DE102011054024B4

DE102011054024B4 - Infrarotlaserverstärkersystem

Info

Publication number: DE102011054024B4
Application number: DE102011054024.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Renz Günther; Frank Holzschuh
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: DE102011054024A1

Abstract

Infrarotlaserverstärkersystem (10) zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes (12) in einem Wellenlängenbereich von 1,5 bis 4 μm umfassend einen optisch gepumpten in einer Resonatoranordnung (16) angeordneten laseraktiven Festkörper (14, 52), der als laseraktives Medium Übergangsmetallionen aufweist, und eine Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32, 60) für ein Pumpstrahlungsfeld (18) eines Pumplasers (30), durch die eine Pumpstrahlungsfeldtaille (42, 90) erzeugbar ist, die innerhalb des laseraktiven Festkörpers (14, 52) liegt und das laseraktive Medium optisch anregt, und eine Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit (44), durch die eine Laserstrahlungsfeldtaille (50, 100) erzeugbar ist, die innerhalb des laseraktiven Festkörpers (14, 52) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32, 60) eine Brennweite (38, 96) aufweist, die kleiner als 7 cm ist, dass die Resonatoranordnung (16) linear aufgebaut ist und einen ersten Resonatorspiegel (15) und einen zweiten Resonatorspiegel (17) umfasst die parallel zueinander auf einer optischen Achse (19) des Laserstrahlungsfeldes (12) angeordnet sind, wobei die optische Achse (19) senkrecht zu den Spiegelflächen verläuft, dass in der Resonatoranordnung (16) die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit (44) und die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32) symmetrisch zu dem laseraktiven Festkörper (14) angeordnet sind, und dass die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32) das Laserstrahlungsfeld (12) auch in den laseraktiven Festkörper (14) fokussiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Infrarotlaserverstärkersystem zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes in einem Wellenlängenbereich von 1,5 bis 4 μm umfassend einen optisch gepumpten in einer Resonatoranordnung angeordneten laseraktiven Festkörper, der als laseraktives Medium Übergangsmetallionen aufweist, und eine Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit für ein Pumpstrahlungsfeld eines Pumplasers, durch die eine Pumpstrahlungsfeldtaille erzeugbar ist, die innerhalb des laseraktiven Festkörpers liegt und das laseraktive Medium optisch anregt, und eine Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit, durch die eine Laserstrahlungsfeldtaille erzeugbar ist, die innerhalb des laseraktiven Festkörpers liegt.
Infrarotlaserverstärkersysteme können als Oszillator arbeiten und das Laserstrahlungsfeld erzeugen oder als Verstärker arbeiten und das Laserstrahlungsfeld verstärken.
Aus den Veröffentlichungen Optics Express 2048, Vol. 17, No. 4, February 2009 und Optics Express 15062, Vol. 18, No. 14, July 2010 ist ein Infrarotlaserverstärkersystem bekannt, dessen Aufbau eine Kompensation des Astigmatismus erfordert. Durch die Kompensation des Astigmatismus wird der Aufbau kompliziert und erzeugt eine polarisationsabhängige Einkopplung des Pumpstrahlungsfeldes, was die Wahl der Pumpstrahlungsfeldquellen einschränkt.
Die US 5 541 948 A offenbart ein Infrarotlaserverstärkersystem zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes in einem Wellenlängenbereich von 1,5 bis 4 μm gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die US 2005/0 281 301 A1 offenbart ein Laserverstärkersystem mit einer Fokussieroptik für die Pumpstrahlung.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Infrarotlaserverstärkersysteme, haben allerdings den Nachteil, dass sie schlecht anschwingen und eine zeitlich fluktuierende Ausgangsleistung aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Infrarotlaserverstärkersystem bereit zu stellen, das leicht anschwingt und eine möglichst hohe Ausgangsleistung bereitstellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Diese Lösung ist vorteilhaft, da durch die kurze Brennweite von 7 cm das Pumpstrahlungsfeld auf ein verhältnismäßig kleines Volumen im Bereich der Pumpstrahlungsfeldtaille fokussierbar ist und dadurch eine hohe Pumpfeldstrahlungsleistungsdichte erzielbar ist.
