DE102010005167B4

DE102010005167B4 - Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102010005167B4
Application number: DE102010005167A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Peuser Peter; Dr. Platz Willi
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: DE102010005167A1

Abstract

Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls (8), mit: – einem Laseroszillator (6) mit einem laseraktiven Medium, wobei der Laseroszillator (6) derart konfiguriert ist, bei optischer Anregung mittels eines Pumpstrahls (3) einen Laserstrahl (8) zu emittieren und wobei der Laseroszillator (6) in einem für den Pumpstrahl (3) gebildeten optischen Strahlengang (34) angeordnet ist, – einer Verstärkereinrichtung (31) mit mindestens einer ein Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) aufweisenden Verstärkerstufe (32), wobei das Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) derart konfiguriert ist, in einem optisch angeregten Zustand einen einzukoppelnden Laserstrahl (8) zu verstärken und wobei die mindestens eine Verstärkerstufe (32) einen Pumpspiegel (14) aufweist, der den in das Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) eingekoppelten Laserstrahl (8) mit einer Reflexion von grösser als 80%, vorzugsweise von grösser als 90%, vorzugsweise von grösser als 99% zurückspiegelt und den Pumpstrahl (3) mit einer Transmission von grösser als 90%, vorzugsweise von grösser als 95%, insbesondere von grösser als 99% durchlässt, einer Verstärkereinkoppeleinrichtung, welche derart konfiguriert ist, den Pumpstrahl (3) in die mindestens eine Verstärkerstufe (32) einzukoppeln, um das Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) optisch anzuregen, – Umlenkungsoptiken (12, 13a, 13b; 12, 13a, 13b, 13c; 13a; 12, 13; 13a, 13b) zum Umlenken des Laserstrahls (8), welche derart konfiguriert sind, den zu verstärkenden Laserstrahl (8) in die Verstärkerstufe (32) einzukoppeln und wobei zusammen mit dem Pumpspiegel (14) des Verstärkermediums (9; 9a; 9b; 9c) mindestens ein zweifacher Durchlauf des Laserstrahls (8) durch die Verstärkerstufe (32) ermöglicht ist, wobei der Laseroszillator (6) und die Verstärkerstufe (32) kollinear angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls, insbesondere einen fasergepumpten Festkörper-Oszillator-Verstärker mit einem mehrfachen Strahldurchgang im Verstärker und/oder einem mehrstufigen Verstärker.
Hintergrund der Erfindung
Für zahlreiche Anwendungen sind miniaturisierte Laser wünschenswert oder sogar erforderlich, welche gepulste Laserstrahlung mit Pulsbreiten von wenigen Nanosekunden und Pulsenergien im Bereich von mehreren Millijoule erzeugen können, wie beispielsweise für langreichweitige Laser-Messsysteme, zur Materialfeinbearbeitung oder zur Anregung optisch nicht-linearer Prozesse. Diodengepumpte Festkörperlaser sind hierfür besonders geeignet. Die erforderlichen Pulsleistungen liegen typischerweise im Bereich von etwa 100 kW bis zu mehr als 1 MW. 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. Bekannt ist es hier insbesondere, wenn die Kopplung mit der Versorgungs- und Kontrollelektronik über eine lange Faserverbindung hergestellt werden kann.
Mittels passiver Güteschaltung lassen sich besonders kompakte oder auch miniaturisierte Pulslaser realisieren, jedoch ist ein zuverlässiger Betrieb mit hoher Strahlqualität und Amplitudenstabilität nur bei geringen Pulsenergien von wenigen Millijoule möglich. 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 ist mit solchen Konfigurationen keine Miniaturisierung möglich.
Bekannte gepulste Faserlaser oder Faserverstärker-Anordnungen zeichnen sich zwar durch eine kompakte Bauweise und eine gute Strahlqualität aus, jedoch liegen die verfügbaren Pulsleistungen meist unterhalb von 100 kW, was für viele Anwendungen nicht mehr ausreicht. Hierbei begrenzen verschiedene grundlegende physikalische Prozesse die Pulsenergien auf dem Bereich von typischerweise etwa 1 mJ. Diese Prozesse sind in erster Linie ASE (sogenanntes Amplified Spontaneous Emission), stimulierte Brillouin-Streuung, stimulierte Raman-Streuung sowie Selbstfokussierung. Aufgrund des kleinen Faserquerschnitts kommen im Nanosekunden-Pulsbetrieb sehr hohe Intensitäten zustande, so dass bei einer Skalierung der Pumpleistung die Faser schließlich zerstört wird. Um einige wenige Millijoule zu erzeugen, müsste der Faserquerschnitt soweit vergrößert werden, dass die Strahlqualität erheblich reduziert würde.
Im Allgemeinen wird eine große Verstärkung bzw. ein großer Verstärkerwirkungsgrad im Falle von Festkörperlaserverstärkern nur mit einem mehrfachen Strahldurchgang durch das Verstärkermedium und/oder einer mehrstufigen Verstärkeranordnung erreicht. Dies gilt in gleichem Maße ebenso für die Erzielung eines großen Gesamtwirkungsgrades und, daran gekoppelt, einer geringeren thermischen Belastung des Verstärkermediums und somit höherer mittlerer Leistungen sowie einer hohen Strahlqualität.
So ist aus der Patentschrift DE 198 11 174 B4 ein von Laserdioden gepumpter Laserverstärker bekannt. Hier regen zwei Laserdioden einen Laserkristall optisch an, so dass ein eingekoppelter Laserstrahl verstärkt wird. Mittels eines vom Laserkristall räumlich getrennten Faltspiegels wird ein mehrfacher Durchlauf des zu verstärkenden Laserstrahls erreicht. Nachteilig ist hierbei allerdings, dass der Verstärker drei verschiedene von einander räumlich getrennte Laser umfasst, so dass eine miniaturisierte Bauweise nicht möglich ist.
