DE102007049329A1

DE102007049329A1 - Arrangement for laser system, particularly solid laser system and optical amplification device, and for optical amplification of light beam, comprises two lenses and polarization rotating unit

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Publication number: DE102007049329A1
Application number: DE200710049329
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-04-16

Abstract

The arrangement comprises two lenses (L1,L2) and polarization rotating unit, which are arranged between opposite end surfaces (1a,2a) of two stretched elements (1,2). The two stretched elements are made of an optical active material. The polarization rotating unit (QR) is formed between the former lens and the end surface of the stretched element.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verstärken eines Lichtstrahls, ein Lasersystem sowie eine optische Verstärkereinrichtung.The The invention relates to an arrangement for reinforcing a Light beam, a laser system and an optical amplifier device.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Anordnungen zum Verstärken eines Lichtstrahls werden benutzt, um einen Lichtstrahl bestimmter Intensität zu verstärken, so dass ein verstärkter Lichtstrahl mit erhöhter Intensität entsteht. Dieses erfolgt üblicherweise dadurch, dass der Lichtstrahl einmal oder mehrmals ein optisch aktives Material durchläuft. Um die Verstärkungsfunktion zu erfüllen, kann das aktive Material optisch gepumpt werden, wie es beispielsweise für Festkörperlasersysteme bekannt. Die optisch aktiven Materialien liegen hierbei üblicherweise in Form von Laserstäben vor. Mehrere Laserstäbe können in einem Lasersystem in einer seriellen Anordnung verwendet werden. Auch eine Nachverstärkung eines zuvor erzeugten Laserstrahls in einem nachgeschalteten Verstärker kann vorgesehen sein.arrangements to amplify a ray of light are used to make a To amplify a light beam of a certain intensity, so that a reinforced light beam with increased Intensity arises. This is usually done in that the light beam one or more times an optically active Material passes through. To the amplification function to fulfill, the active material can be optically pumped, as for example for solid-state laser systems known. The optically active materials are usually in the form of laser rods. Several laser rods can in a laser system in a serial arrangement be used. Also an amplification of a previously generated laser beam in a downstream amplifier can be provided.

Die Verbesserung der Strahlqualität bei Festkörperlasersystemen ist ein wichtiges Forschungsgebiet im Bereich der Lasertechnologie. Es sind verschiedene Lösungsansätze basierend auf unterschiedlichen Pump- und Kühlungstechniken vorgeschlagen worden, um verbesserte Festkörperlaser zu schaffen. Ein hierbei auftretendes Problem besteht in dem Entstehen so genannter thermischer Linsen beim optischen Pumpen von Festkörperlasern, die sich in den optischen aktiven Materialien (Laserstäben) aufgrund des thermischen Energieeintrags bilden. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wurden Maßnahmen zur Doppelbrechungskompensation vorgeschlagen. Es wurde gefunden, dass für eine effiziente Doppelbrechungskompensation Hauptebenen der entstehenden thermischen Linsen bei Mehrstabfestköperlasern aufeinander abgebildet werden müssen (vgl. Lü et al., Optical arid Quantum Electronics 28 (1996), Seiten 57 bis 69 ; Scott et al., Applied Optics 18 (1971), Seiten 3/4 ; Ostermeyer et al., Applied Optics 41 (2002), Seiten 7573 bis 7582 ). Hierzu wird von Lü et al. ein Teleskop mit zwei Linsen gleicher Brennweite vorgeschlagen. Eine weiterhin vorgesehene Polarisationsdreheinrichtung ist entweder zwischen den beiden Linsen oder einer der beiden Linsen und einen der beiden identischen Laserstäbe angeordnet.The improvement of the beam quality in solid-state laser systems is an important field of research in the field of laser technology. Various approaches have been proposed based on different pumping and cooling techniques to provide improved solid state lasers. A problem that arises here is the emergence of so-called thermal lenses in the optical pumping of solid-state lasers that form in the optically active materials (laser rods) due to the thermal energy input. To counteract this effect, measures for birefringence compensation have been proposed. It has been found that for efficient birefringence compensation, principal planes of the resulting thermal lenses must be imaged onto each other in multi-rod fixed-wave lasers (cf. Lü et al., Optical arid Quantum Electronics 28 (1996), pages 57-69 ; Scott et al., Applied Optics 18 (1971), pages 3/4 ; Ostermeyer et al., Applied Optics 41 (2002), pages 7573-7582 ). This is done by Lü et al. proposed a telescope with two lenses of the same focal length. A further provided polarization rotator is arranged either between the two lenses or one of the two lenses and one of the two identical laser rods.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum optischen Verstärken eines Lichtstrahls anzugeben, bei der die nachteilige Wirkungen thermischer Linsen in verbesserter Art und Weise vermieden werden.task The invention is an arrangement for optical amplification indicate a beam of light at which the adverse effects Thermal lenses are avoided in an improved manner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zum optischen Verstärken eines Lichtstrahls nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin sind ein Lasersystem nach dem unabhängigen Anspruch 6 sowie eine optische Verstärkereinrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 7 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.These Object is achieved by an arrangement for optically amplifying a light beam after the independent one Claim 1 solved. Furthermore, a laser system after independent claim 6 and an optical amplifier device created according to the independent claim 7. advantageous Embodiments are the subject of dependent claims.

