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Die
Erfindung betrifft eine insbesondere miniaturisierte Laserverstärkeranordnung
mit den Merkmalen des Oberbegriffes des beigefügten Patentanspruches
1, wie sie aus der
US
6,512,630 B1 bekannt ist. Auf diese Druckschrift wird hiernach
noch näher eingegangen.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere einen kompakten, fasergekoppelten
Festkörperlaseroszillatorlaser-Verstärker für
die Erzeugung von Laserstrahlung hoher Strahlqualität und
hoher Leistung.
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Für
zahlreiche Anwendungen sind miniaturisierte Laser wünschenswert
oder sogar erforderlich, die gepulste Laserstrahlung mit Pulsbreiten
von wenigen Nanosekunden und Pulsenergien im Bereich von mehreren
mJ erzeugen können. Anwendungsbeispiele sind langreichweitige
Laser-Messsysteme, Laser für Materialfeinbearbeitung oder
zur Anregung optisch nicht linearer Prozesse. Diodengepumpte Festkörperlaser
sind hierfür besonders geeignet. Für nähere
Einzelheiten hierzu wird auf P. Peuser, N. P. Schmitt: „Diodengepumpte
Festkörperlaser", Springer Verlag, 1995,
verwiesen. Die erforderlichen Pulsleistungen liegen typischerweise
im Bereich von etwa 100 kW bis zu mehr als einem MW.
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Mittels
passiver Güteschaltung lassen sich besonders kompakte oder
auch miniaturisierte Pulslaser realisieren, jedoch ist derzeit ein
zuverlässiger Betrieb mit hoher Strahlqualität
und Amplitudenstabilität nur bei maximalen Pulsenergien
von wenigen mJ möglich. Entsprechende Pulslaser sind in P.
Peuser, W. Platz, P. Zeller, T. Brand, B. Köhler, M. Haag;
Opt. Lett. 31 (2006) 1991 beschrieben. Um eine Leistungsskalierung
zu erreichen, können ein oder auch mehrere Verstärker
mit einem mehrfachen Strahlengang (Multipass) nachgeschaltet werden,
wodurch besonders große Pulsenergien erzielt werden. Allerdings
sind dann die Möglichkeiten für eine weitgehende
Miniaturisierung reduziert.
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Wenn
bei der Anregung des aktiven Materials die sogenannte longitudinale
Pumpgeometrie angewandt werden kann, werden optimale Voraussetzungen
geschaffen, um einen hohen Wirkungsgrad und eine große
Kompaktheit zu erreichen. Nähere Einzelheiten hierzu sind
der oben genannten Literaturstelle P. Peuser, N. P. Schmitt:
Diodengepumpte Festkörperlaser, Springer Verlag 1995 zu
entnehmen.
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Besonders
vorteilhaft für praxistaugliche Lasersysteme ist es, wenn
die Koppelung mit der Versorgungs- und Kontrollelektronik über
eine mehrere Meter lange Faserverbindung hergestellt werden kann.
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Die
in letzter Zeit entwickelten gepulsten Faserlaser oder Faserverstärker-Anordnungen
zeichnen sich durch eine sehr kompakte Bauweise und eine hohe Strahlqualität
aus, jedoch liegen die verfügbaren Pulsleistungen meist
unterhalb von 100 kW, was für viele Anwendungen nicht mehr
ausreicht.
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Hierbei
begrenzen verschiedene grundlegende physikalische Prozesse die Pulsenergien
auf den Bereich von typischerweise etwa 1 mJ. Diese Prozesse sind
in erster Linie ASE (sog. Amplified Spontaneous Emission), Stimulierte
Brillouin-Streuung, Stimulierte Raman-Streuung sowie Selbstfokussierung.
Es wird in diesem Zusammenhang für weitere Einzelheiten
auf F. D. Teodoro et al., Opt. Lett. 27 (2002) 518 und R.
L. Farrow et al., Opt. Lett. 31 (2006) 3423 verwiesen.
Aufgrund des kleinen Faserquerschnitts kommen im ns-Pulsbetrieb
extrem hohe Intensitäten zustande, so dass bei einer Skalierung der
Pumpleistung die Faser schließlich zerstört wird. Um
einige wenige mJ zu erzeugen, muss der Faserquer schnitt so weit
vergrößert werden, dass die Strahlqualität
erheblich reduziert würde.
