DE102007054846A1 - High-energy laser source - Google Patents

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Antoine Dr. Hirth
Marc Dr. Eichhorn
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Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft vor allem den Bereich Laser und insbesondere eine Laserquelle mit Pumpvorrichtungen (2), die einen ersten Kristall (3) enthalten und dazu geeignet sind, einen zweiten Kristall (4) zu pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall (3) Thulium-dotiert ist und aus einem dünnen Plättchen besteht.The present invention relates in particular to the field of lasers, and more particularly to a laser source with pumping devices (2) containing a first crystal (3) and capable of pumping a second crystal (4), characterized in that the first crystal (3 ) Is thulium-doped and consists of a thin platelet.

Description

Die Erfindung betrifft vor allem den Bereich Laser und insbesondere eine Laserquelle, die dazu geeignet ist, bei augensicheren Wellenlängen und mit hoher Energie zu emittieren.The The invention relates in particular to the field of lasers and in particular a laser source that is suitable at eye safe wavelengths and with to emit high energy.

Wenn es sich um Hochenergie-Laserquellen handelt, ist die Augensicherheit von Laserquellen ein entscheidendes Problem. Zweifellos sind die Risiken in den industriellen und militärischen Bereichen, in denen solche Laserquellen verwendet werden, am größten. Dennoch werden aus wirtschaftlichen und strategischen Gründen nach wie vor eher Quellen mit dem günstigsten Raumbedarf und Wirkungsgrad bevorzugt, anstatt das Risiko für die Augen zu berücksichtigen. In Einrichtungen der Industrie, in denen die Quellen fest installiert sind, kann das Personal geschützt werden. Anders verhält es sich hingegen bei militärischen Anwendungen. Die Wahl eines Sauerstoff-Jod-Lasers mit einer Emission bei 1.315 μm als Hochenergie-Quelle im militärischen Bereich ist äußerstenfalls akzeptabel, sofern der Laser in großer Höhe eingesetzt wird, sodass das angesprochene Risiko nicht wirklich besteht. Zudem hat der Nd:YAG-Laser mit einer Emission bei 1.06 μm seit der Entwicklung von Pumpdioden, deren Wirkungsgrad 70% bis 80% erreichen kann, enorm an Bedeutung gewonnen, sodass diese Quelle als Hochenergie-Quelle für militärische Anwendungen gewählt wurde. Allerdings wurden für diesen Laser zahlreiche technologische Fortschritte erzielt, wodurch sein Potential als Hochenergie-Laser erhöht wurde.If it is high-energy laser sources, eye safety Laser sources a crucial problem. Undoubtedly, they are Risks in industrial and military areas in which such laser sources are used the greatest. Nevertheless, from economic and strategic reasons still sources with the cheapest space requirements and efficiency rather than the risk for to take the eyes into account. In industrial facilities, where the sources are permanently installed are, the staff can be protected become. Different behavior whereas it is military Applications. The choice of an oxygen-iodine laser with an emission at 1,315 μm as a high energy source in the military Area is at the outset acceptable if the laser is used at high altitude, so the mentioned risk does not really exist. In addition, the Nd: YAG laser with an emission at 1.06 μm since the development of pump diodes, their efficiency 70% up 80% can achieve tremendous importance, so this source as a high energy source for military Applications was selected. However, were for This laser achieved numerous technological advances, thereby its potential has been increased as a high energy laser.

In dieser Hinsicht kennt man vor allem die Patentanmeldung 2003/0138021, in der eine Hochenergie-Laserquelle beschrieben wird, die mit einem aktiven Material des Typs Nd:YAG arbeitet, welches eine Struktur von geringer Dicke in Form eines dünnen Plättchens hat, damit der in Wärme umgewandelte Teil der Pumpenergie besser abgeleitet werden kann. Dieses dünne Plättchen wird mitunter auch als „Stab" bezeichnet.In In this respect, above all, the patent application 2003/0138021 is known, in which a high energy laser source is described, with an active Material of type Nd: YAG works, which has a structure of less Thickness in the form of a thin lamina has, so that in heat converted part of the pump energy can be better derived. This thin one Tile is sometimes referred to as a "rod".

Dieses dünne Plättchen ist quaderförmig, mit der Länge L, der Breite 2b und der Dicke h. Es enthält somit zwei Hauptflächen mit großem Querschnitt 2b.L und vier Sekundärflächen mit kleinerem Querschnitt, davon zwei Längsflächen mit dem Querschnitt L.h und zwei Querflächen mit dem Querschnitt 2b.h.This is thin platelets cuboid, with the length L, the width 2b and the thickness h. It thus contains two main surfaces with great Cross section 2b.L and four secondary surfaces with smaller cross section, of which two longitudinal surfaces with the cross section L.h and two transverse surfaces with the cross section 2b.h.

