DE102008029967A1 - Laser-Verstärker-Anordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laser-Verstärker-Anordnung im 2 µm-Wellenlängenbereich mit einem von einem Diodenlaser (12) gepumpten Thulium-Laser (18), der einen Holmium-Verstärker (24) anregt, welcher den Strahl eines Holmium-Lasers (30) verstärkt, wobei der Thulium-Laser (18) ein Festkörperlaser ist und der Diodenlaser (12) eine Pumpleistung von wenigstens 200 W aufweist. Dies ermöglicht zum einen eine kompakte und vereinfachte Bauweise sowie höhere Leistungen bzw. Energieauskopplungen als bei herkömmlichen Laser-Verstärker-Anordnungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laser-Verstärker-Anordnung im 2 μm-Wellenlängenbereich mit einem von einem Diodenlaser gepumpten Thulium-Laser, der einen Holmium-Verstärker anregt.
  • Hochleistungs-Laser, insbesondere Pulslaser im 2 μm-Wellenlängenbereich, werden für zahlreiche wissenschaftliche und technische Anwendungen benötigt. Hierfür eignen sich besonders gut die bei 2,1 μm emittierenden Holmium (Ho) dotierten Laserkristalle, beispielsweise Ho:YAG oder Ho:YLF, wobei sich kurze Pulse mit einer Pulsbreite im Bereich von einigen ns mit Hilfe von Güteschaltungen bewirken lassen. Das direkte optische Pumpen derartiger Kristalle mittels Diodenlasern hoher Leistung ist bisher nicht möglich, da keine geeigneten Hochleistungs-Diodenlaser im kW-Bereich mit Emissionswellenlängen kommerziell verfügbar sind, welche an die Absorptionswellenlängen im Bereich von 1,9 μm der Ho-dotierten Kristalle angepasst sind. Daher ist es beispielsweise aus der Druckschrift „Optics Letters" Vol. 28, No. 20, vom 15.10.2003, Seiten 1933–1935 bekannt, Ho:YAG Kristalle mittels eines Thulium (Tm) Lasers zu pumpen, welcher zum einen mittels herkömmlicher Diodenlaser im Wellenlängenbereich von ca. 800 nm gepumpt werden kann und zum anderen im Absorptionsbereich der Ho-dotierten Kristalle emittiert. Als Tm-Laser kommt dabei ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser in Betracht, beispielsweise ein Tm:YAG, Tm:YLF oder Tm:YAP-Laser
  • Beispielsweise in der Druckschrift „A High Energy Tm:YLF-Fiber Laser (1.9 μm) pumped Ho:YAG MOPA (2.09 μm) Laser System” in „Advanced Solid-State Photonics Conference”, 2006 Beitrag WD3, ist eine Anordnung offenbart, bei der ein Ho-Oszillator und zwei nachgeschaltete Ho-Verstärker jeweils durch Tm-Faserlaser gepumpt werden. Diese komplexe Anordnung ermöglicht bei Verwendung von drei Dauerstrich (cw) Tm- Faserlasern mit einer Ausgangsleistung von jeweils 50 W eine Ausgangsenergie im Bereich von 80 mJ bei einer Pulslänge von 20 ns.
  • Diese Anordnung hat jedoch eine Reihe von Nachteilen, vor allem hoher Komplexität, hoher Kosten, eines hohen Gewichts und einer Temperaturempfindlichkeit des Tm-Faserlasers. Außerdem wäre es wünschenswert, höhere Pulsleistungen zu erzeugen. Denn vor allem der Einsatz in mobilen Anwendungen wie Robotern oder Flugzeugen unter Verwendung nachgeschalteter sog. Wellenlängenkonverter (sog. optisch-parametrischer Oszillatoren OPO bzw. optisch-parametrischer Verstärker OPA) zur Erzeugung von Laserstrahlung im mittleren infraroten Bereich von 3–5 μm ist mit derartigen Anordnungen nur schwer bzw. sehr aufwendig zu erreichen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Laser-Verstärkeranordnung im 2 μm-Bereich bereitzustellen, die sich durch hohe Leistungen, geringen baulichen Aufwand, Kompaktheit und Robustheit sowie einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnungen.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht gegenüber herkömmlichen Anordnungen, die einen Tm-Faserlaser verwenden, der baulich sehr aufwendig ist, deutlich höhere Leistungen bzw. Energieauskopplungen. Durch die Ausnutzung der für Thulium-Festkörperlaser verfügbaren Pumpleistungen eines Hochleistungs-Diodenlasers, der mindestens 200 W, vorzugsweise sogar mehr als 500 W, besonders bevorzugt mehr als 1 kW aufweist, ist eine hohe Leistung des Tm-Lasers und damit des Ho-Verstärkers erreichbar, und damit eine hocheffiziente Bereitstellung eines 2,1 μm-Laserstrahles mit einer Energie von mehreren hundert mJ. Dieser eignet sich aufgrund der bereits hohen Wellenlänge, mittels eines Wellenlängenkonverters in den Bereich des mittleren Infrarotbereichs (ca. 3–5 μm) konvertiert zu werden.