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In
der eingangs erwähnten
US 6,512,630 B1 wird eine miniaturisierte
Konfiguration beschrieben, bei der ein sogenannter passiv gütegeschalteter
Mikrolaser oder allgemein miniaturisierter Laser mit einem Verstärker
gekoppelt ist. Die gesamte Pumpstrahlung wird dabei in den Mikrolaser
eingekoppelt und dabei teilweise im Laserkristall absorbiert. Die transmittierte
restliche, im Laseroszillator nicht absorbierte Pumpstrahlung wird
gemeinsam mit dem vom Mikrolaser erzeugten Laserstrahl mittels einer Linse
in den Verstärkerkristall fokussiert. Der aus dem Oszillator
austretende Laserstrahl wird dann in dem Verstärkerkristall
verstärkt. Die gesamte Pumpstrahlung wird bei diesem Stand
der Technik von einer einzigen Diodenlaser-Strahlquelle bereitgestellt.
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Allerdings
ist eine solche Konfiguration für eine effiziente Skalierung
der Leistung bzw. der Pulsenergie nicht geeignet, wie im folgenden
erläutert wird. Dabei lassen sich grundsätzlich
zwei unterschiedliche Pumparten unterscheiden: die quasi kontinuierliche
oder gepulste Anregung und die kontinuierliche Anregung.
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Bei
der quasi kontinuierlichen Anregung kann ein einziger Puls erzeugt
werden, der die maximal mögliche Energie enthält,
oder es können auch mehrere Pulse kleinerer Energie während
eines Pumpzyklus erzeugt werden.
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Im
Falle der gepulsten Anregung gilt: bei einer Erhöhung der
Pumpleistung wird der Laserpuls von dem Oszillator, bezogen auf
den Beginn eines Pumpstrahlungspulses konstanter Länge,
früher erzeugt. Infolge dessen kann die im Verstärker
gespeicherte Energie danach nicht mehr genutzt werden, und die gesamte
Verstärkung kann nicht mehr erhöht werden. Damit
direkt verbunden ist auch die Reduktion des Gesamtwirkungsgrades.
Eine zeitliche Anpassung des Oszillator pulses an die Pumpstrahlungsdauer
ist entscheidend, um eine maximale Pulsenergie und einen großen
Wirkungsgrad zu erzielen.
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Andererseits
werden bei einer Erhöhung der Pumpleistung im allgemeinen
mehrere Pulse während eines Pumpzyklus erzeugt, welche
jeweils eine kleinere Pulsenergie enthalten. Der zeitliche Abstand der
Pulse wird umso kleiner, je größer die Pumpleistung
wird. Das heißt in diesem Falle, dass eine Erhöhung
der Gesamtpumpleistung, um eine größere Verstärkung
zu erzielen, gleichzeitig zu einer Änderung der Pulsrate
führt.
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Ähnliches
gilt für den Fall der kontinuierlichen Anregung. Hierbei
wird die Pulsrate erhöht, verbunden mit einer gleichzeitigen
Reduktion der Einzelpulsenergie der von dem Laseroszillator erzeugten Pulse,
wenn die Gesamtpumpleistung der Laseroszillator-Verstärker-Anordnung
erhöht wird. Oder, anders formuliert, eine Änderung
der Pumpleistung oder der Verstärkung bewirkt eine Veränderung
der Pulsrate. Darüber hinaus ändert sich auch
die Pulsbreite, da sich auch die Inversionsdichte im Laseroszillatorkristall ändert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen leistungsstarken, leistungsregelbaren
Laser mit hoher Strahlqualität und einem großen
Wirkungsgrad zu schaffen, der sehr stark miniaturisierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Laserverstärkeranordnung mit den
Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafte Verwendungen der Laserverstärkeranordnung
sind Gegenstand des Nebenanspruches.
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Die
erfindungsgemäße Laserverstärkeranordnung
weist eine optische Pumpquelle und eine Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration
auf, die durch Pumpstrahlung aus der Pumpquelle gepumpt werden kann.
Die Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration ist axial
angeordnet. Aufgrund der axialen Anordnung entlang der Laserachse
lassen sich die Dimensionen der Konfiguration sehr gering halten.