Aus der Offenlegungsschrift DE 103 57 517 A1 ist ein Doppelpass-Laserverstärker bekannt. Der Doppelpass-Laserverstärker wird über eine Lichtfaserleitung longitudinal gepumpt. Eine zu verstärkende Laserstrahlung wird mittels eines Strahlteilers in den Pumpstrahl eingekoppelt, um eine vollständige Überlappung der Pumpstrahlung mit der zu verstärkenden Laserstrahlung in dem Verstärker zu erreichen. Der zu verstärkende Laserstrahl muss also mittels zusätzlicher optischer Elemente eingekoppelt werden. Eine kompakte und miniaturisierte Bauweise ist insofern nicht möglich.
Die WO 2009/144248 A1 offenbart eine miniaturisierte Laserverstärkeranordnung mit einer optischen Pumpquelle zum Aussenden von Pumpstrahlung, einem Laseroszillator, der durch einen Teil der Pumpstrahlung zum Aussenden eines Laserstrahls anregbar ist, einem Laserverstärker, der sowohl zum Empfangen des Laserstrahls als auch der Pumpstrahlung ausgebildet ist, um den Laserstrahl mittels Pumpstrahlung zu verstärken, und einer optischen Einrichtung zum Einleiten von Pumpstrahlung zu dem Laserverstärker.
Die DE 10 2008 025 823 A1 offenbart eine Laserverstärkeranordnung mit einer optischen Pumpquelle zum Aussenden von Pumpstrahlung, wobei die Laserverstärkeranordnung wenigstens eine erste Strahlquelle zum Erzeugen einer ersten Pumpstrahlung zum Pumpen des Laseroszillators und wobei wenigstens eine zweite Strahlquelle zum Erzeugen einer zweiten Pumpstrahlung für den Laserverstärker und eine Pumpstrahlungsleiteinrichtung aufweist.
Die DE 10 2008 029 776 A1 offenbart eine Faserlaseranordnung mit einer Strahlungsquelle bestehend aus einem ersten und einem zweiten Diodenlaser, einer optischen Umlenkeinrichtung, einem Laseroszillator und einem Festkörper-Laserverstärker, der im Nahebereich des Faseraugangs zum Verstärken des Laserstrahls angeordnet ist.
Die DE 10 2006 024 679 A1 offenbart eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfasst mindestens eine Pumplichtquelle, welche ein Pumplicht bereitstellt. Ferner ist eine Lasereinrichtung vorgesehen, von der ein Laserlicht zur Abstrahlung in einen Brennraum erzeugt werden kann. Eine Lichtleitereinrichtung überträgt das Pumplicht von der Pumplichtquelle zur Lasereinrichtung, welche mindestens eine Brechungseinrichtung, beispielsweise eine Linse, umfasst, welche das Pumplicht bricht und mit ihr einstückig ist.
Die DE 10 2006 024 678 A1 offenbart eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Pumplichtquelle, welche Pumplicht bereitstellt, wobei eine Lasereinrichtung vorgesehen ist, die einen Laserimpuls zur Abstrahlung in einen Brennraum erzeugt. Dabei werden die Lasereinrichtung, ein laseraktiver Festkörper ein passiver Q-Switch, ein Einkoppelspiegel und ein Auskoppelspiegel der Lasereinrichtung als insgesamt monolithisches Teil ausgebildet.
Der in der Zeitschrift Applied Optics Vol. 48, No 19, erschienen am 1. Juli 2009, veröffentliche Artikel von „Peter Peuser, u. a.” offenbart eine Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls mit einem vierfachen Durchlauf des Strahls in einer Verstärkerstufe, wobei zwei Oszillatoren notwendig sind und die Anordnung der Verstärkerstufe und des Laseroszillators nicht kollinear ist. Hierbei wird der aus dem Dioden-Modul emittierte Laserstrahl durch den halbdurchlässigen Spiegel jeweils im Verhältnis 20% zu 80% in zwei von einander räumlich unabhängige Strahlengänge aufgeteilt.
Des Weiteren weist der pumpende Laser Oszillator folgende Komponenten auf:

• ein Diaphragma mit variabler Blende zur Kontrolle der Pumpleistung,
• einen als Auskopplungs-Spiegel ausgeformten Resonator,
• einen Polarisator, um eine stabile lineare, Polarisation zu erreichen,
• ein Kristall für passives Q-switching,
• eine Half-wave plate,
• einen Faraday Isolator, und
• eine optische Linse zum Fokussieren.

Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls zu schaffen, welche besonders kompakt und miniaturisiert aufgebaut ist und einen hohen Integrationsgrad ermöglicht, mittels welcher gleichzeitig leistungsstarke Nanosekundenpulse und große mittlere Leistungen erzeugt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls geschaffen, mit:

– einem Laseroszillator mit einem laseraktiven Medium, wobei der Laseroszillator derart konfiguriert ist, bei optischer Anregung mittels eines Pumpstrahls einen Laserstrahl zu emittieren,
– einer Verstärkereinrichtung mit mindestens einer ein Verstärkermedium aufweisenden Verstärkerstufe, wobei das Verstärkermedium derartig konfiguriert ist, in einem optisch angeregten Zustand einen einzukoppelnden Laserstrahl zu verstärken,
– einer Verstärkereinkoppeleinrichtung, welche derart konfiguriert ist, den Pumpstrahl in die mindestens eine Verstärkerstufe einzukoppeln, um das Verstärkermedium optisch anzuregen,
– wobei der Laseroszillator in einem für den Pumpstrahl gebildeten optischen Strahlengang angeordnet ist, und
– Mittel zum Bilden mindestens eines optischen Verstärkerstrahlengangs in der mindestens einen Verstärkerstufe, für den aus dem Laseroszillator emittierten Laserstrahl, so dass mindestens ein Durchlauf des Laserstrahls durch die mindestens eine Verstärkerstufe ermöglicht ist, um den Laserstrahl zu verstärken, wobei die Mittel weiterhin derart konfiguriert sind, den Laserstrahl in die mindestens eine Verstärkerstufe einzukoppeln.