Die Erfindung umfasst den Gedanken einer Anordnung zum optischen Verstärken eines Lichtstrahls, bei der zwischen gegenüberliegenden Endflächen eines gestreckten Elementes aus optisch aktivem Material und eines weiteren gestreckten Elementes aus optisch aktivem Material eine erste und eine zweite Linse sowie eine Polarisationsdreheinrichtung angeordnet sind, wobei die Polarisationsdreheinrichtung zwischen der ersten Linse und der Endfläche des gestreckten Elementes gebildet ist und wobei wenigstens eine der folgenden Konstruktionsmerkmale erfüllt ist:

wobei s die jeweilige Länge des gestreckten Elementes und des weiteren gestreckten Elementes, f die jeweilige Fokuslänge der ersten und der zweite Linse, l die Dicke der Polarisationsdreheinrichtung, d₂ der Abstand zwischen einer Hauptebene der zweiten Linse und der Endfläche des weiteren gestreckten Elementes, d₂ der Abstand zwischen einer Hauptebene der ersten Linse und der Endfläche des gestreckten Elementes, n₀ der Brechungsindex des optisch aktiven Materials, n₁ der Brechungsindex von Luft und n₂ der Brechungsindex eines Materials der Polarisationsdreheinrichtung sind.The invention encompasses the idea of an arrangement for optically amplifying a light beam, in which a first and a second lens and a polarization rotator are arranged between opposite end faces of a stretched element of optically active material and another stretched element of optically active material, wherein the polarization rotator between is formed of the first lens and the end face of the stretched element, and wherein at least one of the following design features is satisfied:

where s is the respective length of the elongate element and the further elongated element, f the respective focal length of the first and the second lens, l the thickness of the polarization rotator, d ₂ the distance between a principal plane of the second lens and the end face of the further elongated element, d _{2 is} the distance between a principal plane of the first lens and the end face of the stretched element, n _{0 is} the refractive index of the optically active material, n _{1 is} the refractive index of air, and n _{2 is} the refractive index ei nes material of the polarization rotator are.

Bei der geschaffenen Anordnung werden nachteilige Wirkungen thermischer Linsen in verbesserter Art und Weise vermieden, da eine neuartige Kompensation der Doppelbrechung vorgesehen ist.at the arrangement created adverse effects of thermal Lenses avoided in an improved manner, as a novel Compensation of the birefringence is provided.