Die Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration weist einen Laseroszillator
und einen Laserverstärker auf. Der Laseroszillator ist
durch Pumpstrahlung zum Aussenden eines Laserstrahles anregbar,
der zu dem Laserverstärker geleitet wird und dort verstärkt
wird. Hierzu wird der Laserverstärker ebenfalls durch Pumpstrahlung
angeregt. Zum Erreichen eines hohen Miniaturisierungsgrades sind
der Laseroszillator und der Laserverstärker bezüglich
einer Längsachse der Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration
im wesentlichen koaxial oder kollinear angeordnet.
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Die
Pumpquelle weist wenigstens zwei Strahlquellen auf. Eine erste Strahlquelle
erzeugt eine erste Pumpstrahlung zum Pumpen des Laseroszillators.
Wenigstens eine zweite Strahlquelle erzeugt eine zweite Pumpstrahlung
für den Laserverstärker. Beide Pumpstrahlungen
werden derart in die Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration
eingeleitet, dass diese in longitudinaler Richtung angeregt wird.
Hierzu ist eine Pumpstrahlungsleiteinrichtung vorgesehen, mittels
der die beiden Pumpstrahlungen zum longitudinalen Pumpen im wesentlichen
in Richtung der Längsachse in die Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration
einleitbar sind.
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Vorzugsweise
wird Laserstrahlung aus mindestens zwei oder mehreren unabhängig
voneinander betriebenen fasergekoppelten Diodenlaser-Strahlquellen
verwendet, um eine kompakte, axial angeordnete Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration
(vorzugsweise eine Festkörperlaseroszillator-Verstärker-Konfiguration)
in longitudinaler Richtung anzuregen. Dabei ist bevorzugt, den Laseroszillator
und den Verstärker unabhängig voneinander optisch
zu pumpen.
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Gemäß bevorzugter
Ausgestaltungen kann der Laser passiv oder aktiv gütegeschaltet
werden.
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Durch
diese Konfiguration wird erreicht, dass mit einem sehr hohen Miniatusierungsgrad
ein leistungsstarker, leistungsregelbarer Laser mit hoher Strahlqualität
und einem großen Wirkungsgrad entsteht.
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Vorteilhafte
Anwendungen der Laserverstärkeranordnung sowie deren vorteilhafter
Ausgestaltungen sind:
- a) Roboter -getragene
Lasersysteme
- b) Miniaturisierte, flugzeuggetragene Lidar-Systeme
- c) Lasertransmitter für Weltraumanwendungen
- d) Pumplaser für optisch nichtlineare Prozesse
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Vorzugsweise
wird eine äußerst kompakte, optimal regelbare
Laserkonfiguration realisiert, mit der leistungsstarke ns-Pulse
erzeugt werden können. Die hier dargestellte Konfiguration
erlaubt es darüber hinaus, eine aktive Güteschaltung
anzuwenden.
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Vorteilhafterweise
wird die erfindungsgemäße Pumpkonfiguration in
Verbindung mit optischen Umlenksystemen – beispielsweise
mit Linsen und mit feinmechanischen Elementen – verwendet,
welche die zweite Pumpstrahlung an dem Laseroszillator vorbei zu
dem Laserverstärker leitet. Dadurch können der
Laseroszillator und der Verstärker unabhängig
voneinander optimiert und aufeinander abgestimmt werden, so dass
Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität, leistungsstarken
Laserpulsen und einem hohen Wirkungsgrad erzeugbar ist.
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Von
der gesamten Pumpstrahlungsleistung der Pumpquelle hat die zum Anregen
des Laserverstärkers einzusetzende zweite Pumpstrahlung
vorzugsweise den weitaus überwiegenden Anteil. Dies lässt
sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die zweite Strahlungsquelle
als Hochleistungsdiodenlaser ausgeführt ist, während
die erste Strahlquelle ein Diodenlaser mit kleinerer Leistung sein
kann. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung weist die Pumpquelle
zum Bilden der zweiten Strahlungsquelle eine Mehrzahl von Diodenlasern
auf, die gemeinsam die zweite Pumpstrahlung erzeugen.
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Die
erste und die zweite Pumpstrahlung werden vorzugsweise über
eine optische Faserleitung zu der Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration
geleitet. Zum Zwecke der möglichst großen Miniaturisierung sind
verschiedene Konfiguration dieser optischen Faserleitung denkbar.