Mittels der Vorrichtung ist ein integrierter Aufbau einer Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration geschaffen, welche gleichzeitig einen großen Verstärkungswirkungsgrad erzielt. Die erfindungsgemäße Miniaturisierung wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Laseroszillator, welcher einen zu verstärkenden Laserstrahl emittiert, in dem für den Pumpstrahl gebildeten optischen Strahlengang angeordnet ist, so dass der zu verstärkende Laserstrahl nicht erst aufwendig mittels zusätzlicher optischer Elemente in den Pumpstrahlengang eingekoppelt werden muss. Somit ist es ermöglicht, dass ein Pumplaser den Laseroszillator, wobei der Laseroszillator beispielsweise auch als ein Faserlaser gebildet sein kann, und gleichzeitig auch die Verstärkereinrichtung optisch anregt bzw. pumpt. Vorzugsweise wird ein kleiner Teil des Pumpstrahls dazu verwendet, um den Laseroszillator, insbesondere einen miniaturisierten Laseroszillator, zu pumpen. Vorzugsweise weist der Laseroszillator eine passive Güteschaltung auf, beispielsweise eine passive Güteschaltung mit einem Güteschalterkristall. Der größere Teil des insgesamt verfügbaren Pumpstrahls wird dann genutzt, um die Verstärkereinrichtung optisch anzuregen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß mindestens ein optischer Verstärkerstrahlengang in dem Verstärkermedium gebildet, so dass der zu verstärkende Laserstrahl das Verstärkermedium mehrfach durchläuft, was im Folgenden auch als ein Multipass bezeichnet wird. Vorzugsweise durchläuft der zu verstärkende Laserstrahl das Verstärkermedium zweimal (Doppelpass), vorzugsweise viermal (Vierpass). Des Weiteren weist die Verstärkereinrichtung erfindungsgemäß mindestens eine Verstärkerstufe auf, insbesondere zwei Verstärkerstufen.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also erreicht, dass in der mindestens einen Verstärkerstufe ein mehrfacher Strahldurchgang im Verstärkermedium zustande kommt und/oder ein mehrstufiger Verstärkeraufbau realisiert werden kann, wodurch unter Beibehaltung eines hohen Miniaturisierungsgrades, große Verstärkungsfaktoren und somit ein großer Wirkungsgrad sowie auch große mittlere Leistungen erzielt werden können.
Geeignete Pumplaser sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise Festkörperlaser, eine Diodenlaser-Strahlenquelle oder einen Diodenlaser, insbesondere eine fasergekoppelten Diodenlaser-Strahlenquelle oder einen fasergekoppelten Diodenlaser, oder einen Faserlaser. In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Laseroszillator und die Verstärkereinrichtung kollinear angeordnet. Insbesondere wird das laseraktive Material im Laseroszillator in der sogenannten longitudinalen Pumpgeometrie angeordnet. Geeignete laseraktive Materialien bzw. Medien sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO₄ oder Nd:YAlO₃ Laserkristalle, Kristalle mit Dotierungen aus Yb, Tm oder Ho oder auch entsprechende keramische Lasermaterialien. Im Falle von Nd-dotierten Festkörperlasermaterialien liegt die Wellenlänge der Pumpstrahlung im Bereich von etwa 800 nm oder 880 nm, im Falle von Yb-dotierten aktiven Materialien bei etwa 940 nm oder 970 nm und für Ho-dotierte aktive Materialien bei etwa 1940 nm.
Mittels der Vorrichtung ist es nicht nur ermöglicht, kurze Laserpulse im Bereich von einigen Nanosekunden bis hin zu einigen Pikosekunden, vorzugsweise von 1 ns bis 1 ps, zu erzeugen, sondern insbesondere auch kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Laserstrahlung zu erzeugen, was auch als als Single-Frequency-Laserstrahlung bezeichnet wird. Das wird insbesondere dann erreicht, wenn auf eine passive Güteschaltung verzichtet wird, also insbesondere dann wenn der Güteschalterkristall nicht eingesetzt wird oder wenn der Laseroszillator als Einfrequenzlaser („Single-Frequency-Laser”) ausgebildet ist. Dabei werden die wesentlichen Eigenschaften des Laserstrahls bis auf die Leistung des Gesamtsystems durch den Laseroszillator bestimmt. Auch hierbei ist es von Vorteil, die optimalen Strahleigenschaften im Bereich geringer Ausgangsleistungen des Laseroszillators zu realisieren und den Laserstrahl dann zu verstärken.