Die gestreckten Elemente aus optisch aktivem Material können aus dem gleichen Material oder unterschiedlichen Materialien sein, wenn sie hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften gleich sind und somit ein gleiches Verhalten zeigen.The stretched elements of optically active material can be made of the same material or different materials, if they are the same in terms of their optical properties and thus show the same behavior.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das gestreckte Element und das weitere gestreckte Element mit einer symmetrischen Strahlprofilcharakteristik gebildet sind.A preferred development of the invention provides that the stretched Element and the other elongated element with a symmetrical Beam profile characteristic are formed.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das gestreckte Element und das weitere gestreckte Element mit einer asymmetrischen Strahlprofilcharakteristik gebildet sind.at an expedient embodiment of the invention can be provided that the stretched element and the other elongated element with an asymmetric beam profile characteristic are formed.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das gestreckte Element und das weitere gestreckte Element aus einem optisch aktiven Festkörpermaterial sind.A advantageous embodiment of the invention provides that the stretched element and the further elongated element of one are optically active solid state material.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das optisch aktive Festkörpermaterial ein Material aus der folgende Gruppe ist: Granat wie Nd:YAG, Nd:GSAG, Nd:YGG, Yb:YAG, Yb:GSAG, Yb:YGG, Vanadat wie Nd:GdVO₄, Nd:YVO₄, Yb:GdVO₄, Yb:YVO₄, Doppelwolframat wie Nd:KGd(WO₄)₂, Nd:NaGd(WO₄)₂, Nd:KLa(WO₄)₂, Yb:KGd(WO₄)₂, Yb:NaGd(WO₄)₂, Yb:KLa(WO₄)₂ und Nd, Er oder Yb dotierte Kristalle, Gläser oder Keramiken.In an expedient development of the invention, it can be provided that the optically active solid material is a material from the following group: garnet such as Nd: YAG, Nd: GSAG, Nd: YGG, Yb: YAG, Yb: GSAG, Yb: YGG, vanadate such as Nd: GdVO ₄ , Nd: YVO ₄ , Yb: GdVO ₄ , Yb: YVO ₄ , double tungstate such as Nd: KGd (WO ₄ ) ₂ , Nd: NaGd (WO ₄ ) ₂ , Nd: KLa (WO ₄ ) ₂ , Yb: KGd (WO ₄ ) ₂ , Yb: NaGd (WO ₄ ) ₂ , Yb: KLa (WO ₄ ) ₂ and Nd, Er or Yb doped crystals, glasses or ceramics.

Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das gestreckte Element und das weitere gestreckte Element als stabförmige Elmente gebildet sind.Prefers provides a development of the invention that the stretched element and the further elongated element as a rod-shaped element are formed.

Die Anordnung zum optischen Verstärken eines Lichtstrahls ist in verschiedenen Lasersystemen einsetzbar, insbesondere Festkörperlasersystemen, bei denen das gestreckte Element sowie das weitere gestreckte Element als Laserstäbe gebildet sind, die in einer bevorzugten Ausgestaltung in identischer Art und Weise ausgeführt sind. Bei dem Lasersystem kann es sich beispielsweise um ein Lasersystem vom cw-Typ handeln. Auch ein Einsatz der Anordnung in einer Nachverstärker kann vorgesehen sein, beispielsweise zum Verstärken eines Ausganges eines Lasersystems. Weiterhin kann eine Kombination des Einsatzes in einem Lasersystem und in einem nachgeschalteten Verstärker vorgesehen sein.The Arrangement for optically amplifying a light beam is can be used in various laser systems, in particular solid-state laser systems, in which the stretched element and the further elongated element are formed as laser rods, which in a preferred Embodiment are executed in an identical manner. For example, the laser system may be a laser system act of cw-type. Also, use of the arrangement in a post-amplifier may be provided, for example, for amplifying an output a laser system. Furthermore, a combination of the use in a laser system and in a downstream amplifier be provided.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der ErfindungDescription of preferred embodiments the invention

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigenThe Invention will be described below with reference to exemplary embodiments explained in more detail with reference to figures of a drawing. Show here

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum optischen Verstärken eines Lichtstrahls, 1 a schematic representation of an arrangement for optically amplifying a light beam,

2 eine Versuchsanordnung mit einem asymmetrischen Resonator mit Doppelbrechungskompensation, 2 an experimental setup with an asymmetric cavity with birefringence compensation,