Es kann eine parallele Anordnung einer ersten optischen Faser zum
Leiten der ersten Pumpstrahlung und einer zweiten optischen Faser
zum Leiten der zweiten Pumpstrahlung derart gewählt werden,
dass die Fasern eng nebeneinander liegen. Besonders bevorzugt ist
eine Ausgestaltung, bei der die erste optische Faser mittig innerhalb
einer zweiten Faseranordnung angeordnet ist. Auf diese Weise wird
die zweite Pumpstrahlung rings um die erste Pumpstrahlung herum
eingeleitet. Die erste optische Faser kann so leicht bis hin zu
dem Laseroszillator geleitet werden, wobei die radial außerhalb
der ersten optischen Faser eingestrahlte zweite Pumpstrahlung beispielsweise über
eine optische Umlenkeinrichtung radial außerhalb um den
Laseroszillator herum in Längsrichtung an diesem vorbei
bis zum dem Laserverstärker geleitet werden kann.
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Eine
solche Anordnung kann beispielsweise dadurch realisiert werden,
dass die zweite optische Faser die erste optische Faser ringförmig
umgibt.
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Insbesondere
in dem Fall, dass die zweite Strahlquelle eine Gruppe von zweiten
Diodenlasern aufweist, kann die optische Faserleitung auch ein Faserbündel
aus zweiten optischen Fasern aufweisen, wobei in der Mitte dieses
Faserbündels (dies muss nicht exakt in der Mitte sein,
wenngleich dies bevorzugt ist) die erste optische Faser angeordnet
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer
Laserverstärkungsanordnung mit Pumpquelle und Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration;
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1a eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der Laserverstärkeranordnung;
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2 eine
schematische Darstellung einer bei der Pumpquelle von 1 einsetzbaren
Pumpstrahlungsleiteinrichtung;
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2a eine
schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der Pumpstrahlungsleiteinrichtung;
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3 eine
schematische Darstellung der bei der zweiten Ausführungsform
der Laserverstärkeranordnung verwendbaren Pumpstrahlungsleiteinrichtung;
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4 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform
der Laserverstärkeranordnung; und
-
5 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform
der Laserverstärkeranordnung.
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Die 1, 1a, 4 und 5 zeigen unterschiedliche
Ausführungsformen einer Laserverstärkeranordnung 19,
die eine Pumpquelle 21 sowie eine Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration 24 aufweisen.
Die 2, 2a und 3 zeigen
unterschiedliche Ausgestaltungen von Pumpstrahlungsleiteinrichtungen 26 zum
Einleiten der durch die Pumpquelle 21 erzeugten Pumpstrahlung
in die Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration 24.
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Bei
allen Ausführungsformen der Laserverstärkeranordnung 19 wird
die Strahlung von wenigstens zwei oder mehreren Strahlquellen verwendet, um
die kollineare Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration 24 zu
pumpen. Dabei wird die longitudinale Pumpkonfiguration genutzt,
welche besondere Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Strahlqualität
bietet, wie dies im einzelnen in P. Peuser, N. P. Schmitt, Diodengepumpte
Festkörperlaser, Springer Verlag 1995, ausgeführt
ist. Geeignete laseraktive Materialien sind beispielsweise die gut
bekannten Nd: YAG und Nd: YLF-Kristalle oder auch Kristalle mit
Dotierungen aus Yb, Tm oder Ho.
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Bei
den dargestellten Ausführungsformen der Laserverstärkeranordnung 19 werden
als Strahlquellen für die Pumpquelle 21 wenigstens
zwei oder mehrere leistungsstarke, fasergekoppelte Diodenlaser 1, 2, 2a vewendet.
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Die
in 1 dargestellte erste Ausführungsform
der Laserverstärkeranordnung 19 zeigt eine Pumpquelle 21,
bei der als erste Strahlquelle für die erste Pumpstrahlung
ein erster Diodenlaser 1 und als zweite Strahlquelle für
die zweite Pumpstrahlung 6 wenigstens ein zweiter Diodenlaser 2,
hier in Form eines Hochleistungsdiodenlasers mit größerer
Leistung als der erste Diodenlaser 1 eingesetzt ist.