Bei diesem dünnen Plättchen mit einer geringen Dicke, die zwischen 0,4 und 1 mm und vorzugsweise 0,7 mm liegt, sind die drei Funktionen, mit denen die Laseremission möglich ist, entlang der drei Raumachsen verteilt:

  • – dieses dünne Plättchen wird mit einer Strahlung P gepumpt, die von Laserdiodenarrays erzeugt wird und durch eine oder zwei Längsflächen mit dem Querschnitt L.h in einer Richtung x ins Innere eindringt,
  • – die Laseremission erfolgt gemäß einer Achse y, die senkrecht zu x ist und sich in der Ebene des Plättchens befindet und durch die Querflächen mit dem Querschnitt 2b.h.
  • – die vom dünnen Plättchen geleitete Wärme, die aufgrund der Absorption des Pumpstrahls durch das Plättchen entsteht, wird mit bekannten Kühlvorrichtungen durch die Hauptflächen entlang einer Achse z, die senkrecht zu x und y ist, abgeleitet.
For this thin plate, which is between 0.4 and 1 mm thick and preferably 0.7 mm thick, the three functions that enable laser emission are distributed along the three spatial axes:
  • This thin plate is pumped with a radiation P, which is generated by laser diode arrays and penetrates through one or two longitudinal surfaces with the cross section Lh in a direction x inside,
  • The laser emission takes place in accordance with an axis y, which is perpendicular to x and which lies in the plane of the lamina and through the transverse surfaces with the cross section 2b.h.
  • The heat conducted by the thin plate due to the absorption of the pump beam by the wafer is dissipated with known cooling devices through the major surfaces along an axis z perpendicular to x and y.

Aufgrund reflektierender Beschichtungen oder Plättchen mit geringerem Index, zum Beispiel aus Saphir, die an beiden Seiten der zwei Hauptflächen angebracht sind, werden Laseremission und Pumplicht gesteuert. Die Länge des dünnen Plättchens, an dem entlang die Laseremission stattfindet, ist der Parameter, mit dem hohe Leistungen extrapoliert werden können.by virtue of reflective coatings or lower index platelets, for example, sapphire, which is attached to both sides of the two main surfaces are laser emission and pump light are controlled. The length of the thin plate, along which the laser emission takes place is the parameter with which high powers can be extrapolated.

Das größte Problem, das weiterhin besteht, hängt mit der besonderen Geometrie des emittierten Laserstrahls zusammen, nämlich ein Strahl, dessen Querschnitt ein Spalt mit sehr unterschiedlichen Divergenzen in beiden Richtungen ist und der aufgrund des Absorptionsgesetzes eine Inhomogenität des Intensitätsprofils in Richtung der Spaltbreite aufweist.The biggest problem which persists, hangs with the special geometry of the emitted laser beam together, namely a beam whose cross-section has a gap with very different Divergences in both directions and that is due to the law of absorption an inhomogeneity of the intensity profile has in the direction of the gap width.

Zusätzlich zu ihren eigentlichen Mängeln haben diese Hochenergie-Laserquellen den Nachteil, dass sie nicht bei einer augensicheren Wellenlänge emittieren, das heißt bei etwa über 1,5 μm.In addition to their real shortcomings have these high energy laser sources the disadvantage that they do not emit at an eye-safe wavelength, this means at about over 1.5 μm.

Zudem sind die Realisationen von J.I. Mackenzie et al. bekannt, die in dem Artikel „15 Watt diode side pumped Tm:YAG waveguide laser at 2 μm", in Electronics Letters vom 5. Juli 2001, Vol. 37 , N° 14 vorgeschlagen werden und eine augensichere Quelle betreffen, die dazu geeignet ist, bei einer Wellenlänge von 2,01 μm zu emittieren. Allerdings ermöglichen diese Realisationen lediglich Niedrigenergie-Laserquellen mit einer Leistung unter hundert Watt und ermöglichen in keiner Weise Hochenergie-Laserquellen mit einer Leistung über einem kW. Zudem ist der Absorptionskoeffizient der Pumpstrahlung von Ho:YAG bei 1.91 μm etwa zehnmal geringer als der von Nd:YAG, was zu einer Geometrie des Strahls führt, die noch weniger als die Geometrie des Strahls von Nd:YAG dazu geeignet ist, in einer ,Slab-Anordnung' eine hohe Leistung zu erbringen. Da die Pumpleistungsdichten sehr unterschiedlich sind, ist die Architektur mit zweireihigen Dioden des Nd:YAG Slab-Lasers ebenso wenig für Ho:YAG geeignet, zumal die verfügbaren Diodenleistungen bei 1.91 μm relativ schwach sind, d. h. unter 20 W pro Einheit.In addition, the realizations of JI Mackenzie et al. in the article "15W diode side pumped Tm: YAG waveguide laser at 2μm", in Electronics Letters of July 5, 2001, Vol. 37 , N ° 14, and relate to an eye-safe source capable of emitting at a wavelength of 2.01 μm. However, these implementations only enable low power laser sources with a power below one hundred watts and in no way allow high energy laser sources with a power above one kW. In addition, the absorption coefficient of the pump radiation of Ho: YAG at 1.91 μm is about ten times lower than that of Nd: YAG, which leads to a geometry of the beam which is even less suitable than the geometry of the beam of Nd: YAG in one, Slab arrangement 'to provide high performance. Since the pump power densities are very different, the dual-diode diode architecture of the Nd: YAG slab laser is equally inadequate for Ho: YAG, especially as the available diode powers at 1.91 μm are relatively weak, ie below 20 W per unit.