3 eine graphische Darstellung für die Ausgangsenergie und die Energie depolarisierter Anteile in Abhängigkeit von der Pumpenergie für die Anordnung in 2 und 3 a graph of the output energy and the energy depolarized portions as a function of the pump energy for the arrangement in 2 and

4 graphische Darstellungen für die Ausgangsenergie in der TEM₀₀-Mode und ein Optimum der Pumpenergie für die Anordnung in 2. 4 graphical representations for the output energy in the TEM ₀₀ mode and an optimum of the pump energy for the arrangement in 2 ,

1 zeigt ein schematische Darstellung einer Anordnung zum optischen Verstärken eines Lichtstrahls mit zwei entlang einer optischen Achse angeordneten Laserstäben 1, 2. zwischen einander gegenüberliegenden Endflächen 1a, 2a der Laserstäbe 1, 2 sind eine erste Linse L1 und eine zweite Linde L2 in einem Abstand d₁ voneinander angeordnet. d₂ gibt den Abstand der Hauptebenen der beiden Linsen L1, L2 an, die in 1 mittels gestrichelter Linien gezeigt sind. Gemäß 1 ist zwischen der ersten Linse L1 und der Endfläche 1a eine Polarisationsdreheinrichtung QR angeordnet. Die Polarisationsdreheinrichtung QR weist zumindest im Bereich der optischen Achse eine Dicke 1 auf. 1 shows a schematic representation of an arrangement for optically amplifying a light beam with two along an optical axis arranged laser rods 1 . 2 , between opposite end surfaces 1a . 2a the laser rods 1 . 2 are a first lens L1 and a second linden L2 at a distance d ₁ from each other. d ₂ indicates the distance between the principal planes of the two lenses L1, L2, which are in 1 are shown by dashed lines. According to 1 is between the first lens L1 and the end surface 1a a polarization rotator QR arranged. The polarization rotator QR has a thickness at least in the region of the optical axis 1 on.

Der Abstand der Hauptebene der ersten Linse L1 von der Endfläche 1a beträgt d₂', und der Abstand zwischen der Hauptebene der zweiten Linse L2 und der Endfläche 2a beträgt d₂. Die beiden Laserstäbe 1, 2 verfügen jeweils über eine Länge s.The distance of the main plane of the first lens L1 from the end surface 1a is d ₂ ', and the distance between the main plane of the second lens L2 and the end surface 2a is d ₂ . The two laser rods 1 . 2 each have a length s.

Im Betrieb werden die Laserstäbe 1, 2 optisch gepumpt, in dem Licht aus einer Pumplichtquelle eingestrahlt wird, wodurch thermisch induzierte mechanische Spannungen in den isotropen Laserstäben 1, 2 entstehen, die ihrerseits zur Doppelbrechung für die die Laserstäbe 1, 2 in Richtung der optischen Achse durchlaufenden Lichtstrahlen führen. Beim Nutzen der gezeigten Anordnung in einem Laser weist das lokale Laserfeld in dem zugehörigen Laserre sonator dann zwei Polarisationskomponenten entlang der radialen und der tangentialen Richtung auf. Lichtstrahlen, die durch die doppelbrechenden Laserstäbe 1, 2 gelangen, werden depolarisiert, d. h. der Laserstrahl wird räumlich strukturiert. Dieses führt zu Verlusten und folglich zur Verminderung der Effizienz. In folgenden wird erläutert, wie die auftretenden Doppelbrechungseffekte erfindungsgemäß kompensiert werden.In operation, the laser rods 1 . 2 optically pumped, in which light is irradiated from a pumping light source, whereby thermally induced mechanical stresses in the isotropic laser rods 1 . 2 which, in turn, cause birefringence for the laser rods 1 . 2 lead in the direction of the optical axis passing light rays. In utilizing the arrangement shown in a laser, the local laser field in the associated laser resonator then has two polarization components along the radial and tangential directions. Light rays passing through the birefringent laser rods 1 . 2 arrive are depolarized, ie the laser beam is spatially structured. This leads to losses and consequently to the reduction of the efficiency. In the following it is explained how the occurring birefringence effects are compensated according to the invention.