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Die
Pumpstrahlungsleiteinrichtung 26 weist mehrere optische
Fasern 3, 4 auf, um die erste und zweite Pumpstrahlung
zu der Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration 24 zu
leiten. Eine erste optische Faser 3 wird dazu verwendet,
um einen miniaturisierten Laseroszillator 9 zu pumpen,
während der größere Teil der insgesamt
verfügbaren Pumpstrahlung von einer oder mehreren zweiten
Fasern 4 bereitgestellt wird, um einen Verstärkerkristall 14 optisch
anzuregen.
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Die
Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration 24 weist
den Laseroszillator 9 sowie einen Laserverstärker 23 auf.
Weiter ist eine optische Umlenkeinrichtung 22 vorgesehen,
mittels welcher die zweite Pumpstrahlung 6 kollimiert wird,
so dass die zweite Pumpstrahlung 6 über eine bestimmte
definierte Wegstrecke 20 von mehreren Millimetern bis zu
mehreren Zentimetern quasi-parallel – hier parallel zur Längsache 25 der
Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration 24 – verläuft.
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Im
Zentrum dieser die Strecke 20 durchlaufenden zweiten Pumpstrahlung 6 befindet
sich in einer axialen Anordnung der Laseroszillator 9 mit
einem Laserkristall 10. Der Laserkristall 10 ist
an eine Halterung 11 mit Stegen derart gehalten, dass möglichst
viel der zweiten Pumpstrahlung 6 durch die Halterung 11 hindurchtreten
kann, um so an dem Laserkristall 10 vorbeigeleitet zu werden
und dann anschließend auf den Verstärkerkristall 14 des
Laserverstärkers 23 fokussiert zu werden. Auf
diese Weise wird die zweite Pumpstrahlung 6 zur optischen
Anregung des Laserverstärkers 23 verwendet.
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Bei
der in den 1 und 1a dargestellten
Ausführungsformen ist der Laserkristall 10 mit
einem passiven Güteschalter(-kristall) 9a verbunden. Der
Laserkristall 10 mit dem Güteschalter 9a befindet sich
zentral in der Halterung 11.
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Der
Laserkristall 10 kann mit dem passiven Güteschalterkristall 9a optisch
kontaktiert sein (sog. quasi-monolithischer Laser), wobei die Austrittsfläche
dieser Kristallkonfiguration für die Laserwellenlänge
partiell reflektierend beschichtet ist, so dass ein Laserstrahl 13 in
Form kurzer Laserpulse mit einer Pulsbreite von typischerweise einigen
Nanosekunden emittiert wird. Es wird für nähere
Einzelheiten zu den Grundlagen der physikalischen Vorgänge
auf P. Peuser, N. P. Schmitt: Diodengepumpte Festkörperlaser,
Springer Verlag 1995 verwiesen.
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Weiter
ist bei den Ausführungsformen gemäß den 1 und 1a an
einer Halterung 8 eine erste (kleinere) Fokussierlinse 8a für
die erste Pumpstrahlung vor dem Laseroszillator 9 vorgesehen.
Damit kann die Pumpgeometrie des Laseroszillators 9 optimal
gestaltet werden. Die kleinere Fokussierlinse 8a hat gegenüber
dem Durchmesser der Pumpstrahlung 6 entlang der Strecke 20 einen
wesentlich kleineren Querschnitt. Die erste Fokussierlinse 8a ist
vor der Einkoppelfläche des Laserkristalls 10 angebracht,
so dass die in den Laseroszillator 9 einzuleitende erste
Pumpstrahlung in den Laserkristall 10 fokussiert wird.
Die Halterung 8 für die erste Fokussierlinse 8a kann
einstellbar ausgebildet sein, so dass der Abstand der ersten Fokussierlinse 8a zum
Laserkristall 10 variabel ist. Dadurch kann die Pumpgeometrie
für den Laseroszillator 9 optimiert werden und insbesondere
können der Wirkungsgrad und die Pulsenergie bestimmt werden.
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Die
optische Umlenkeinrichtung 22 weist eine Kollimator-Linseneinrichtung
auf, die – wie dargestellt – durch eine Kollimatorlinse 7 oder
durch eine als Kollimatorlinse wirkende Eintrittsfläche
eines Linsenblocks (nicht dargestellt) ausgebildet sein kann. Die
Kollimator-Linseneinrichtung dient zum Kollimieren der zweiten Pumpstrahlung 6.