Ziel dieser Erfindung ist es, eine augensichere Laserquelle vorzuschlagen, die mit hoher Energie emittiert und die es unter anderem ermöglicht, schwach divergente Strahlen zu erhalten, die problemlos über weite Strecken transportiert werden können.The aim of this invention is an eye-safe To propose a laser source that emits with high energy and which allows, inter alia, to obtain slightly divergent rays that can be easily transported over long distances.

Die vorgeschlagene Lösung ist gemäß einer ersten Ausführungsform eine Laserquelle mit Pumpvorrichtungen, die einen ersten Kristall enthalten und dazu geeignet sind, einen zweiten Kristall zu pumpen; die Laserquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall Thulium-dotiert ist und aus einem dünnen Plättchen besteht.The suggested solution is according to a first embodiment a laser source with pumping devices comprising a first crystal contained and are adapted to pump a second crystal; the laser source is characterized in that the first crystal Thulium-doped and consists of a thin plate.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform, die es ermöglicht, sehr hohe Leistungen zu erhalten, enthält eine Laserquelle die ersten Pumpvorrichtungen, die dazu geeignet sind, die zweiten Pumpvorrichtungen zu pumpen, welche den genannten ersten Thulium-dotierten Kristall enthalten und selbst dazu geeignet sind, einen zweiten, Holmium-dotierten Kristall zu pumpen; der erste und der zweite Kristall sind beide im selben Resonator angebracht.According to one particular embodiment, the allows, To obtain very high powers, a laser source contains the first Pumping devices that are suitable, the second pumping devices to pump, which said first thulium-doped crystal and themselves suitable to a second, holmium-doped crystal to pump; the first and the second crystal are both in the same Resonator attached.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform hat das dünne Plättchen eine Dicke e von weniger als 1 cm und vorzugsweise unter 1 mm und eine Länge L und Breite 2b, von jeweils mehr als 1 cm.According to one particular embodiment has the thin one Tile a thickness e of less than 1 cm and preferably less than 1 mm and a length L and width 2b, each more than 1 cm.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das dünne Plättchen zwei Hauptflächen und mindestens drei Sekundärflächen, wobei die ersten Pumpvorrichtungen gegenüber wenigstens einer der genannten Sekundärflächen angebracht sind.According to one another embodiment contains the thin one Tile two main surfaces and at least three secondary surfaces, wherein the first pumping devices over at least one of said Secondary surfaces attached are.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist das Plättchen quaderförmig.According to one particular embodiment the tile cuboid.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der erste Kristall aus einem der folgenden Kristalle: Thulium-dotierter YAG, YALO, YVO4 oder KGW.According to a further embodiment, the first crystal consists of one of the following crystals: thulium-doped YAG, YALO, YVO 4 or KGW.

Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform enthält der Laser Vorrichtungen zur Kühlung der Hauptflächen des dünnen Plättchens.According to one additional Embodiment includes the laser Devices for cooling the main surfaces of the thin one Platelet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthalten die ersten Pumpvorrichtungen einen Aufbau bestehend aus gekoppelten Faser- Laseremittenten; diese Emitter bestehen vorzugsweise aus Dioden, die dazu geeignet sind, bei einer Wellenlänge von etwa 0,8 μm zu emittieren.According to one another embodiment For example, the first pumping devices include a structure consisting of coupled fiber laser emitters; these Emitters are preferably made of diodes suitable for at one wavelength of about 0.8 μm to emit.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die Hauptflächen mit einem Material mit geringerem Brechungsindex beschichtet, z. B. Saphir, wodurch ein Steuerungseffekt erzielt werden kann.According to one particular embodiment the main surfaces coated with a lower refractive index material, e.g. As sapphire, whereby a control effect can be achieved.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der zweite Kristall gegenüber einer der beiden Seitenflächen angebracht, die vorzugsweise an eine der Flächen gegenüber den ersten Pumpvorrichtungen angrenzt.According to one particular embodiment the second crystal opposite one of the two side surfaces attached, which preferably adjacent to one of the surfaces opposite the first pumping devices.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das dünne Plättchen dazu geeignet, eine Laserstrahlung senkrecht zu den von den ersten Pumpvorrichtungen emittierten Strahlungen zu emittieren.According to one another embodiment is the thin one Tile suitable for laser radiation perpendicular to that of the first To emit pumping devices emitted radiation.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform variiert die Konzentration an Dotierungsstoffen innerhalb des dünnen Plättchens und zwischen einer ersten Ebene, die durch eine Sekundärfläche entsteht, welche gegenüber den ersten Pumpvorrichtungen angebracht ist und einer zweiten Ebene des Plättchens, die parallel zu ersten Ebene ist und das Zentrum des Plättchens enthält; diese Konzentration ist vorzugsweise auf Höhe der ersten Ebene geringer als auf Höhe der zweiten Ebene.According to one another embodiment the concentration of dopants within the thin plate varies and between a first plane formed by a secondary surface, which across from the first pumping devices is mounted and a second level of the slide, which is parallel to the first level and the center of the tile contains; this concentration is preferably lower than the first level at height the second level.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform variiert die Konzentration N(x) an Dotierungsstoffen zwischen der ersten und der zweiten Ebene nach folgender Formel:

Figure 00040001
According to a particular embodiment, the concentration N (x) of dopants varies between the first and the second level according to the following formula:
Figure 00040001

T ist die Resttransmission und σ ist der Absorptionswirkungsquerschnitt.T is the residual transmission and σ is the absorption effect cross section.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung sowie den beigefügten Figuren hervor:Further Features and advantages of the present invention will be apparent the description of different embodiments of the invention and the attached Figures show:

In 1 werden die allgemeinen Bauelemente eines intracavitygepumpten Lasers, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, schematisch dargestellt.In 1 The general components of an intracavity pumped laser, according to one embodiment of the invention, are shown schematically.

2 zeigt die schematische Darstellung eines dünnen Plättchens, das im Rahmen dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. 2 shows the schematic representation of a thin plate, which is used in the context of this embodiment of the invention.

In 3 wird ein Längsschnitt von Vorrichtungen zur Lenkung der Strahlungen und zur Kühlung des dünnen Plättchens schematisch dargestellt.In 3 is a longitudinal section of devices for directing the radiation and for cooling the thin plate is shown schematically.

In 4 wird ein Längsschnitt von Vorrichtungen zur Lenkung der Strahlungen und zur Kühlung des dünnen Plättchens gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch dargestellt.In 4 FIG. 2 schematically illustrates a longitudinal section of devices for directing the radiation and for cooling the thin plate according to a second embodiment.

In 5 werden Vorrichtungen zur Formung der Strahlung, die von den ersten Pumpvorrichtungen ausgeht, gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch dargestellt.In 5 According to a second embodiment, devices for shaping the radiation emanating from the first pumping devices are shown schematically.

Die 6a und 6b zeigen die Konzentration an Dotierungsstoffen innerhalb des dünnen Plättchens, wenn es auf einer Längsseite und wenn es auf zwei Längsseiten gepumpt wird.The 6a and 6b show the concentration of dopants within the thin plate when it is pumped on one long side and when it is pumped on two long sides.

In 1 werden die allgemeinen Bauelemente einer augensicheren Laserquelle, die mit hoher Energie emittiert, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, schematisch dargestellt. Sie enthält erste Pumpvorrichtungen 1 zum Pumpen zweiter Pumpvorrichtungen 2, die einen ersten Thulium-dotierten Kristall in Form eines dünnen Plättchens 3 enthalten; diese zweiten Vorrichtungen 2 sind selbst dazu geeignet, einen zweiten Holmium-dotierten Kristall 4 zu pumpen; der erste und zweite Kristall sind im selben Resonator 5 angebracht.In 1 For example, the general components of an eye-safe laser source emitting at high energy, according to one embodiment of the invention, are shown schematically. It contains first pumping devices 1 for pumping second pumping devices 2 containing a first thulium-doped crystal in the form of a thin plate 3 contain; these second devices 2 are themselves suitable to a second holmium-doped crystal 4 to pump; the first and second crystals are in the same resonator 5 appropriate.

Die Thulium-Dotierung ist vorzugsweise höher oder gleich 2%, sogar höher, während der zweite Kristall Holmium-dotiert ist, mit einem Wert von vorzugsweise unter 1%, z. B. von 0,3%.The Thulium doping is preferably higher than or equal to 2%, even higher, during the second crystal is holmium-doped, with a value of preferably below 1%, z. B. of 0.3%.

Die zweiten Pumpvorrichtungen bestehen aus einem Laserresonator 5, im Folgenden erster Resonator genannt, in dem ein erster Kristall 2 in Form eines dünnen Plättchens 3 platziert ist und der von zwei Spiegeln 6 und 7 begrenzt wird, die jeweils, zum Resonator hin, eine Beschichtung 8 und 9 haben, die bei der Laseremissionswellenlänge dieses ersten Kristalls reflektierend ist, d. h. bei einer Wellenlänge von etwa 1,9 μm.The second pumping devices consist of a laser resonator 5 , hereinafter called first resonator, in which a first crystal 2 in the form of a thin plate 3 is placed and that of two mirrors 6 and 7 is limited, each, to the resonator out, a coating 8th and 9 which is reflective at the laser emission wavelength of this first crystal, that is, at a wavelength of about 1.9 μm.

Wie in 2 gezeigt, ist dieses dünne Plättchen quaderförmig mit der Länge L, der Breite 2b und der Dicke h. Es enthält somit zwei Hauptflächen 10 mit dem Querschnitt 2b.L und vier Sekundärflächen mit kleinerem Querschnitt, davon zwei Längsflächen 11 mit dem Querschnitt L.h und zwei Querflächen 12 mit dem Querschnitt 2b.h.As in 2 shown, this thin plate is cuboid with the length L, the width 2b and the thickness h. It thus contains two main surfaces 10 with the cross section 2b.L and four secondary surfaces with a smaller cross section, two longitudinal surfaces 11 with the cross section Lh and two transverse surfaces 12 with the cross section 2b.h.