Die optische Matrix M_OS des zwischen den beiden Endflächen 1a, 2a gebildeten optischen Systems ergibt sich zu:

The optical matrix M _OS of between the two end faces 1a . 2a formed optical system results in:

Eine vollständige Doppelbrechungskompensation wird erreicht, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: a0 = d0 (2) 2n20 b0 + s2c0 + 2n0sd0 = 0 (3) a0d0 – b0c0 = 1. (4) Full birefringence compensation is achieved when the following conditions are met: a 0 = d 0 (2) 2n 2 0 b 0 + s 2 c 0 + 2n 0 sd 0 = 0 (3) a 0 d 0 - b 0 c 0 = 1. (4)

n₀ ist der Brechungsindex in der Mitte der Laserstäbe 1, 2. Wird die Dicke der Polarisationsdreheinrichtung QR vernachlässigt, ergibt sich für die Bedingung zur vollständigen Doppelbrechungskompensation:

wobei f die Fokuslänge der beiden Linsen L1 und L2 ist, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer gleichen Fokuslänge gebildet sind. Diese Bedingung bedeutet, dass die Hauptebenen der zwei Laserstäbe 1, 2 aufeinander optisch abgebildet werden.n ₀ is the refractive index in the middle of the laser rods 1 . 2 , If the thickness of the polarization rotator QR is neglected, the condition for complete birefringence compensation results:

where f is the focal length of the two lenses L1 and L2, which are formed in the illustrated embodiment with a same focal length. This condition means that the main planes of the two laser rods 1 . 2 be imaged optically.

Wird die Dicke l der Polarisationsdreheinrichtung QR berücksichtigt, so ergibt sich für die vollständige optische Matrix M_OS zwischen der Endfläche 1a und der Endfläche 2a:

wobei n₁ und n₂ die Brechungsindizes für Luft und das Material der Polarisationsdreheinrichtung QR sind. Aus den Gleichungen (6) und (2) ergibt sich folgende Bedingung: d1 = 2f If the thickness l of the polarization rotator QR is taken into account, the result for the complete optical matrix M _{OS is} between the end face 1a and the endface 2a :

where n ₁ and n _{2 are} the refractive indices for air and the material of the polarization rotator QR. From equations (6) and (2) the following condition results: d 1 = 2f

Die Matrix in Gleichung (6) kann dann wie folgt vereinfacht werden:

The matrix in equation (6) can then be simplified as follows:

Es ergibt sich ohne weiteres, dass die Gleichung (4) bereits erfüllt ist. Soweit es die Gleichung (3) betrifft, sollte die folgende Bedingung erfüllt sein:

It is clear that equation (4) is already satisfied. As far as the equation (3) is concerned, the following condition should be satisfied:

Es gibt zwei einfache und wichtige Lösungen, die die Gleichung (8) erfüllen. Im ersten Fall wird d₂ gemäß Gleichung (5) gewählt, d. h.

wodurch sich ergibt:

There are two simple and important solutions that satisfy equation (8). In the first case, d _{2 is} chosen according to equation (5), ie

which results in:

Aus dem Vergleich der Gleichung (9) und (5) ergibt sich, dass d₂ um den Wert

erhöht wird, was die Folge des Einführens der Polarisationsdreheinrichtung QR ist. Im zweiten Fall wird d = d₂' gewählt, so dass:

From the comparison of the equations (9) and (5) it follows that d _{2 is} around the value

is increased, which is the result of introducing the polarization rotator QR. In the second case d = d ₂ 'is chosen so that:

Dieses bedeutet, dass d₂ und d₂' um den Ausdruck

vergrößert werden.This means that d ₂ and d ₂ 'are around the expression

be enlarged.