Weiter weist die optische Umlenkeinrichtung 22 eine zweite
Fokussierlinse 12 auf, um am Ende der Strecke 20 die
an dem Laseroszillator 9 vorbeigeleitete zweite Pumpstrahlung 6 in
den Laserkristall 14 zu fokussieren.
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Die
Kollimatorlinse 7 ist mit einem ersten Durchlass 27 versehen,
um die erste Pumpstrahlung ohne Beeinflussung durch die optische
Umlenkeinrichtung 22 zu dem Laseroszillator 9 leiten
zu können. Die zweite Fokussierlinse 12 ist mit
einem zweiten Durchlass 28 versehen, um den Laserstrahl 13 unbeeinflusst
durch die optische Umlenkeinrichtung 22 zu dem Laserkristall 14 zu
leiten. In dem Laserkris tall 14 wird, angeregt, durch die
zweite Pumpstrahlung 6, der Laserstrahl 13 verstärkt,
so dass ein verstärkter Laserstrahl 15 austritt.
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Die
erste Ausführungsform der Laserverstärkeranordnung 19 gemäß 1 sowie
die zweite Ausführungsform der Laserverstärkungsanordnung 19 gemäß 1a unterscheiden
sich im wesentlichen durch die Pumpquelle 21. Bei der ersten
Ausführungsform hat die Pumpquelle den ersten Diodenlaser 1 als
erste Strahlquelle zum Erzeugen der ersten Pumpstrahlung und den
Hochleistungsdiodenlaser als zweiten Diodenlaser 2 zum
Erzeugen der zweiten Pumpstrahlung. Bei der zweiten Ausführungsform
ist anstelle des Hochleistungsdiodenlasers eine Gruppe von Diodenlaser-Strahlquellen 2a vorgesehen,
die aus mehreren einzelnen zweiten Diodenlasern 2 zusammengesetzt
ist.
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Im
folgenden werden unterschiedliche Ausgestaltungen der Pumpstrahlungsleiteinrichtung 26 anhand
der Darstellungen in den 2, 2a und 3 näher
erläutert.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführung der Pumpstrahlungsleiteinrichtung 26 befindet
sich die erste optische Faser 3 zum Leiten der ersten Pumpstrahlung
für den Laseroszillator im Zentrum einer die zweite optische
Faser 4 bildenden anderen Faser, welche die Pumpenergie
für den nachfolgenden Verstärker leitet. Die von
der zentralen ersten Faser 3 bereitgestellte Strahlung
wird dazu verwendet, den miniaturisierten Puls-Laseroszillator 9 so
zu pumpen, dass der Laserstrahl 13 erzeugt wird, dessen
Energie in dem nachfolgenden Laserverstärker 23 erhöht
wird. Die in der von der ringförmig um die zentrale erste
optische Faser 3 angeordneten zweiten optischen Faser 4 geführte
zweite Pumpstrahlung für den Laserverstärker 23 wird
mittels der optischen Umlenkeinrichtung 22 so kollimiert,
dass sie um den Laseroszillator 9 herum geführt
wird und schließlich in den axial angeordneten Verstärkerkristall 14 fokussiert
wird.
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Bei
der in 2a dargestellten weiteren Ausführung
der Pumpstrahlungsleiteinrichtung 26 sind die beiden Pumpfasern
für den Laseroszillator 9 und den Laserverstärker 23 – also
die erste optische Faser 3 und die zweite optische Faser 4 – dicht
nebeneinander angeordnet. In diesem Falle wird die zweite Fokussierlinse 12 für
die zweite Pumpstrahlung 6 (Pumpstrahlung des Verstärkerkristalls 14)
geringfügig transversal verschoben angeordnet, so dass
der Laserstrahl 13 und der Pumpstrahl im Verstärkerkristall 14 übereinander
liegen. Die in den 2 und 2a dargestellten
Pumpstrahlungsleiteinrichtungen sind besonders für die
in 1 dargestellte erste Ausführungsform
der Laser-Verstärker-Anordnung 19 geeignet.
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Bei
der in 3 dargestellten alternativen Ausgestaltung der
Pumpstrahlungsleiteinrichtung 26, welche insbesondere für
die zweite Ausführungsform der Laserverstärkeranordnung 19 geeignet
ist, ist die erste optische Faser 3, die die Pumpfaser
für den Laseroszillator 9 bildet, von einem Faserbündel 4a aus mehreren
zweiten optischen Fasern 4 umgeben, welche zusammen die
Pumpstrahlung für den Laserverstärker 23 führen.
