, um spontane Emission genügend zu absorbieren.For example, samarium-doped gadolinium-scandium-aluminum garnet in the sense of the invention has the same or at least almost the same refractive index as undoped or neodymium-doped yttrium-aluminum garnet and so on with suitable for the optical coupling, for example by means of diffusion bonding, however, beyond built-up population inversion when irradiated with the necessary pumping light and just for the laser wavelength of the neodymium-doped yttrium-aluminum garnet has a high absorption, as it has been in any other suitable Material was found so that even small path lengths in the absorber material are sufficient to absorb spontaneous emission sufficient.
Wesentlich bei der Auswahl der Materialien zur Bildung der vorgenannten Schichten ist es dabei, dass diese sich untereinander stoffschlüssig verbinden lassen, somit die totale Reflexion an den Grenzflächen zwischen diesen Schichten vermieden werden kann und hierfür die Brechungsindizes der Materialien, zumindest im Sinne der Erfindung, gleich sind.Essential in the selection of materials for the formation of the aforementioned layers It is the case that these bind together materially let, thus the total reflection at the interfaces between These layers can be avoided and this the refractive indices of the Materials, at least in the sense of the invention, are the same.
Für den Einsatz als Absorberschicht in dem prismatischen Körper der erfindungsgemäßen Art kommt demnach ein Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat-Kristall zum Einsatz, der ausschließlich mit Samarium dotiert ist, insbesondere wobei er der Summenformel Sm:Gd3Sc2Al3O12 entspricht. Es hat sich gezeigt, dass ein derart mit Samarium dotierter GSAG-Kristall gerade bei der Laserwellenlänge des Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Lasers von 1064 nm eine sehr hohe Absorption aufweist und die Laserwellenlänge zumindest im Wesentlichen im Zentrum dieser Absorption liegt.For use as an absorber layer in the prismatic body of the type according to the invention, therefore, a gadolinium-scandium-aluminum-garnet crystal is used which is exclusively doped with samarium, in particular where it corresponds to the empirical formula Sm: Gd 3 Sc 2 Al 3 O 12 , It has been found that such a samarium doped GSAG crystal has a very high absorption at the laser wavelength of the neodymium-doped yttrium-aluminum garnet laser of 1064 nm and the laser wavelength is at least substantially at the center of this absorption.
Hierbei können auch zur Verbesserung der Kristalleigenschaften Beimischungen im Granatwirt vorgenommen werden, wie beispielsweise Yttrium, Lutetium bzw. Gallium.in this connection can also to improve the crystal properties admixtures in the Garatwirt be made, such as yttrium, lutetium or gallium.
Ein derartiger Samarium dotierter Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat-Kristall kann demnach in Kombination mit einem Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall in hervorragender Weise eingesetzt werden, um parasitäre Moden zu unterdrücken durch Absorption der spontanen verstärkten Emission.One Such samarium-doped gadolinium-scandium-aluminum-garnet crystal can therefore in combination with a neodymium-doped yttrium-aluminum-garnet crystal be used in an excellent way to parasitic modes to suppress by absorption of spontaneous amplified emission.
Die Dotierung mit Samarium eines Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat-Kristalls kann dabei in der Größenordnung von 0,1 bis 5 Prozent und besonders bevorzugt von 1 bis 2 Prozent bezogen auf den Gadolinium-Anteil betragen.The Samarium doping of a gadolinium-scandium-aluminum-garnet crystal can be used in the order of magnitude from 0.1 to 5 percent, and more preferably from 1 to 2 percent based on the gadolinium content amount.
So zeigt sich allgemein, dass insbesondere bei direkter oder auch indirekter optischer Ankopplung über eine Zwischenschicht ein Kristall dieser Art eingesetzt werden kann zur Unterdrückung von verstärkter spontaner Emission und/oder parasitärer Lasermoden bei der Emissionswellenlänge von jeglichen Neodym-dotierten Granatwirten, insbesondere bei dem Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat und somit insbesondere bei der Emissionswellenlänge von 1064 nm.So shows in general that, in particular in direct or indirect optical coupling via an intermediate layer a crystal of this type can be used for suppression from reinforced spontaneous emission and / or parasitic laser mode at the emission wavelength of any neodymium-doped garnet hosts, especially the neodymium-doped ones Yttrium aluminum garnet and thus especially at the emission wavelength of 1064 nm.