Die hohe Pumpstrahlungsfeldleistungsdichte verbessert das Anschwingverhalten des Infrarotlaserverstärkersystems erheblich.
Dass erfindungsgemäß die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit und die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit symmetrisch zu dem laseraktiven Festkörper angeordnet sind, so dass die Pumpstrahlungsfeldtaille und die Laserstrahlungsfeldtaille überlappen, ist vorteilhaft, da durch den symmetrischen Aufbau, auch bei Abweichungen bis ±5%, gewährleistet wird, dass der Überlapp der Pumpstrahlungsfeldtaille mit der Laserstrahlungsfeldtaille optimiert ist. Somit kann ein sehr großer Teil des durch das Pumpstrahlungsfeld optisch angeregte Medium zur Verstärkung des Laserstrahlungsfelds genutzt werden.
Noch günstiger für das Anschwingverhalten des Infrarotlaserverstärkersystems ist es, wenn die Brennweite der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit kleiner als 5 cm ist oder noch besser kleiner als 4 cm oder am besten kleiner als 3 cm ist.
Eine weitere Möglichkeit eine Pumpstrahlungsfeldtaille mit kleinem Durchmesser zu erzielen, ist, dass zur Erzeugung des Pumpstrahlungsfeldes ein Pumplaser verwendet wird, der eine Strahlqualität M² aufweist, die kleiner als 2 ist.
Noch besser ist es, wenn der Pumplaser eine Strahlqualität M² aufweist, die kleiner als 1,2 ist und am besten ist es, wenn der Pumplaser eine Strahlqualität M² aufweist, die kleiner als 1,1 ist.
Der Vorteil der Verwendung eines Pumplasers mit hoher Strahlqualität, also kleinem M² ist, dass dadurch die Pumpstrahlungsfeldtaille weiter verkleinert werden kann.
Weiter ist es günstig für die Strahlqualität, wenn der Pumplaser ein Singlemodelaser ist, da diese durch die Beschränkung auf eine Mode des Laserstrahlungsfeldes eine gute Strahlqualität aufweisen.
Eine für den Steckdosenwirkungsgrad günstige Lösung ist, wenn der Pumplaser ein Laserdiodenstack ist. Da Laserdiodenstacks einen Steckdosenwirkungsgrad von bis zu 50% erreichen können, verbessert sich damit auch der Steckdosenwirkungsgrad des Infrarotlaserverstärkersystems.
Der Steckdosenwirkungsgrad definiert sich durch das Verhältnis von der optischen Ausgangsleistung im Laserstrahlungsfeld zu der elektrischen Eingangsleistung des Gesamtsystems.
Ebenfalls günstig für die Strahlqualität ist es, wenn der Pumplaser ein Faserlaser ist. Faserlaser bieten aufgrund des langen Resonators eine gute Strahlqualität auch bei hohen optischen Leistungen.
Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Einkopplung des Pumpstrahlungsfeldes in den laseraktiven Festkörper polarisationsunabhängig ist.
Dies ist vorteilhaft, wenn der Pumplaser ein Strahlungsfeld erzeugt, dessen Polarisierung zeitlich nicht konstant ist, da Dank der polarisationsunabhängigen Einkopplung in den laseraktiven Festkörper trotzdem eine konstante Pumpleistung erzielt werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der laseraktive Festkörper mindestens eine Kühlfläche aufweist, über die Wärme aus dem laseraktiven Festkörper mittels Wärmeleitung entlang eines gasspaltfreien Weges, insbesondere über körperlichen Kontakt, in ein Kühlelement einleitbar ist.
Der Vorteil dieser Variante ist darin zu sehen, dass durch eine effektive Kühlung des laseraktiven Festkörpers die Bildung von thermischen Linsen abgeschwächt wird und dass die Gefahr der thermischen Überhitzung des laseraktiven Festkörpers vermindert wird.
Eine noch vorteilhaftere Lösung sieht vor, dass der laseraktive Festkörper zwei Kühlflächen aufweist, über die Wärme aus dem laseraktiven Festkörper mittels Wärmeleitung entlang gasspaltfreier Wege, insbesondere über körperlichen Kontakt, in jeweils ein Kühlelement einleitbar ist.
Die Kühlung über zwei Kühlflächen, insbesondere über zwei einander gegenüberliegende Kühlflächen, verbessert den Abtransport der entstehenden Wärme noch besser.
Die Wärmeleitung entlang eines gasspaltfreien Weges ist besonders effektiv, da die Wärme nicht optisch abgestrahlt oder über die geringe Wärmeleitfähigkeit von Gasen abgeführt werden muss, sondern die hohe Wärmeleitfähigkeit von festen oder flüssigen Materialien ausnutzen kann.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass der laseraktive Festkörper plättchenförmig aufgebaut ist.