Dadurch können noch größere Pumpleistungen
für den Laserverstärker 23 bereitgestellt
werden, da die Strahlung der mehreren Diodenlaser-Strahlquellen 2a für
die optische Anregung des Laserverstärkers 23 genutzt
werden kann.
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In 4 ist
eine dritte Ausführungsform der Laserverstärkeranordnung 19 dargestellt,
welche eine Weiterbildung der in der 1 gezeigten
ersten Ausführungsform oder der in 2 gezeigten
zweiten Ausführungsform darstellt. Die besonders kompakte
Anordnung der Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration 24 mit
dem Laseroszillator 9 und dem axialen Laserverstärker 23 kann
gemäß dieser dritten Ausführungsform
auch dazu verwendet werden, um eine aktiv gütegeschaltete
Laserverstärkeranordnung 19 zu realisieren. Zu
diesem Zweck ist der passive Güteschalterkristall 9a der
ersten oder zweiten Ausführungsform durch eine an sich
bekannte elektro-optische Anordnung aus einem Polarisator 17,
einem elektro- optischen Güteschalter 16 und einem Analysator 17a ersetzt,
welche in dem Resonator des Laseroszillators 9 installiert
werden. Voraussetzung hierfür ist, dass der elektro-optische
Güteschalter 16 einen relativ kleinen Querschnitt
aufweist, so dass die zweite Pumpstrahlung 6 an ihm vorbeigeleitet werden
kann. Beispielsweise ist hierzu der Güteschalter 16 derart
ausgewählt, dass sein Durchmesser im Bereich von etwa einem
Zentimeter liegt. Aufgrund des geringen Durchmessers ist es möglich,
die kollimierte zweite Pumpstrahlung 6 außen vorbeizuleiten.
Solche miniaturisierten elektro-optischen Güteschalter 16 sind
an sich bereits bekannt.
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In 5 ist
noch eine weitere Ausführungsform der Laserverstärkeranordnung 19 dargestellt, die
ohne die optische Umlenkeinrichtung 22 auskommt. Hierbei
ist das Faserbündel 4a, welches die Pumpstrahlung
für den Laserverstärker 23 führt,
so verlängert, dass die zweiten optischen Fasern 4 um den
Laseroszillator 9 herumgeführt werden können. Die
austretende zweite Pumpstrahlung 6 kann dann mit einer
Kollimator-Fokussieroptik 29 in den Laserverstärker 23 fokussiert
werden. Die Kollimator-Fokussier-Optik 29 weist eine Kollimator-Linse 12a und die
zweite Fokussierlinse 12 auf. Der im Laseroszillator 9 erzeugte
Laserstrahl 13 tritt durch im Zentrum der Kollimator-Fokussieroptik 29 vorhandene
Durchbohrungen in den angeregten Verstärkerkristall 16 ein,
wo er verstärkt wird – verstärkter Laserstrahl 15 –.
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Das
dargestellte Ausführungsbeispiel gemäß 5 nutzt
wie das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
der Laserverstärkeranordnung 19 den aktiven Güteschalter
mit dem elektro-optischen Güteschalter 16 sowie
den Polarisator 16 und Analysator 17a. Der Güteschalter 16 ist
hier an einer Halterung zentrisch gehalten, die ähnlich
der Halterung 11 ausgeführt ist. Ein Auskoppelspiegel 18 ist
bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
im Bereich der Durchbohrung der Kollimatorlinse 12a angebracht.
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Die
anhand der 1 bis 5 beschriebenen
Konfigurationen der Laserverstärkeranordnung 19 können
außer für die Erzeugung von kurzen Laserpulsen
prinzipiell auch als Oszillator-Verstärker-Anordnung für
die Erzeugung kontinuierlicher oder quasi-kontinuierlicher Laserstrahlung
bzw. auch Single-Frequency-Laserstrahlung verwendet werden, wenn
der Güteschalterkristall 9a nicht eingesetzt wird
oder der Laseroszillator 9 als Single-Frequency-Laser ausgebildet
ist. Dabei werden die wesentlichen Eigenschaften des Laserstrahles 13, 15 bis
auf die Leistung des Gesamtsystems durch den Laseroszillator 9 bestimmt.