  • Damit eignet sich ein solcher Laser, vorzugsweise in Verbindung mit dem Wellenlängenkonverter, für typische Anwendungsfälle derartiger Laser, insbesondere zur Werkstoffprüfung (z. B. von Kohlefaserbauteilen) oder für LIDAR-Systeme.
  • Gegenüber herkömmlichen Laseranordnungen unter Verwendung von Thulium-Faserlasern ergibt sich eine erhebliche konstruktive Vereinfachung und damit Kosteneinsparung sowie eine besonders kompakte Bauweise.
  • Vorzugsweise ist der Ho-Laser gepulst und zwar mit einer Impulslänge von 1 ns bis 500 ns. Dies ermöglicht sehr hohe Laserleistungen.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Diodenlaser und dem Thulium-Laser eine Quarzfaser angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Anordnung des Diodenlasers räumlich getrennt von den kompakten Tm- und Ho-Kristallen, die den Tm-Festkörperlaser und Ho-Verstärker bilden. Der relativ voluminöse Hochleistungsdiodenlaser, einschließlich Kühlsystem und Stromversorgung, mit Leistungen im kW-Bereich kann also dort montiert werden, wo es aufgrund der vorgegebenen Platz- und Stromversorungsverhältnisse am günstigsten ist. Vorzugsweise kann die Faserlänge bis zu 200 m betragen, so dass die kompakten Tm- und Ho-Laser in einer derartigen Entfernung dort aufgestellt bzw. angebracht werden können, wo dies für den erzeugten Laserstrahl optimal ist.
  • Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Thulium-dotierte Laser-Kristall des Thulium-Lasers mit Ytterbium codotiert ist (Yb:Tm:Host) und der Hochleistungsdiodenlaser eine Wellenlänge im Bereich von 920–990 nm aufweist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen sowie der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
  • 2: eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
  • 3: eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
  • 4: eine vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
  • 5: eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
  • 6: eine sechste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
  • 7: eine siebte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
  • In 1 ist schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laser-Verstärker-Anordnung 10a dargestellt, die einen Hochleistungs-Diodenlaser 12 umfasst, der über eine optische Faserleitung 14 und über eine Ankoppellinse 16 einen Tm-dotierten Laserkristall 18 anregt (optisch pumpt). Die Eintritts- oder Pumpfläche 20 des Laserkristalls 18 ist mit einer dichroitisch wirkenden optischen Beschichtung versehen, die für das Laserlicht des Diodenlasers 12 (Wellenlänge üblicherweise im Bereich von 800 nm oder 960 nm) durchlässig aber für die im Laserkristall 18 durch die Anregung der Tm-Atome erzeugte Strahlung von 1,9 μm reflektierend ist. Die austrittssteitige Stirnfläche 22 des Laserkristalls 18 ist mit einer Beschichtung versehen, durch welche ein Maximum der Tm-Laserstrahlung austreten kann.