Dieses dünne Plättchen 3 ist eine Struktur aus einem soliden Lasermaterial mit geringer Dicke von einigen Zehntel bis zu 1 mm, in der die 3 Funktionen, mit denen die Laseremission möglich ist, entlang der drei Raumachsen verteilt sind:

  • – dieses dünne Plättchen 3 wird mit einer Strahlung P durch eine oder zwei Längsseiten 11 mit dem Querschnitt L.h und in eine Richtung x gepumpt,
  • – die Laseremission erfolgt entlang einer Achse y, die senkrecht zu x ist und sich in der Ebene des Plättchens befindet und verläuft durch die Querflächen 12 mit dem Querschnitt 2b.h.
  • – die vom dünnen Plättchen 3 geleitete Wärme, die aufgrund der Absorption des Pumpstrahls P durch das Plättchen entsteht, wird mit bekannten, nicht dargestellten Vorrichtungen durch die Hauptflächen entlang einer Achse z, die senkrecht zu x und y ist, abgeleitet.
This thin plate 3 is a structure of a solid laser material with a small thickness of a few tenths up to 1 mm, in which the 3 functions, with which the laser emission is possible, are distributed along the three spatial axes:
  • - this thin plate 3 with a radiation P through one or two long sides 11 with the cross section Lh and pumped in a direction x,
  • - The laser emission is along an axis y, which is perpendicular to x and is located in the plane of the plate and passes through the transverse surfaces 12 with the cross section 2b.h.
  • - those of the thin plate 3 conducted heat, which is due to the absorption of the pumping beam P through the plate is derived with known devices, not shown, through the major surfaces along an axis z, which is perpendicular to x and y.

Das dünne Plättchen 3 sollte es ermöglichen, die Laseremission während der Durchquerung auf ganzer Länge L und das Pumplicht auf dem gesamten Weg 2b zu lenken. Hierzu kann dieses Plättchen zwischen zwei weitere Plättchen 41, 42 mit geringerem Brechungsindex, z. B. aus Saphir, platziert werden und so, wie in 3 dargestellt, die Möglichkeit für einen Wellenleiter mit der numerischen Apertur 0.47 geben und es können Kühlvorrichtungen 43 des Plättchens 3, in diesem Fall mit Wasser gekühlte Kupferplatten 44, 45, oberhalb der Saphir-Plättchen 41, 42 platziert werden. Eine weitere in 4 dargestellte Möglichkeit ist die Beschichtung des dünnen Plättchens mit Schichten 46, 47, die für die Pumpe und das von dem Thulium-dotierten Plättchen emittierte Laserlicht vollständig reflektierend sind und die Platzierung von Kühlvorrichtungen 44, 45 oberhalb jeder der genannten reflektierenden Schichten 46, 47.The thin plate 3 should make it possible to direct the laser emission during full-length traversal L and the pump light along the entire path 2b. For this purpose, this tile between two more platelets 41 . 42 with a lower refractive index, z. B. of sapphire, and so, as in 3 given the possibility for a waveguide with the numerical aperture 0.47 and there may be cooling devices 43 of the slide 3 , in this case water-cooled copper plates 44 . 45 , above the sapphire platelets 41 . 42 to be placed. Another in 4 Possibility shown is the coating of the thin plate with layers 46 . 47 which are completely reflective to the pump and the laser light emitted by the thulium-doped wafer, and the placement of cooling devices 44 . 45 above each of said reflective layers 46 . 47 ,

Die ersten Pumpvorrichtungen bestehen aus Lasersendern 13, im vorliegenden Fall Dioden, die mit Hilfe optischer Fasern 14 an zumindest eine der Längsflächen gekoppelt sind. Diese Einheiten sind unter dem Namen fasergekoppelten Dioden 15 bekannt und ermöglichen den Erhalt von Pumpstrahlen P mit einer Pumpleistungsdichte im Bereich von Kilowatt pro cm2 und einer allgemeinen Pumpleistung von mehreren kW. Diese Dioden emittieren in diesem Ausführungsbeispiel bei einer Wellenlänge von ungefähr 0,8 μm.The first pumping devices consist of laser transmitters 13 , in the present case diodes, using optical fibers 14 are coupled to at least one of the longitudinal surfaces. These units are called fiber-coupled diodes 15 and make it possible to obtain pumping beams P with a pump power density in the range of kilowatts per cm 2 and a general pump power of several kW. These diodes emit in this embodiment at a wavelength of about 0.8 microns.

Befestigungsvorrichtungen 40 sind dazu geeignet, das Ende 17 der Fasern gegenüber der Längsfläche 11, an die sie gekoppelt sind, zu halten.fasteners 40 are suitable, the end 17 the fibers opposite the longitudinal surface 11 to which they are coupled to hold.

Wie in 5 dargestellt, können die Mittel zur Kopplung der Dioden an die Längsfläche 11 eventuell eine Optik 16 enthalten, z. B. eine Kollimationsoptik, die zwischen dem Ende 17 der Faserdioden und der genannten Längsfläche 11 angebracht ist.As in 5 shown, the means for coupling the diodes to the longitudinal surface 11 possibly an optic 16 included, for. B. a collimation optics between the end 17 the fiber diodes and said longitudinal surface 11 is appropriate.