Auch andere Neodym-dotierte Granatwirte sowie die vorgenannten Neodym-dotierten Vanadate können dabei Laseremissionwellenlängen bereitstellen, die innerhalb der Absorptionsbande des vorgenannten Samarium-dotierten Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat-Kristalls befinden, so dass sich hier Paarungen ergeben für den Zweck der Unterdrückung von verstärkter spontaner Emission und/oder parasitärer Lasermoden.Also Other neodymium-doped garnet hosts and the aforementioned neodymium-doped vanadates can thereby Laser emission wavelengths provide within the absorption band of the aforementioned Samarium-doped gadolinium-scandium-aluminum-garnet crystal so that there are pairings for the purpose of suppressing reinforced spontaneous emission and / or parasitic laser modes.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen dieOne embodiment The invention is illustrated in the following figures. Show it the
Die
Die
untere Schicht
Oberhalb
der Schicht
Oberhalb
der Schichten
Die Schichten sind hier übereinander gestapelt aufgebaut, wobei hier die Querschnittsgestaltung des gesamten realisierten Körpers dergestalt ist, dass der Querschnitt fünfeckig ist und sich der prismatische fünfeckige Körper in die Papierebene hinein in einer Längsrichtung über eine gewünschte, an sich beliebige Länge erstreckt.The Layers are superimposed here stacked, with the cross-sectional design of the entire realized body in such a way that the cross-section is pentagonal and the prismatic pentagonal body into the plane of the paper in a longitudinal direction over one desired, in itself any length extends.
Die geometrische Konfiguration ist hier weiterhin dergestalt, dass die Seitenflächen S an die Basisfläche B unter einem Winkel α > 90° angrenzen, wobei an deren oberen Enden unter β = 90° jeweils zwei Dachflächen D angrenzen, die gleiche Breite über den Querschnitt aufweisen, so dass die gesamte prismatische Anordnung bezüglich der Kontaktlinie der Dachflächen D im Querschnitt symmetrisch ist.The Geometric configuration is still such that the faces S to the base area B at an angle α> 90 ° adjacent to the upper Ends below β = 90 ° two each roofs D adjacent, the same width over have the cross section, so that the entire prismatic arrangement in terms of the contact line of the roof surfaces D is symmetrical in cross section.
Die
Länge der
Seitenflächen
S und somit die Höhe
des prismatischen Körpers
in der Darstellung der
Die
Einkopplung erfolgt dabei senkrecht zur Dachfläche D1, so dass das Pumplicht
parallel zu der Seitenfläche
S1 durch den prismatischen Körper
und dabei zunächst
durch die Absorberschicht
Der
Strahlengang des Pumplichtes ist somit durch diese Reflexion an
der Dachfläche
D2 in sich umgekehrt, so dass das Pumplicht insgesamt vierfach das
Lasermaterial
Um
eine zu hohe Aufheizung des Lasermaterials in der Schicht
Der
weitere Strahlengang kann durch externe Spiegel außerhalb
des prismatischen Körpers
z. B. derart ausgebildet sein, dass der Laserstrahl
Die
Strahlführung,
die in der
Diese
Strahlführung
hat den Vorteil, dass jeder Teilbereich des Querschnittes des Laserstrahls
Insbesondere
bei der Betrachtung der
Hierbei
tritt die spontane Emission durch die Schicht
Für die Ausführung des
mehrschichtigen Lasermediums ist es wie eingangs erwähnt wichtig, dass
die einzelnen Materialien der Schichten
Eine
konkrete Ausführung
kann hier derart ausgestaltet sein, dass die Schicht
Demnach
sind die Brechungsindizes im Wesentlichen gleich, wohingegen die
Schicht
Die
Wegführung
des Laserstrahls
Da
Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat eine Emissionswellenlänge von
1064 Nanometer aufweist, ist hier die Schicht
Hierbei
wurde aufgefunden, dass Samarium-dotierter Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat
(Sm:GSAG) die in der
Die
Absorptionsbande des Samarium-dotierten Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat-Kristalls,
wie sie in der
Bei
anderen als den in der
Der
Samarium-dotierte Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granatkristall kann beispielsweise durch
dem Fachmann bekannte Verfahren, z. B. nach Czrochralski, hergestellt
werden. Dabei kann insbesondere eine Samariumdotierung von 0,1 bis
5%, bevorzugt 1–2%,
bezogen auf den Gadoliniumanteil zum Einsatz kommen, um die in der
Zur weiteren Verschiebung der Absorptionsbanden kann es dabei weiterhin vorgesehen sein, entweder die Zusammensetzung des Granatwirten durch Hinzufügung oder Austausch von Materialien oder aber auch durch Hinzufügung weiterer Dotierungsmaterialien zu verschieben. Es kann so die Zentralwellenlänge der maximalen Absorption in idealer Weise an die jeweils konkret benötigte Laserwellenlänge angepasst werden.to further shift of the absorption bands may continue be provided either by the composition of the pomegranate by addition or exchange materials or else by adding more To shift doping materials. It can be so the central wavelength of maximum absorption in an ideal manner adapted to the specific required laser wavelength become.
Hierbei hat in der Anwendung das genannte Absorptionsmaterial den besonderen Vorteil, dass es neben der Absorption bei der gewünschten Laserwellenlänge keine Besetzungsinversion bei Bestrahlung mit Pumplicht aufbaut.in this connection has in the application said absorption material the particular Advantage that it is in addition to the absorption at the desired Laser wavelength does not build up a population inversion when irradiated with pump light.
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