  • Direkt an den Tm-Laserkristall 18 des Tm-Lasers anstoßend ist ein Ho-dotierter Laserkristall 24 (Ho-Verstärker) angeordnet, dessen Eintrittsstirnfläche 26 eine hohe Transmission für die Emissionswellenlänge des Tm-Lasers von 1,9 μm und eine hohe Reflexion für die Wellenlänge des Ho-Lasers von etwa 2,1 μm aufweist. Die Austrittsfläche 28 des Ho-Kristalls wiederum hat eine hohe Transmission bei etwa 2,1 μm, so dass die zu verstärkende Strahlung optimal in den Ho-Kristall 24 eintreten und nach Verstärkung wieder austreten kann. Dazu ist ein Holmium-Laser 30 vorgesehen, dessen Strahl unter einem Winkel von kleiner 10° durch die Austrittsfläche 28 in den Laserkristall 24 eintritt, dort unter Verstärkung an der Eintrittsfläche 26 reflektiert wird und verstärkt erneut über die Austrittsfläche 28 die Laser-Verstärkeranordnung bei 32 verläßt.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Laser-Verstärker-Anordnung 10b, die im wesentlichen der in 1 entspricht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile. Der einzige konstruktive Unterschied besteht darin, dass der Ho-Laserkristall des Ho-Verstärkers 24 gegenüber dem Ho-Laserkristall des Tm-Lasers 18 beabstandet ist. Diese Anordnung ist baulich nicht ganz so kompakt wie die aus 1 dafür einfacher in der Fertigung.
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Laser-Verstärker-Anordnung 10c, die im wesentlichen der in 2 entspricht, nur dass zwischen dem Tm-Laser 18 und dem Ho-Verstärker 24 eine optische Linse 34 angeordnet ist, die den Tm-Laserstrahl optimal an den Ho-Verstärker 24 anpasst.
  • 4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Laser-Verstärker-Anordnung 10c, die im wesentlichen der aus 3 entspricht, nur dass anstelle der optischen Schichten an den Ein- und Austrittsflächen 20, 22 des Tm-Lasers 18 separate dichroitische Spiegel 36 vorgesehen sind und ein weiterer dichroitischer Spiegel 38 vorgesehen ist, an dem der Strahl des Ho-Lasers 30 nach Durchgang durch den Ho-Verstärker 24 reflektiert wird.
  • 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer Laser-Verstärker-Anordnung 10d, die im wesentlichen der in 1 entspricht, mit dem Unterschied, dass eine dichroitische optische Beschichtung 39 am pumpseitigen Ende des Tm-Lasers 18 angebracht ist, an der der Strahl des Ho-Lasers 30 reflektiert wird. Dabei ist mindestens eine der aneinanderstoßenden Stirnflächen des Thulium-dotierten Kristalls des Thulium-Lasers 18 und des Holmium-dotierten Kristalls des Holmium-Verstärkers 24 mit einer Antireflexionsschicht 41 versehen.
  • 6 zeigt eine sechste Ausführungsform einer Laser-Verstärker-Anordnung 10e, bei der der Ho-Laser auf der Pumpseite des Tm-Lasers 18 angeordnet ist und die zu verstärkende Strahlung mit der Wellenlänge von ca. 2,1 μm kollinear mit der Pumpstrahlung eines Diodenlasers für den Tm-Laser eingekoppelt wird.
  • 7 zeigt eine siebte Ausführungsform einer Laser-Verstärker-Anordnung 10f, die der aus 6 ähnlich ist mit dem Unterschied, dass die Strahlung des Ho-Lasers 30 über einen dichroitischen Spiegel 40 seitlich eingekoppelt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - „Optics Letters” Vol. 28, No. 20, vom 15.10.2003, Seiten 1933–1935 [0002]

Claims (19)

  1. Laser-Verstärker-Anordnung im 2 μm-Wellenlängenbereich mit einem von einem Diodenlaser (12) gepumpten Thulium-Laser (18), der einen Holmium-Verstärker (24) anregt, welcher den Strahl eines Holmium-Lasers (30) verstärkt, wobei der Thulium-Laser (18) ein Festkörperlaser ist und der Diodenlaser (12) eine Pumpleistung von wenigstens 200 W aufweist.
  2. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Holmium-Laser (30) gepulst ist.
  3. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulslänge 1 ns–500 ns beträgt.
  4. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Diodenlaser (12) und dem Thulium-Laser (30) eine Quarzfaser (14) angeordnet ist.
  5. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzfaser (14) einen Querschnitt von 100 μm–1000 μm sowie eine Länge von 10 cm–200 m aufweist.
  6. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpdauer des Thulium-Lasers (18) so gewählt ist, dass die Emissionsdauer im Bereich der Lebensdauer des oberen Laserniveaus des Holmium-Verstärkers (24) liegt.
  7. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diodenlaser (12) den Thulium-Laser (18) kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich anregt.
  8. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verstärkende Strahl des Holmium-Lasers (30) in den Holmium-Vertärker (24) von dessen Austrittsseite unter einem Winkel von höchstens 10° eintritt.