Die Vorrichtung kann insbesondere in Laser-unterstützten Sensoren, insbesondere langreichweitigen Laser-unterstützten Sensoren, Massenspektrometern, insbesondere in der Laser Ionisation Massenspektrometrie, in Ionen-Mobilitätsspektrometern, in Lasersystemen zur Materialbearbeitung, insbesondere in Roboter-getragenen Lasersystemen, in Lidar(Light Detection and Ranging)-Systemen, Ladar(Laser Detection and Ranging)-Systemen, insbesondere in miniaturisierten Lidar- oder Ladar Systemen, vorzugsweise in Flugzeug-getragenen Lidar- oder Ladar-Systemen, in Lasersendern, insbesondere miniaturisierten Lasersendern, vorzugsweise für Weltraumanwendungen oder in Kompaktlaser für die Solarindustrie oder in miniaturisierten Pumplasern für effiziente optisch-nichtlineare Prozesse oder in miniaturisierten Pulslasern für LIMS der nächsten Generation verwendet werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verstärkereinkoppeleinrichtung eine Kollimatorlinse. Hierdurch kann insbesondere der Pumpstrahl besonders effizient in die mindestens eine Verstärkerstufe eingekoppelt werden. Vorzugsweise können bei mehreren Verstärkerstufen mehrere Kollimatorlinsen vorgesehen sein, wobei die mehreren Kollimatorlinsen insbesondere jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen, so dass in einer kollinearen Anordnung jede Kollimatorlinse nur einen Teil des Pumpstrahls in die jeweilige Verstärkerstufe einkoppelt.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist durch die Kollimatorlinse parallel zur optischen Achse eine Aussparung gebildet. Durch diese Aussparung kann insbesondere der zu verstärkende Laserstrahl geführt werden, so dass eine kollineare Anordnung des Laseroszillators mit der Verstärkereinrichtung ermöglicht ist. Die Aussparung kann zentrisch zur optischen Achse gebildet sein oder auch dezentral relativ zur optischen Achse. Bei einer dezentralen Anordnung der Aussparung ist es vorteilhaft, wenn auch der Laseroszillator entsprechend dezentral zur optischen Achse angeordnet ist, so dass der zu verstärkende Laserstrahl direkt durch die Aussparung geführt werden kann. Vorteilhafterweise werden so keine zusätzlichen Optiken benötigt, um den zu verstärkenden Laserstrahl in die Verstärkerstufe einzukoppeln. Die Kollimatorlinse kann in diesem Fall, also bei einer dezentralen Anordnung der Aussparung, zentrisch zur optischen Achse angeordnet werden, so dass der Pumpstrahl die Kollimatorlinse in Bereichen nahe zur optischen Achse passieren kann. Da in diesen Bereichen optische Abbildungsfehler oder chromatische Aberrationen gering sind, wird so eine gute Strahlqualität des Pumpstrahls sichergestellt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mittel zum Bilden mindestens eines optischen Verstärkerstrahlengangs in der mindestens einen Verstärkerstufe Umlenkungsoptiken umfassen. Vorzugsweise umfassen die Mittel Umlenkspiegel und/oder Umlenkprismen. Insbesondere weisen die Umlenkungsoptiken dielektrische Beschichtungen auf, so dass eine hohe Strahlqualität des zu verstärkenden Laserstrahls sichergestellt ist.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Laseroszillatoreinkoppeleinrichtung vorgesehen, die derart konfiguriert ist, den Pumpstrahl in den Laseroszillator einzukoppeln. Hierdurch ist es ermöglicht, den Pumpstrahl effizient und genau in den Laseroszillator einzukoppeln, insbesondere kann ein Einkoppelwinkel abhängig von dem laseraktiven Medium eingestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Laseroszillatoreinkoppeleinrichtung eine weitere Kollimatorlinse und/oder eine optische Faser. Insbesondere kann die optische Faser direkt an einen Festkörperlaser, insbesondere einen Diodenlaser, angekoppelt sein, so dass der Pumpstrahl direkt und ohne weitere Optiken zu dem Laseroszillator geleitet werden kann. Insbesondere wenn das dem Pumplaser abgewandte Ende der optischen Faser im Fokus der weiteren Kollimatorlinse liegt, wird der Pumpstrahl durch die Kollimatorlinse parallelisiert und kann parallel zur optischen Achse, in das laseraktive Medium eingestrahlt werden. Hierdurch werden insbesondere Reflexionen am Laseroszillator vermieden. Vorzugsweise umfasst der Laseroszillator eine kleine Fokussierlinse, welche den Pumpstrahl in das laseraktive Medium fokussiert, um eine hohen Anregungswirkungsgrad im laseraktiven Medium zu erreichen. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Kollimatorlinse eine Aussparung gebildet, vorzugsweise eine Durchbohrung, so dass der Pumpstrahl ungehindert durch die Kollimatorlinse in den Laseroszillator eingekoppelt werden kann.