Der zweite Kristall 4 ist in einem zweiten Resonator 18 angebracht, der von einem ersten Spiegel 19 begrenzt wird, welcher zum Resonator hin mit einer Beschichtung 20 versehen ist, die die Emissionswellen des zweiten Kristalls 4 reflektiert, nämlich bei 2,1 μm und von einem zweiten Auskoppelspiegel 21 mit einer Fläche, die zum Resonator 18 hin mit einer stark reflektierenden Beschichtung 22 bei 2,1 μm versehen ist und eine Reflektivität im Bereich von 95% bei dieser Wellenlänge aufweist.The second crystal 4 is in a second resonator 18 attached by a first mirror 19 which is limited to the resonator with a coating 20 which is the emission waves of the second crystal 4 reflected, namely at 2.1 microns and a second output mirror 21 with an area leading to the resonator 18 out with a highly reflective coating 22 is provided at 2.1 microns and has a reflectivity in the range of 95% at this wavelength.

Dieser zweite Kristall 4 ist stabförmig, seine Länge ist ungefähr gleich der Breite 2b des dünnen Plättchens 3 und er ist gegenüber einer der Querflächen 12 des Plättchens, im Innern des genannten Resonators 5, in demjenigen Abstand von dieser Querfläche angebracht, sodass die gesamte Strahlung 25 beim Austreten in den Kristall 4 eindringt, trotz der starken zweidimensionalen Divergenz dieser Strahlung.This second crystal 4 is rod-shaped, its length is approximately equal to the width 2 B of the thin plate 3 and he is opposite one of the transverse surfaces 12 of the platelet, inside the said resonator 5 , placed in the distance from this transverse surface, so that the entire beam lung 25 when exiting into the crystal 4 penetrates, despite the strong two-dimensional divergence of this radiation.

So wird dieser Ho:YAG-Stab im querschnittlichen Bereich direkt durch die Tm:YAG-Quelle gepumpt, ohne dass ein optisches System zur Erweiterung des Pumpstrahls benutzt werden muss, was dessen Realisierung vereinfacht und die Kompaktheit der Quelle verbessert.So This Ho: YAG rod will cross directly in the cross section The Tm: YAG source pumped without requiring an optical system for expansion of the pumping beam must be used, which simplifies its realization and the compactness of the source improved.

Die verwendeten ersten und zweiten Kristalle sind YAG-Kristalle (Yttrium- und Aluminium-Granat). Jeder andere Kristalltyp oder jede geeignete Kombination von Kristallen könnte jedoch ebenfalls verwendet werden, wie z. B. YSAG (Yttrium- und Scandium-Aluminium-Granat), YSGG (Yttrium- und Scandium-Gallium-Granat), YGG (Yttrium- und Gallium-Granat), GGG (Gallium- und Gadolinium-Granat), GSGG (Gadolinium- und Scandium-Gallium-Granat), GSAG (Gallium- und Gadolinium-Aluminium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat), YAP (Yttrium- und Aluminium- Perovskit), YLF (Yttrium- und Lithium-Fluorid), LuLF (Lutetium- und Lithium-Fluorid), YVO4 (Yttrium-Vanadat)...The first and second crystals used are YAG crystals (yttrium and aluminum garnet). However, any other type of crystal or combination of crystals could be used as well, e.g. YSAG (Yttrium and Scandium Aluminum Garnet), YSGG (Yttrium and Scandium Gallium Garnet), YGG (Yttrium and Gallium Garnet), GGG (Gallium and Gadolinium Garnet), GSGG (Gadolinium Garnet) and scandium gallium garnet), GSAG (gallium and gadolinium aluminum garnet), LLGG (lutetium, lanthanum and gallium garnet), YAP (yttrium and aluminum perovskite), YLF (yttrium and lithium Fluoride), LuLF (lutetium and lithium fluoride), YVO 4 (yttrium vanadate) ...

Diese Laservorrichtung funktioniert wie folgt.These Laser device works as follows.