  9. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle des Thulium-Lasers (18) und des Holmium-Verstärkers (24) direkt aneinander angrenzend und optisch kontaktiert angeordnet sind.
  10. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Thulium-Laser (18) und Holmium-Verstärker (24) keine Reflexionsschicht vorgesehen ist, vielmehr eine Reflexionsschicht (39) an der Pumpseite des Thulium-Lasers (18) vorgesehen ist, so dass die Reflexion der zu verstärkenden Strahlung des Holmium-Lasers (30) an der Pumpseite des Thulium-Lasers (18) erfolgt.
  11. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der aneinanderstoßenden Stirnflächen des Thulium-dotierten Kristalls des Thulium-Lasers (18) und des Holmium-dotierten Kristalls des Holmium-Verstärkers (24) mit einer Antireflexionsschicht (41) versehen ist.
  12. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Holmium-Verstärker (24) innerhalb des Resonators des Thulium-Lasers (18) angeordnet ist und die Austrittsfläche (22) des Thulium-Lasers (3) für die Thulium-Laserwellenlänge antireflektierend beschichtet und die Austrittsfläche (28) des Holmium-Verstärkers (24) für diese Wellenlänge hochreflektierend ausgebildet ist.
  13. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Thulium-Laser (18) und Holmium-Verstärker (24) eine optische Linse (16) zur Strahlungsanpassung zwischen dem Thulium-Laserstrahl und dem verstärkten Holmium-Laserstrahl angeordnet ist.
  14. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpseite (20) des Thulium-Lasers (18) mit einer optischen Beschichtung versehen ist, welche für die Pumpstrahlung des Diodenlasers (12) verlustarm transmittierend und für die Thulium-Laserstrahlung nahe 100% reflektierend ist.
  15. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Thulium-Laser (18) und/oder zwischen Thulium-Laser (18) und Holmium-Verstärker (24) und/oder auskoppelseitig des Holmium-Verstärkers (24) separat montierte dichroitische Spiegel (36) anstelle auf den Stirnseiten der Kristalle angebrachter Reflexionsschichten vorgesehen sind.
  16. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung des Holmium-Lasers (30) kollinear mit der Pumpstrahlung des Thulium-Lasers (18) eingekoppelt ist.
  17. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Laserdiode (12) und Thulium-Laser (18) ein dichroitischer Spiegel (40) vorgesehen ist, der für die Pumpstrahlung des Thulium-Lasers (18) transmittierend und für die Strahlung des Holmium-Lasers (30) reflektierend ist, und über den die Strahlung des Holmium-Lasers (30) seitlich einleitbar ist.
  18. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung des Holmium-Lasers (30) gemeinsam mit der Pumpstrahlung für den Thulium-Verstärker (18) über eine optische Faseranordnung (14) einleitbar ist.
  19. Laser-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thulium-dotierte Laser-Kristall des Thulium-Lasers (18) mit Ytterbium codotiert ist (Yb:Tm:Host) und der Hochleistungsdiodenlaser eine Wellenlänge im Bereich von 920–990 nm aufweist.
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G.Renz, W.Bohn, "Two-micron thulium-pumped-holmium laser source for DIRCM applications". In: Proc. SPIE, Vol. 6552, High Power Lasers and Advanced Thermal Management, Paper No. 655202, 15 Seiten, 2007 *
G.Renz, W.Bohn, "Two-micron thulium-pumped-holmium laser source for DIRCM applications". In: Proc. SPIE, Vol. 6552, High Power Lasers and Advanced Thermal Management, Paper No. 655202, 15 Seiten, 2007 Y.Jeong, u. a., "Power scaling of 2 µm yttebium-sensitised thulium-doped silica fibre laser diode-pumped at 975nm". In: Electronics Letters, Vol. 41, No. 4, S. 173-174, 2005 S.So, u. a., "Intra-cavity side-pumped Ho: YAG laser". In: OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 22, S. 10481-10487, 2006
S.So, u. a., "Intra-cavity side-pumped Ho: YAG laser". In: OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 22, S. 10481-10487, 2006 *
Y.Jeong, u. a., "Power scaling of 2 µm yttebium-sensitised thulium-doped silica fibre laser diode-pumped at 975nm". In: Electronics Letters, Vol. 41, No. 4, S. 173-174, 2005 *

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