Nach einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Laseroszillator in einer Haltereinrichtung angeordnet ist, wobei die Haltereinrichtung für die Wellenlänge des Pumpstrahls zumindest teilweise optisch durchlässig ist. Hierdurch kann der Laseroszillator besonders sicher gehalten sein, um insbesondere Vibrationen in dem laseraktiven Medium zu verringern. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung aus einem für die Wellenlänge des Pumpstrahls optisch transparenten Material gebildet. Beispielsweise kann die Halteeinrichtung auch Aussparungen aufweisen, durch welche der Pumpstrahl durchlaufen kann. Insbesondere kann die Halteeinrichtung auch durchbrochen gebildet sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Verstärkerstufe einen Pumpspiegel auf. Somit wird der in der mindestens einen Verstärkerstufe verstärkte Laserstrahl besonders vorteilhaft aus der Verstärkerstufe ausgekoppelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Pumpspiegel eine Transmission von größer als 90%, vorzugsweise von größer als 95%, insbesondere von größer als 99% der Wellenlänge des Pumpstrahls und eine Reflexion von größer als 80%, vorzugsweise von größer als 90%, vorzugsweise von größer als 99% der Wellenlänge des zu verstärkenden Laserstrahls auf. Hierdurch wird insbesondere erreicht, dass der Pumpstrahl weitgehend ungestört in die mindestens eine Verstärkerstufe eingekoppelt werden kann und der zu verstärkende Laserstrahl, welcher mittels der erfindungsgemäßen Mittel in die mindestens eine Verstärkerstufe eingekoppelt wird, an dem Pumpspiegel reflektiert wird, so dass ein mehrfacher Strahldurchgang im Verstärkermedium realisiert werden kann.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben. Hierbei zeigen
1 einen Laseroszillator und eine Verstärkereinrichtung mit einer Verstärkerstufe, wobei zwei optische Verstärkerstrahlengänge in der Verstärkerstufe gebildet sind,
2 einen Laseroszillator mit einer Verstärkereinrichtung mit einer Verstärkerstufe, wobei vier optische Verstärkerstrahlengänge in der Verstärkerstufe gebildet sind,
3 einen Laseroszillator mit einer Verstärkereinrichtung, wobei zwei optische Verstärkerstrahlengänge gebildet sind,
4 einen Laseroszillator mit einer Verstärkereinrichtung, wobei zwei optische Verstärkerstrahlengänge gebildet sind,
4a eine alternative Ausführungsform der in 4 gezeigten Verstärkerstufe,
4b eine weitere Ausführungsform der in 4 gezeigten Verstärkerstufe,
5 einen Laseroszillator und eine Verstärkereinrichtung mit zwei Verstärkerstufen,
6 einen als Faserlaser gebildeten Laseroszillator mit einer Verstärkereinrichtung mit zwei Verstärkerstufen,
7 einen Laseroszillator mit einer Verstärkereinrichtung mit zwei Verstärkerstufen,
7a eine alternative Ausführungsform des in 7 gezeigten Laseroszillators,
8 einen Laseroszillator mit einer Verstärkereinrichtung mit zwei Verstärkerstufen, wobei in einer Verstärkerstufe zwei optische Verstärkerstrahlengänge gebildet sind, und
9 einen Laseroszillator und eine Verstärkereinrichtung mit zwei Verstärkerstufen, wobei in einer Verstärkerstufe zwei optische Verstärkerstrahlengänge gebildet sind.
Im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
1 zeigt einen Laseroszillator 6 und eine Verstärkereinrichtung 31 mit einer Verstärkerstufe 32 in kollineare Anordnung, das heißt, dass die optische Achse des Laseroszillators 6 kollinear zu der optischen Achse der Verstärkereinrichtung 31 angeordnet ist. Der Laseroszillator 6 ist in einer Halteeinrichtung 11 angeordnet, welche einen Kühlkörper (nicht gezeigt) aufweist. Vorzugsweise ist der Kühlkörper in die Halteeinrichtung 11 integriert. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann der Kühlkörper eine Wasserkühleinrichtung aufweisen. Vorzugsweise weist der Kühlkörper Wärmeleitrippen, insbesondere sind die Wärmeleitrippen aus Aluminium oder Kupfer gebildet. Die Verstärkerstufe 32 weist ein Verstärkermedium 9 auf. Vorzugsweise ist das Verstärkermedium 9 als ein Verstärkerkristall gebildet. Die Verstärkerstufe 32 ist in einer Halteeinrichtung 11a angeordnet, wobei die Halteeinrichtung 11a analog zu der Halteeinrichtung 11 ausgebildet sein kann.
Die dem Laseroszillator 6 zugewandten Seite der Verstärkerstufe 32 weist einen Pumpspiegel 14 auf. Der Pumpspiegel 14 weist eine Transmission von mehr als 90% bei der Wellenlänge des Pumpstrahls auf. Gleichzeitig weist der Pumpspiegel eine hohe Reflexion, das heißt mehr als 90%, bei der Wellenlänge des zu verstärkenden Laserstrahls auf, welche im Fall von Nd-dotierten aktiven Materialien in erster Linie etwa 1064 nm beträgt, für Yb-dotierte Materialien bei etwa 1030 nm liegt und im Falle von Ho-dotierten Materialien bei etwa 2,1 μm. Zwischen dem Laseroszillator 6 und der Verstärkerstufe 32 ist eine Verstärkereinkoppeleinrichtung in Form einer Fokussierlinse 7 gebildet. Die Fokussierlinse 7 fokussiert einen Pumpstrahl 3 (gestrichelte Linien) auf den Pumpspiegel 14 und koppelt somit den Pumpstrahl 3 in die Verstärkerstufe 32 und insofern in das Verstärkermedium 9 ein. Der Pumpstrahl 3 selber wird von einem Hochleistungsdiodenlaser 1 erzeugt, wobei der Pumpstrahl 3 von dem Hochleistungsdiodenlaser 1 mittels einer optischen Faser 2 optisch zu dem Laseroszillator 6 geleitet wird. Das dem Hochleistungsdiodenlaser 1 abgewandte Ende der optischen Faser 2 liegt ungefähr im Fokuspunkt einer Kollimatorlinse 4, so dass die Kollimatorlinse 4 den Pumpstrahl 3 zu einem parallelen Strahlenbündel kollimiert, wodurch insofern ein optischer Strahlengang 34 für den Pumpstrahl 3 gebildet ist. Der Laseroszillator 6 selber ist in dem optischen Strahlengang 34 zwischen der Kollimatorlinse 4 und der Fokussierlinse 7 angeordnet und zwar auf der optischen Achse der Kollimatorlinse 4 und der Fokussierlinse 7. Der Teil des Pumpstrahls 3, der auf der optischen Achse liegt, wird von der Kollimatorlinse 4 nicht abgelenkt, und wird direkt in den Laseroszillator 6 eingekoppelt. Die optische Faser 2 und die Kollimatorlinse 4 bilden insofern eine Laseroszillatoreinkoppeleinrichtung. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst der Laseroszillator 6 an dem der Kollimatorlinse 4 zugewandten Seite des Laseroszillators 6 eine Oszillatorfokussierlinse 5 zum Fokussieren des Pumpstrahls 3 in ein laseraktives Medium, welches vorzugsweise ein Kristall, insbesondere ein Güteschalterkristall sein kann. Die Oszillatorfokussierlinse 5 ist optional und kann auch weggelassen werden.