Die von den Laserdioden 13 emittierten Pumpstrahlen P werden mit Mitteln zur Kopplung, nämlich den Fasern 14, transportiert und dringen in das Innere des dünnen Plättchens 3, den ersten Tm:YAG-dotierten Kristall, durch die eine und die andere seiner Längsseiten 11 ein. Diese Pumpstrahlen werden fast vollständig von diesem ersten Kristall 3 absorbiert; somit erfolgt das Lasern durch Emittieren eines Laserstrahls 25 bei einer Wellenlänge von 2,01 μm. Der Strahl 25 durchquert danach den zweiten Kristall 4, der den Strahl teilweise absorbiert. Der nicht absorbierte Teil wird von der Beschichtung 8 des Spiegels 6, der den ersten Resonator an einer Seite begrenzt, in Richtung des zweiten Kristalls 4, von dem er erneut teilweise absorbiert wird, reflektiert. Der vom zweiten Kristall 4 absorbierte Teil des Strahls aus dem ersten Kristall führt, durch den zweiten Kristall 4, zu einer Emission eines Strahls 26 bei einer Wellenlänge von ca. 2,1 μm. Beim Austritt aus dem zweiten Kristall werden 90% bis 95% dieses Strahls 26 von der Beschichtung 22 des zweiten Spiegels 21 reflektiert, während 5% bis 10% des Strahls diesen durchdringen. Dieser Teil des Strahls 27 kann somit bekanntermaßen an der Außenseite des Resonators genutzt werden.The of the laser diodes 13 emitted pump beams P are provided with means for coupling, namely the fibers 14 , transported and penetrate into the interior of the thin plate 3 , the first Tm: YAG-doped crystal, through one and the other of its long sides 11 one. These pump beams are almost completely from this first crystal 3 absorbed; thus the lasering is done by emitting a laser beam 25 at a wavelength of 2.01 μm. The beam 25 then cross the second crystal 4 that partially absorbs the beam. The unabsorbed part is removed from the coating 8th of the mirror 6 that bounds the first resonator on one side, toward the second crystal 4 from which it is again partially absorbed, reflected. The second crystal 4 absorbed part of the beam leads from the first crystal, through the second crystal 4 , to an emission of a ray 26 at a wavelength of about 2.1 microns. Upon exiting the second crystal, 90% to 95% of this jet become 26 from the coating 22 of the second mirror 21 reflected, while 5% to 10% of the beam penetrate this. This part of the beam 27 can thus be known to be used on the outside of the resonator.

Auf vorteilhafte Weise wird die Thulium-Dotierung im Innern des dünnen Plättchens, dem Grundbestandteil des ersten Kristalls, schrittweise und zunehmend in Richtung des Pumpstrahls verteilt, mit dem Abstand 2b, wenn über eine Fläche gepumpt wird und mit dem Abstand b, wenn über die beiden entgegengesetzten Flächen gepumpt wird. Die 6a und 6b zeigen die vorgeschlagene Thulium-Dotierung in Abhängigkeit von der Richtung x ausgehend von einer der Längsflächen, und das Pumpen über eine einzige oder über die beiden Längsflächen (11). Theoretisch müsste die Dotierung dem folgenden Gesetz entsprechend variieren:

Figure 00080001
Advantageously, the thulium doping inside the thin plate, the basic constituent of the first crystal, is gradually and increasingly distributed in the direction of the pump beam, with the distance 2b when pumping over a surface and the distance b when over the two pumped opposite surfaces. The 6a and 6b show the proposed thulium doping as a function of the direction x starting from one of the longitudinal surfaces, and the pumping over a single or over the two longitudinal surfaces (FIG. 11 ). Theoretically, the doping would have to vary according to the following law:
Figure 00080001

T ist die Resttransmission (z. B. 10%) und σ ist der Absorptionswirkungsquerschnitt.T is the residual transmission (eg 10%) and σ is the absorption cross section.

Mit diesem Gesetz zur Verteilung der Dotierung erhält man im gesamten Plättchen ungefähr die gleiche Pumpleistungsdichte.With This law for distributing the doping gives approximately the same throughout the platelet Pump power density.

Bei Tm:YAG müsste man typischerweise b 30 bis 40 mm erhalten und die Dotierung N sollte zwischen 3 und 4%.at Tm: YAG would have to typically 30 to 40 mm, and the doping N should be obtained between 3 and 4%.

Um eine ausreichende Pumpleistungsdichte zu erhalten, sind die optischen Fasern, die das Pumplicht leiten, auf der gesamten Länge L einer oder beider entgegen gesetzten, zum Pumpen bestimmten Flächen verteilt.Around to obtain a sufficient pump power density, the optical Fibers that guide the pump light, along the entire length L of one or both opposite, distributed for pumping areas distributed.

Das Verhältnis zwischen Laserleistung Pl und Pumpleistungsdichte Dp wird wie folgt dargestellt: Pl = η 2 h.L. Dp The relationship between laser power P l and pump power density D p is represented as follows: P l = η 2 hL D p

η ist der optische Wirkungsgrad des Lasers (≈0.4 bis 0.6 für Tm:YAG).η is the optical efficiency of the laser (≈0.4 to 0.6 for Tm: YAG).

Die Wärmeleistungsdichte, die pro Einheit der Slab-Oberfläche abzuleiten ist, wird wie folgt dargestellt:

Figure 00090001

α
= Absorptionskoeffizient bei 1.91 μm.
The thermal power density to be derived per unit of slab surface area is represented as follows:
Figure 00090001
α
= Absorption coefficient at 1.91 μm.

Dieser Wert für dQ/dS entspricht ungefähr dem Wert für Nd:YAG, da die Produkte αDp von Tm:YAG und Nd:YAG sehr ähnlich sind.This Value for dQ / dS is approximately equal to Value for Nd: YAG, since the products αDp from Tm: YAG and Nd: YAG very similar are.