Obwohl die Gleichungen (9) und (10) verschieden sind, bedeuten beiden Gleichungen, dass die Hauptebenen der zwei Laserstäbe 1, 2 unter Berücksichtigung der Dicke der Polarisationsdreheinrichtung QR aufeinander abgebildet werden.Although equations (9) and (10) are different, both equations mean that the principal planes of the two laser rods 1 . 2 taking into account the thickness of the polarization rotator QR can be imaged on each other.

Wird beispielsweise von einem Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm ausgegangen, beträgt die Dicke l der Polarisationsdreheinrichtung QR etwa 15 mm, und der Wert von

ist etwa 5 mm.For example, assuming a Nd: YAG laser with a wavelength of 1064 nm, the thickness l of the polarization rotator QR is about 15 mm, and the value of

is about 5 mm.

Die vorangehend beschriebenen Konstruktionseigenschaften tragen in besonderer Weise dem Umstand Rechnung, dass eine nicht korrekte Ausrichtung der Laserstäbe 1, 2 in Längsrichtung einen besonders großen Einfluss auf den Effekt der Doppelbrechungskompensation hat, insbesondere bei hohen Pumpenergien. Die Depolarisation hängt vom Quadrat des Verhältnisses zwischen der nicht korrekten Anordnung und der Fokuslänge der thermischen Linse ab. Eine Abweichung von etwa 5 mm bei der Ausrichtung eines Laserstabs kann zu einer 30%igen Verminderung des Depolarisationsverhältnisses führen, wenn die Gesamtpumpenergie 12 kW beträgt (vgl. Kugler et a1., Applied Optics 36 (1997), Seite 9359 ).The construction properties described above take into special account the fact that an incorrect alignment of the laser rods 1 . 2 longitudinally has a particularly large influence on the effect of birefringence compensation, especially at high pump powers. The depolarization depends on the square of the ratio between the incorrect arrangement and the focal length of the thermal lens. A deviation of about 5 mm in the alignment of a laser rod can lead to a 30% reduction of the depolarization ratio if the total pump energy is 12 kW (cf. Kugler et al., Applied Optics 36 (1997), page 9359 ).

Die vorangehend beschriebenen Konstruktionseigenschaften für Anordnung zum optischen Verstärken eines Lichtstrahls wurden weiterhin experimentell analysiert. Dies wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 näher erläutert.The construction properties described above for the arrangement for optically amplifying a light beam were further analyzed experimentally. This will be explained below with reference to the 2 to 4 explained in more detail.

2 zeigt eine experimentelle Anordnung mit einem asymmetrischen Resonator mit Doppelbrechungskompensation unter Berücksichtigung der vorangehend beschriebenen Konstruktionsmerkmale. Im unteren Teil der 2 sind Strahlprofilcharakteristika in Form des Strahlradius für den asymmetrischen Resonator dargestellt. 2 shows an experimental arrangement with an asymmetric cavity with birefringence compensation, taking into account the design features described above. In the lower part of the 2 For example, beam profile characteristics in the form of the beam radius for the asymmetric resonator are shown.

Gemäß 2 umfasst die Anordnung eine Auskoppeleinrichtung 20 sowie einen gegenüberliegend angeordneten Spiegel 21 mit hohem Reflektionsvermögen. Zwischen der Auskoppeleinrichtung 20 und dem Spiegel 21 sind die folgenden Elemente angeordnet: eine Brewster-Platte 22, eine erste Linse 23 mit einer Fokuslänge f1, ein erster Laserstab 24 aus Nd:YAG, eine Polarisationsdreheinrichtung 25, eine zweite Linse 26 mit einer Fokuslänge f2, eine dritte Linse 27 mit einer Fokuslänge f3 sowie ein zweiter Laserstab 28 aus Nd:YAG. Für die beiden Laserstäbe 24, 28 sind in 2 mittels gestrichelter Linien weiterhin zugeordnete Hauptebenen dargestellt.According to 2 the arrangement comprises a decoupling device 20 and a mirror arranged opposite 21 with high reflectivity. Between the decoupling device 20 and the mirror 21 The following elements are arranged: a Brewster plate 22 , a first lens 23 with a focal length f1, a first laser rod 24 from Nd: YAG, a polarization rotator 25 , a second lens 26 with a focal length f2, a third lens 27 with a focal length f3 and a second laser rod 28 from Nd: YAG. For the two laser rods 24 . 28 are in 2 represented by dashed lines continue associated main levels.