Die Halteeinrichtung 11 ist aus einem für die Wellenlänge des Pumpstrahls 3 zumindest teilweise optisch durchlässigen Material gebildet, so dass der Pumpstrahl 3 quasi ungehindert durch die Halteeinrichtung 11 geführt werden kann.
Der Pumpstrahl 3 pumpt das laseraktive Medium. Der Laseroszillator 6 wird dann einen zu verstärkenden Laserstrahl 8 (durchzogene Linie) aus dem Laseroszillator 6 hin zur Verstärkerstufe 9 emittieren, wobei unmittelbar nach dem Ausgang des Laseroszillators 6 ein Umlenkprisma 12 angeordnet ist, welches den Laserstrahl 8 aus dem für den Pumpstrahl gebildeten Strahlengang 34 auskoppelt und seitlich eng an der Verstärkerstufe 32 vorbeiführt. Alternativ kann der Laserstrahl 8 auch mittels zweier kleiner Umlenkspiegel ausgekoppelt werden. Zwei weitere Umlenkspiegel 13a, 13b koppeln den Laserstrahl 8 auf der dem Pumpspiegel 14 abgewandten Seite der Verstärkerstufe 32 in die Verstärkerstufe 32 ein, so dass der Laserstrahl 8 auf den Pumpspiegel 14 trifft und von diesem reflektiert wird, so dass ein zweifacher Verstärkerstrahlengang 35a, 35b zustande kommt in Form eines spitzen „V”. Der zweifach verstärkte Laserstrahl 8 verlässt als verstärkter Laserstrahl 10 die Verstärkerstufe 32. Das Umlenkprisma 12, die Umlenkspiegel 13a und 13b sowie der Pumpspiegel 14 bilden in diesem Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäßen Mittel zum Bilden mindestens eines optischen Verstärkerstrahlengangs. Durch das Umlenkprisma 12 werden nur unwesentlich kleine Verluste des Pumpstrahls 3 verursacht, so dass der restliche Teil des Pumpstrahls 3 das Verstärkermedium 9 ausreichend optisch anregen kann. Somit lässt sich die in 1 gezeigte Anordnung in einer miniaturisierten Form gestalten.
2 zeigt die in 1 gezeigte Anordnung, wobei hier zusätzlich noch ein weiterer Umlenkspiegel 13c vorgesehen ist, so dass ein vierfacher Verstärkerstrahlengang 35a, 35b, 35c, 35d, ein sogenannter Vierpass-Strahlengang, in der Verstärkerstufe 32 gebildet ist. Der durch die in 2 gezeigte Spiegelanordnung erzeugte Vierpass-Strahlengang verläuft in zwei zueinander orthogonalen Ebenen 15a und 15b.
Mittels der in 3 gezeigten Ausführungsform wird ein Doppelpass-Verstärkeraufbau erreicht, indem der Verstärkerkristall 9 mit planparallelen Endflächen unter einem von 90° geringfügig abweichenden Winkel relativ zur optischen Achse so in den optischen Strahlengang 34 eingesetzt wird, dass mittels des Pumpspiegels 14 und des Umlenkspiegels 13a, welche hier direkt auf jeweils einen Teil der Endfläche der Verstärkerstufe 32 aufgebracht sind, ein Z-förmiger Strahlenverlauf im Verstärkermedium erzeugt wird. Hier werden mittels des Umlenkspiegels 13a und des Pumpspiegels 14 zwei Verstärkerstrahlengänge 35a und 35b in dem Verstärkermedium 9 gebildet. Vorzugsweise sind die verbleibenden freien Flächen der Verstärkerstufe 32 mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, so dass der Laserstrahl 8 und der verstärkte Laserstrahl 10 an den Endflächen möglichst geringe Verluste erfahren.
Der Pumpstrahl 3 wird mittels einer Fokussierlinse 7a auf den Scheitelpunkt des optischen Strahlengangs 34 auf den Pumpspiegel 14 gerichtet, wofür die Linse 7a dezentral relativ zur optischen Achse geringfügig verschoben angeordnet ist. Ferner weist die Fokussierlinse 7a eine parallel zur optischen Achse angeordnete Aussparung in Form einer azentrischen Durchbohrung 7b auf, das heißt, dass die Durchbohrung 7b dezentral angeordnet ist, um einen Durchgang für den von dem Laseroszillator 6 emittierten Laserstrahl 3 zu ermöglichen. In diesem Ausführungsbeispiel bilden der Umlenkspiegel 13a und der Pumpspiegel 14 und die Aussparung 7b die erfindungsgemäßen Mittel zum Bilden mindestens eines optischen Verstärkerstrahlengangs.
Analog zu 3 lässt sich auch gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform ein zweifacher Verstärkerstrahlengang 35a und 35b in dem Verstärkermedium 9 erzeugen, wobei hier der Laseroszillator 6 dezentral zu der optischen Achse, das heißt zu der durch die optische Faser 2 vorgegebenen Achse in der Haltereinrichtung 11 eingebaut ist und die optische Fokussierlinse 7a für die Fokussierung des Pumpstrahls 3 in das Verstärkermedium 9 zentrisch zu der optischen Achse angeordnet ist, jedoch mit einer dezentralen Aussparung in Form einer Durchbohrung 7b für den freien Durchgang des zu verstärkenden Laserstrahls 3. Durch die zentrische Anordnung der optischen Fokussierlinse 7a lässt sich insbesondere eine verbesserte Abbildung des Pumpstrahls 3 erreichen, wobei das Verstärkermedium 9 auf der zentralen, das heißt optischen Achse der fasergepumpten Konfiguration liegt.