Claims (13)

Laserquelle mit Pumpvorrichtungen (2), die einen ersten Kristall (3) enthalten und dazu geeignet sind, einen zweiten Kristall (4) zu pumpen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall (3) Thulium-dotiert ist und aus einem dünnen Plättchen (3) besteht.Laser source with pumping devices ( 2 ), which is a first crystal ( 3 ) and are capable of forming a second crystal ( 4 ), characterized in that the first crystal ( 3 ) Is thulium-doped and consists of a thin platelet ( 3 ) consists. Laserquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie erste Pumpvorrichtungen (1) enthält, die dazu geeignet sind, zweite Pumpvorrichtungen (2) zu pumpen, die den genannten ersten Thulium-dotierten Kristall (3) enthalten und selbst dazu geeignet sind, einen zweiten, Holmium-dotierten Kristall (4) zu pumpen; der erste und der zweite Kristall sind beide im selben Resonator (5) angebracht.Laser source according to claim 1, characterized in that it comprises first pumping devices ( 1 ) containing suitable second pumping devices ( 2 ) pumping said first thulium-doped crystal ( 3 ) and are themselves suitable for forming a second, holmium-doped crystal ( 4 ) to pump; the first and the second crystal are both in the same resonator ( 5 ) appropriate. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dünne Plättchen (3) eine Dicke e von weniger als 1 mm und eine Länge L und eine Breite 2b, beide jeweils über 1 cm, hat.Laser source according to one of claims 1 and 2, characterized in that the thin plate ( 3 ) has a thickness e of less than 1 mm and a length L and a width 2b, both each over 1 cm. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dünne Plättchen zwei Hauptflächen (10) und mindestens drei Sekundärflächen (11, 12) enthält; die ersten Pumpvorrichtungen (1), sind gegenüber mindestens einer der genannten Sekundärflächen (11, 12) angebracht.Laser source according to one of claims 2 and 3, characterized in that the thin plate has two main surfaces ( 10 ) and at least three secondary surfaces ( 11 . 12 ) contains; the first pumping devices ( 1 ), are opposite at least one of said secondary surfaces ( 11 . 12 ) appropriate. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dünne Plättchen (3) quaderförmig ist.Laser source according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thin plate ( 3 ) is cuboid. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall (3) aus einem der folgenden Kristalle besteht: Thulium-dotierter YAG, YALO, YVO4 oder KGW.Laser source according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first crystal ( 3 ) consists of one of the following crystals: thulium-doped YAG, YALO, YVO 4 or KGW. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Vorrichtungen (44, 45) zur Kühlung des dünnen Plättchens (3) enthält.Laser source according to one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises devices ( 44 . 45 ) for cooling the thin plate ( 3 ) contains. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Pumpvorrichtungen (1) einen Aufbau (15) enthalten, der aus Faser-Laseremittenten besteht, welche vorzugsweise aus Dioden (13) bestehen, die dazu geeignet sind bei einer Wellenlänge von etwa 0,8 μm zu emittieren.Laser source according to one of claims 2 to 7, characterized in that the first pumping devices ( 1 ) a structure ( 15 ), which consists of fiber laser emitters, which are preferably made of diodes ( 13 ) which are capable of emitting at a wavelength of about 0.8 μm. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptflächen (10) mit einem Material (41, 42) mit geringerem Brechungsindex überzogen sind, z. B. mit Saphir, sodass ein Lichtleitungseffekt erzielt werden kann.Laser source according to one of claims 4 to 8, characterized in that the main surfaces ( 10 ) with a material ( 41 . 42 ) are coated with a lower refractive index, z. B. with sapphire, so that a light pipe effect can be achieved. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kristall (4) gegenüber einer der Sekundärflächen (11, 12) angebracht ist, die vorzugsweise an eine der Flächen gegenüber den ersten Pumpvorrichtungen angrenzt.Laser source according to one of claims 1 to 9, characterized in that the second crystal ( 4 ) opposite one of the secondary surfaces ( 11 . 12 ), which preferably adjoins one of the surfaces opposite the first pumping devices. Laserquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Dotierungsstoffen innerhalb des dünnen Plättchens (3) und zwischen einer ersten Ebene, die durch eine Sekundärfläche (11, 12) entsteht, welche gegenüber den ersten Pumpvorrichtungen (1) angebracht ist und einer zweiten Ebene des Plättchens, die parallel zur ersten Ebene ist und das Zentrum des Plättchens enthält, variiert.Laser source according to one of claims 1 to 10, characterized in that the concentration of dopants within the thin plate ( 3 ) and between a first plane passing through a secondary surface ( 11 . 12 ), which are opposite to the first pumping devices ( 1 ) and a second plane of the platelet which is parallel to the first plane and which contains the center of the platelet. Laserquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration in der ersten Ebene geringer als in der zweiten Ebene ist.Laser source according to claim 1, characterized in that the concentration in the first plane less than in the second level. Laserquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration N(x) an Dotierungsstoffen zwischen der ersten und der zweiten Ebene gemäß der folgenden Formel variiert:
Figure 00110001
T ist die Resttransmission und σ ist der Absorptionswirkungsquerschnitt.Laser source according to claim 1, characterized in that the concentration N (x) of dopants between the first and the second plane varies according to the following formula:
Figure 00110001
T is the residual transmission and σ is the absorption cross section.
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