Auch hierbei ist es von Vorteil, wenn die Leistung des Laseroszillators 9 unabhängig
von der Verstärkung geregelt werden kann, so dass sich
die optimalen Strahleigenschaften im Bereich geringer Ausgangsleistungen
des Laseroszillators 9 erzielen lassen.
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Bei
den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird erreicht,
dass mit einem hohen Miniaturisierungsgrad ein leistungsstarker
Laser mit hoher Strahlqualität und einem großen
Wirkungsgrad realisiert werden kann.
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Weitere
besondere Vorteile, insbesondere im Vergleich zu der bekannten miniaturisierten
Laserverstärkeranordnung aus dem Stand der Technik nach
der
US 6,512,630 B1 sind:
- • Der Laseroszillator 9 und
der Laserverstärker 23 können unabhängig
voneinander optimiert werden;
- • Der im Laseroszillator 9 erzeugte Laserstrahl 13 wird
unbeeinflusst von optischen Komponenten verstärkt;
- • Die Zahl der pro Pumppuls emittierten Laserpulse
kann unabhängig von der Verstärkerleistung eingestellt
werden;
- • durch eine separate Anordnung des Auskoppelspiegels 18 kann
der Resonator des Laseroszillators 9 so verlängert
werden, dass eine hohe Strahlqualität erreichbar wird;
und
- • eine passive oder aktive Güteschaltung ist
möglich.
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- 1
- erster
Diodenlaser (für erste Pumpstrahlung)
- 2
- zweiter
Diodenlaser (für zweite Pumpstrahlung, vorzugsweise Hochleistungsdiodenlaser)
- 2a
- Diodenlaser-Strahlquellen
(für zweite Pumpstrahlung)
- 3
- erste
optische Faser
- 4
- zweite
optische Faser
- 4a
- Faserbündel
(aus mehreren zweiten optischen Fasern)
- 5
- optische
Faserleitung (kombinierte erste und zweite optische Faser(n))
- 6
- zweite
Pumpstrahlung
- 7
- Kollimatorlinse
für zweite Pumpstrahlung
- 8
- Halterung
für kleine Fokussierlinse
- 8a
- erste
(kleinere) Fokussierlinse für erste Pumpstrahlung (aus
erstem Diodenlaser)
- 9
- Laseroszillator
- 9a
- Güteschalter(-kristall)
- 10
- Laserkristall
- 11
- Halterung
für Laserkristall mit Stegen
- 12
- zweite
(größere) Fokussierlinse für zweite Pumpstrahlung
- 12a
- Kollimatorlinse
- 13
- Laserstrahl
- 14
- Verstärkerkristall
- 15
- verstärkter
Laserstrahl
- 16
- elektro-optischer
Güteschalter
- 17
- Polarisator
- 17a
- Analysator
- 18
- Auskoppelspiegel
- 19
- Laserverstärkeranordnung
- 20
- Strecke
- 21
- Pumpquelle
- 22
- optische
Umlenkeinrichtung
- 23
- Laserverstärker
- 24
- Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration
- 25
- Längsachse
- 26
- Pumpstrahlungsleiteinrichtung
- 27
- erster
Durchlass
- 28
- zweiter
Durchlass
- 29
- Kollimator-Fokussier-Optik
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6512630
B1 [0001, 0009, 0060]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - P. Peuser,
N. P. Schmitt: „Diodengepumpte Festkörperlaser”,
Springer Verlag, 1995 [0003]
- - P. Peuser, W. Platz, P. Zeller, T. Brand, B. Köhler, M.
Haag; Opt. Lett. 31 (2006) 1991 [0004]
- - P. Peuser, N. P. Schmitt: Diodengepumpte Festkörperlaser,
Springer Verlag 1995 [0005]
- - F. D. Teodoro et al., Opt. Lett. 27 (2002) 518 [0008]
- - R. L. Farrow et al., Opt. Lett. 31 (2006) 3423 [0008]
- - P. Peuser, N. P. Schmitt, Diodengepumpte Festkörperlaser,
Springer Verlag 1995 [0039]
- - P. Peuser, N. P. Schmitt: Diodengepumpte Festkörperlaser,
Springer Verlag 1995 [0046]