In 4a und 4b sind weitere beispielhafte Ausführungsformen der Verstärkerstufe 32 dargestellt, wobei hier der Eintritt des Laserstrahls 8 in das Verstärkermedium 9 und 9 senkrecht zur Pumpfläche verläuft.
5 zeigt einen Laseroszillator 6 mit einer Verstärkereinrichtung 31 mit zwei Verstärkerstufen 32 und 32a, wobei die Verstärkerstufe 32 einen Verstärkerkristall 9 aufweist. Auch hier sind der Laseroszillator 6, die Verstärkerstufen 32 und 32a kollinear zueinander angeordnet. Ein Teil des durch die Kollimatorlinse 4 kollimierten Pumpstrahls 3 wird mittels einer Fokussierlinse 7 mit einem kleineren Durchmesser als die Kollimatorlinse 4 und einer zentrisch angeordneten Durchbohrung 7b der Verstärkerstufe 32a zugeführt, während eine zweite Fokussierlinse 17 mit einer weiteren zentrisch angeordneten, also zentrischen, Durchbohrung 17a, wobei die zweite Fokussierlinse 17 einen größeren Durchmesser als die Fokussierlinse 7 aufweist, den äußeren, ringförmigen Teil des kollimierten Pumpstrahls 3 in das Verstärkermedium der zweiten Verstärkerstufe 32 fokussiert. Die Fokussierlinse 7 und die Fokussierlinse 17 bilden in diesem Ausführungsbeispiel die Verstärkereinkoppeleinrichtung 30 zum Einkoppeln des Pumpstrahls 3 in die Verstärkereinrichtung 31. Beide Linsen 7 und 17 weisen wie beschrieben jeweils eine zentrale Durchbohrung 7b und 17a auf, durch die Laserstrahl 8 des Laseroszillators bzw. der durch die Verstärkerstufe 32 verstärkte Laserstrahl 10 verläuft. Auf diese Weise wird eine äußerst kompakte, miniaturisierte Ausführung eines Laseroszillator-Verstärker-Systems mit zwei Verstärkerstufen ermöglicht. Die Verstärkerstufe 32a mit dem Verstärkerkristall 16 bildet insofern eine Vorverstärkerstufe mit einem Vorverstärkerkristall, wobei der Vorverstärkerkristall vorzugsweise in einer Halterung (nicht gezeigt) angeordnet sein kann.
Grundsätzlich ist auch ein Verstärkersystem mit drei oder mehr Stufen entsprechend realisierbar. Aufgrund der Aufteilung der Pumpenergie auf mehr als ein Verstärkermedium wird erreicht, dass die entsprechende thermische Belastung des Verstärkermediums reduziert wird, wodurch eine höhere Strahlqualität bereitgestellt wird sowie einen sicheren Verstärkerbetrieb weitab von der Zerstörschwelle des Verstärkermediums und/oder große mittlere Leistungen erzielt.
In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist der Laseroszillator 6 durch einen Faserlaser 19 gebildet, insbesondere durch einen Faserverstärker, welcher in einer Faserlaser-Halteeinrichtung 20 angeordnet ist. Hierdurch wird eine beträchtliche Leistungsskalierung gepulster Faserlaser ermöglicht.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform entspricht der Ausführungsform in 5, wobei hier die beiden optischen Fokussierlinsen 7 und 17 durch eine einzige Linse, eine Fokussierlinse 7c ersetzt sind, wobei die Fokussierlinse 7c insbesondere eine bi-fokale Fokussierlinse ist und eine zentrische Durchbohrung 7d aufweist. Ein innerer Teil der Linse 7c weist eine kleinere Brennweite als der äußere Teil der Linse 7c auf. Dadurch wird ermöglicht, dass die erste Verstärkerstufe 32a durch den inneren Teil des kollimierten Pumpstrahls 3 angeregt wird, während für die optische Anregung der zweiten Verstärkerstufe 32 der äußere Teil des kollimierten Pumpstrahls 3 verwendet wird. Durch die zentrale Durchbohrung 7d der optischen Fokussierlinse 7c kann der Laserstrahl 8 des Laseroszillators 6 unbeeinflusst in die beiden Verstärkerstufen 32a und 32 gelangen und hier entsprechend verstärkt werden.
Eine besonders kompakte Ausführungsform eines Laseroszillator-Verstärkersystems lässt sich erzielen, wenn der Laseroszillator 6, wie in 7a gezeigt, in der Durchbohrung im Zentrum der optischen Fokussierlinse 7c angeordnet wird. Der Laseroszillator 6 ist insofern in der Fokussierlinse 7c integriert.
Die in 8 gezeigte Ausführungsform zeigt eine axiale Anordnung des Laseroszillators 6 und der Verstärkereinrichtung 31 mit zwei Verstärkerstufen 32 und 32a. Zwei Verstärkerstrahlengänge 35a und 35b sind in der Verstärkerstufe 32 gebildet. Hierzu wird der in der Verstärkerstufe 32a (vor)verstärkte Laserstrahl 10 nach dem Durchgang durch die erste Verstärkerstufe 32a mittels eines Umlenkprismas 12, alternativ auch mittels eines miniaturisierten Spiegels (nicht gezeigt), nahe an der zweiten Verstärkerstufe 32 vorbeigeführt, so dass mittels eines weiteren Umlenkprismas 13, alternativ Umlenkspiegels, ein zweifacher Verstärkerstrahlengang (Doppelpass) durch das Verstärkermedium 9 gebildet wird. Alternativ kann auch anstatt des zweifachen Verstärkerstrahlengangs ein vierfacher Verstärkerstrahlengang mittels der in 2 gezeigten Spiegelanordnung realisiert werden.