Das in 2 dargestellte System wird in cw-Betrieb betrieben. Die Laserstäbe weisen eine Länge von 177,8 mm sowie einen Durchmesser von 6,35 mm auf. Sie verfügen über eine 1,1 At.-% (Atomprozent) Dotierung mit Nd. Die Auskoppeleinrichtung 20 verfügt über ein Reflektionsvermögen von 60%. Sowohl die Auskoppeleinrichtung 20 als auch der Spiegel 21 sind als ebene Bauteile ausgeführt. Ein Abbildungssystem 30 implementiert ein 1:1 Teleskop, bei dem die Fokuslänge f2 der zweiten Linse 26 sowie die Fokuslänge f3 der dritten Linse 27 200 mm betragen. Von dem Abbildungssystem 30 ist weiterhin die Polarisationsdreheinrichtung 25 umfasst, bei der es sich um eine 90° Quarz-Polarisator handelt. Mit Hilfe des Abbildungssystems 30 wird eine vollständige Doppelbrechungskompensation erreicht. Die erste Linse 23 weist eine Fokuslänge von 75,6 mm auf und wurde genutzt, um die TEM₀₀-Modenbereich zu vergrößern.This in 2 shown system is operated in cw mode. The laser rods have a length of 177.8 mm and a diameter of 6.35 mm. They have a 1.1 at.% (Atomic percent) doping with Nd. The decoupling device 20 has a reflectance of 60%. Both the decoupling device 20 as well as the mirror 21 are designed as flat components. An imaging system 30 implements a 1: 1 telescope, where the focal length f2 of the second lens 26 and the focal length f3 of the third lens 27 200 mm. From the imaging system 30 is still the polarization rotator 25 which is a 90 ° quartz polarizer. With the help of the imaging system 30 a complete birefringence compensation is achieved. The first lens 23 has a focal length of 75.6 mm and was used to increase the TEM ₀₀ mode range.

3 zeigt eine graphische Darstellung der Ausgangsenergie und der Energie depolarisierter Anteile in Abhängigkeit von der Pumpenergie für die Anordnung in 2. 3 shows a graphical representation of the output energy and the energy depolarized portions as a function of the pump energy for the arrangement in 2 ,

Die optimierte polarisierte Ausgangsenergie beträgt etwa 61 W, was ein sehr guter Wert für ein lampengepumptes Lasersystem ist. Die Energie depolarisierter Anteile wurde mittels der Reflexion der Brewster-Platte 22 gemessen. Es kann das folgende Depolarisationsverhältnis definiert werden:

wobei P_dep die depolarisierte Energie, P_i und P₀ die Energie in dem Resonator und außerhalb des Resonators sind. T_oc ist das Transmissionsvermögen der Auskoppeleinrichtung 20. Unter Verwendung der Doppelbrechungskompensation wurde ein Depolarisationsverhältnis von etwa 2.7% bei maximalem Ausgang gemessen.The optimized polarized output energy is about 61 W, which is a very good value for a lamp pumped laser system. The energy of depolarized portions was determined by the reflection of the Brewster plate 22 measured. The following depolarization ratio can be defined:

where P _{dep is} the depolarized energy, P _i and P _{0 are} the energy in the resonator and outside the resonator. T _oc is the transmissivity of the coupling-out device 20 , Using birefringence compensation, a depolarization ratio of about 2.7% at maximum output was measured.