Auch die in 9 gezeigte Ausführungsform der Erfindung zeigt einen Laseroszillator 6 mit einer zweistufigen Verstärkereinrichtung 31, wobei ein zweifacher Verstärkerstrahlengang 35a und 35b in einer Verstärkerstufe 32 gebildet ist. Anders als bei den Ausführungsformen gemäß 1 bis 9 wird hier der Pumpstrahl 3 nach der Kollimation mittels der Kollimatorlinse 4 mittels zweier Strahlteiler 21 und 22 derart aufgeteilt, dass der eine Teil des Pumpstrahls 3 den Laseroszillator 6 und die erste Verstärkerstufe 32a anregt und der andere Teil des Pumpstrahls 3 die zweite Verstärkerstufe 32. Der durch die erste Verstärkerstufe 32a (vor)verstärkte Laserstrahl 10 wird mittels zweiter Umlenkprismen 13a und 13b, vorzugsweise zweier Umlenkspiegel, insbesondere mittels eines Umlenkprismas und eines Umlenkspiegels, in das Verstärkermedium 9 der zweiten Verstärkerstufe 32 derart eingekoppelt, dass mittels eines auf der Pumpseite des Verstärkermediums 9 aufgebrachten Pumpspiegels 14 ein V-förmiger Strahlengang und somit der zweifache Verstärkerstrahlengang 35a und 35b entsteht. Der Pumpspiegel 14 ist für die Pumpwellenlänge durchlässig und weist einen hohen Reflexionsgrad für den zu verstärkenden Laserstrahl 10 auf. Die zweite Verstärkerstufe 32 kann auch analog zu der in 2 gezeigten Ausführungsform mit einem vierfachen Verstärkerstrahlengang realisiert werden.

Claims

Vorrichtung zum Verstärken eines Laserstrahls (8), mit: – einem Laseroszillator (6) mit einem laseraktiven Medium, wobei der Laseroszillator (6) derart konfiguriert ist, bei optischer Anregung mittels eines Pumpstrahls (3) einen Laserstrahl (8) zu emittieren und wobei der Laseroszillator (6) in einem für den Pumpstrahl (3) gebildeten optischen Strahlengang (34) angeordnet ist, – einer Verstärkereinrichtung (31) mit mindestens einer ein Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) aufweisenden Verstärkerstufe (32), wobei das Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) derart konfiguriert ist, in einem optisch angeregten Zustand einen einzukoppelnden Laserstrahl (8) zu verstärken und wobei die mindestens eine Verstärkerstufe (32) einen Pumpspiegel (14) aufweist, der den in das Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) eingekoppelten Laserstrahl (8) mit einer Reflexion von grösser als 80%, vorzugsweise von grösser als 90%, vorzugsweise von grösser als 99% zurückspiegelt und den Pumpstrahl (3) mit einer Transmission von grösser als 90%, vorzugsweise von grösser als 95%, insbesondere von grösser als 99% durchlässt, einer Verstärkereinkoppeleinrichtung, welche derart konfiguriert ist, den Pumpstrahl (3) in die mindestens eine Verstärkerstufe (32) einzukoppeln, um das Verstärkermedium (9; 9a; 9b; 9c) optisch anzuregen, – Umlenkungsoptiken (12, 13a, 13b; 12, 13a, 13b, 13c; 13a; 12, 13; 13a, 13b) zum Umlenken des Laserstrahls (8), welche derart konfiguriert sind, den zu verstärkenden Laserstrahl (8) in die Verstärkerstufe (32) einzukoppeln und wobei zusammen mit dem Pumpspiegel (14) des Verstärkermediums (9; 9a; 9b; 9c) mindestens ein zweifacher Durchlauf des Laserstrahls (8) durch die Verstärkerstufe (32) ermöglicht ist, wobei der Laseroszillator (6) und die Verstärkerstufe (32) kollinear angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung (31) eine zweite, vorgeschaltete und ein Verstärkermedium (16) aufweisende Verstärkerstufe (32a) aufweist, wobei das Verstärkermedium (16) derart konfiguriert ist, in einem optisch angeregten Zustand den einzukoppelnden Laserstrahl (8) zu verstärken.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zweite Verstärkereinkoppeleinrichtung aufweist, welche derart konfiguriert ist, den Pumpstrahl (3) in die zweite Verstärkerstufe (32a) einzukoppeln, um das Verstärkermedium (16) optisch anzuregen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Verstärkereinkoppeleinrichtung eine Kollimatorlinse (7; 7a; 17) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimatorlinse (7; 7a; 17) eine Aussparung (7b; 17a) parallel zur optischen Achse aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verstärkereinkoppeleinrichtung eine Kollimatorlinse (7; 7a; 17) mit einer Aussparung (7b; 17a) parallel zur optischen Achse umfasst, welche einen größeren Durchmesser aufweist, als die erste Verstärkereinkoppeleinrichtung.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Laseroszillatoreinkoppeleinrichtung, die derart konfiguriert ist, den Pumpstrahl (3) in den Laseroszillator (6) einzukoppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseroszillatoreinkoppeleinrichtung eine weitere Kollimatorlinse (4) und/oder eine optische Faser (2) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (6) in einer Halteeinrichtung (11) angeordnet ist, wobei die Halteeinrichtung (11) für die Wellenlänge des Pumpstrahls (3) zumindest teilweise optisch durchlässig ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche in einem langreichweitigen Laser-unterstützten Sensor, Massenspektrometer, Ionen-Mobilitätsspektrometer, Lasersystem zur Materialbearbeitung, Lidar-System, Ladar-System oder Lasersender.