4 zeigt graphische Darstellungen für die Ausgangsenergie in der TEM₀₀-Mode (Vierecke, linke Skala) und ein Optimum der Pumpenergie (Punkte, rechte Skala) für die Anordnung in 2. 4 shows graphs for the output energy in the TEM ₀₀ mode (quadrilaterals, left scale) and an optimum of the pumping energy (dots, right scale) for the arrangement in FIG 2 ,

Für die graphische Darstellung auf der linken Seite in 4 wurde der Abstand d₁ variiert, wohingegen d₂ und Δ₁ fest blieben. Die Ausgangsenergie zeigt eine parabolische Abhängigkeit von d₁. Für die graphische Darstellung auf der rechten Seite in 4 wurde d₂ variiert, während d₁ und Δ₁ festgehalten wurden. Es ergibt sich, dass d₂ einen geringen Einfluss auf die Ausgangsenergie hat, wohingegen der Einfluss auf den dynamischen Arbeitspunkte bedeutend ist, d. h. die optimierte Pumpenergie.For the graphic representation on the left in 4 the distance d _{1 was} varied while d ₂ and Δ ₁ remained fixed. The output energy shows a parabolic dependence of d ₁ . For the graphic representation on the right in 4 d _{2 was} varied while d ₁ and Δ _{1 were} recorded. It turns out that d ₂ has little influence on the output energy, whereas the influence on the dynamic operating points is significant, ie the optimized pump energy.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.The in the above description, the claims and the Drawing disclosed features of the invention can both individually or in any combination for the realization the invention in its various embodiments be significant.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Lü et al., Optical arid Quantum Electronics 28 (1996) pp 57-69 [0003]
Scott et al., Applied Optics 18 (1971), pages 3/4 [0003]
- Ostermeyer et al., Applied Optics 41 (2002), pages 7573 to 7582 [0003]
Lü et al. [0003]
Kugler et al., Applied Optics 36 (1997), page 9359 [0034]

Claims

Arrangement for optically amplifying a light beam, in which between opposite end surfaces ( 1a . 2a ) of a stretched element ( 1 ) of optically active material and another elongated element ( 2 ) of optically active material, a first and a second lens (L1, L2) and a polarization rotator (QR) are arranged, wherein the polarization rotator (QR) between the first lens (L1) and the end face ( 2a ) of the stretched element ( 1 ) and wherein at least one of the following design features is fulfilled:

where s is the respective length of the stretched element ( 1 ) and the further elongated element, f the respective focal length of the first and the second lens (L1, L2), l the thickness of the polarization rotator (QR), d ₂ the distance between a principal plane of the second lens (L2) and the end face ( 1a ) of the further elongate element ( 2 ), d ' _{2 is} the distance between a main plane of the first lens (L1) and the end face (FIG. 1a ) of the stretched element ( 1 ), n _{0 is} the refractive index of the optically active material, n _{1 is} the refractive index of air, and n _{2 is} the refractive index of a material of the polarization rotator (QR).

Arrangement according to claim 1, characterized in that the stretched element ( 1 ) and the further elongated element ( 2 ) are formed with a symmetrical beam profile characteristic.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the stretched element ( 1 ) and the further elongated element ( 2 ) are formed with an asymmetric beam profile characteristic.

Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the stretched element ( 1 ) and the further elongated element ( 2 ) are of an optically active solid state material.

Arrangement according to claim 4, characterized in that the optically active solid material is a material of the following group: garnet such as Nd: YAG, Nd: GSAG, Nd: YGG, Yb: YAG, Yb: GSAG, Yb: YGG, vanadate as Nd : GdVO ₄ , Nd: YVO ₄ _, Yb: GdVO ₄ , Yb: YVO ₄ , double tungstate such as Nd: KGd (WO ₄ ) ₂ , Nd: NaGd (WO ₄ ) ₂ , Nd: KLa (WO ₄ ) ₂ , Yb: KGd (WO ₄ ) ₂ , Yb: NaGd (WO ₄ ) ₂ , Yb: KLa (WO ₄ ) ₂ and Nd, Er or Yb doped crystals, glasses or ceramics.

Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the stretched element ( 1 ) and the further elongated element ( 2 ) are formed as a rod-shaped Elmente.

Laser system, in particular solid-state laser system, with an arrangement according to at least one of the preceding claims.

Optical amplifier device with a Arrangement according to at least one of claims 1 to 6.