Verglichen mit einem eher kubischen Aufbau ergeben sich größere Oberflächen bei gleichem Volumen, die zur Kühlung des laseraktiven Festkörpers verwendet werden können.
Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass der laseraktive Festkörper zwei einander gegenüberliegende Flachseiten aufweist, deren Flächenausdehnung mehr als 50% oder noch besser mehr als 70% der Gesamtoberfläche des laseraktiven Festkörpers bildet.
Besonders günstig für die Abfuhr von Wärme aus dem laseraktiven Festkörper ist es, wenn die mindestens eine Kühlfläche an einer der Flachseiten angeordnet ist.
Noch besser für die Kühlung des laseraktiven Festkörpers ist es, dass an jeder der beiden Flachseiten eine Kühlfläche angeordnet ist.
Günstig für einen linearen Aufbau der Resonatoranordnung ist es, wenn eine optische Achse des Laserstrahlungsfeldes parallel zu den Flachseiten des laseraktiven Festkörpers verläuft.
Günstig für einen scheibenlaserartigen Aufbau der Resonatoranordnung ist es, wenn eine optische Achse des Laserstrahlungsfeldes oder des Pumpstrahlungsfeldes quer zu den Flachseiten des laseraktiven Festkörpers verläuft.
Noch besser für einen scheibenlaserartigen Aufbau der Resonatoranordnung ist es, wenn die optische Achse des Laserstrahlungsfeldes im Wesentlichen senkrecht zu den Flachseiten des laseraktiven Festkörpers verläuft.
An dieser Stelle ist im Wesentlichen senkrecht definiert als innerhalb eines Winkelbereichs von 80 bis 100°.
Weiter ist es günstig für eine polarisationsunabhängige Einkopplung des Pumpstrahlungsfelds in den laseraktiven Festkörper, wenn der laseraktive Festkörper mindestens eine Stirnfläche aufweist, und dass die mindestens eine Stirnfläche quer zu der optischen Achse des Laserstrahlungsfeldes verläuft.
Besonders günstig für die polarisationsunabhängige Einkopplung des Pumpstrahlungsfeldes in den laseraktiven Festkörper ist es, wenn die mindestens eine und eine zweite Stirnfläche parallel zueinander verlaufen.
Am besten ist es für die polarisationsunabhängige Einkopplung des Pumpstrahlungsfelds in den laseraktiven Festkörper, wenn die mindestens eine Stirnfläche im Wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse des Laserstrahlungsfeldes verläuft.
An dieser Stelle ist im Wesentlichen senkrecht als in einem Winkelbereich von 80 bis 100° definiert.
Dies ist vorteilhaft, da im Gegensatz zu einem schrägen Strahlungseinfall, die Transmission nicht polarisationsabhängig ist.
Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass durch eine Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit eine Laserstrahlungsfeldtaille in dem laseraktiven Festkörper erzeugbar ist.
Dies ist vorteilhaft, da somit das Laserstrahlungsfeld auf ein Volumen fokussierbar ist, das mit einem Volumen überlappt, auf das das Pumpstrahlungsfeld fokussiert ist, somit entsteht ein Überlappen der Pumpstrahlungsfeldtaille und der Laserstrahlungsfeldtaille.
Weiter ist es günstig, wenn durch die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit die Laserstrahlungsfeldtaille in den laseraktiven Festkörper erzeugbar ist.
Dies ist vorteilhaft, da zur Erzeugung der Laserstrahlungsfeldtaille sowohl die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit als auch die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit verwendet werden kann.
Besonders günstig zur Erzeugung einer kleinen Laserstrahlungsfeldtaille ist es, wenn die Brennweite der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit kleiner als 8 oder noch besser kleiner als 6 cm und am besten kleiner als 4 cm ist.
Besonders günstig für die Ausbildung der Laserstrahlungsfeldtaille ist es, wenn die Brennweite der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit und die Brennweite der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit mindestens näherungsweise gleich sind.
Dies ist vorteilhaft, da bei einer Abweichung der Brennweiten von weniger als ±10% die Laserstrahlungsfeldtaillen, die von der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit und die von der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit erzeugt werden, bis auf eine Abweichung von ±10% gleich groß sind.
Besonders vorteilhaft besteht der laseraktive Festkörper aus einem II–VI Verbindungshalbleiter, der mit Übergangsmetallionen dotiert ist.
Der Vorteil der Verwendung eines solchen laseraktiven Festkörpers ist, dass dieser sowohl ein breites Absorptionsspektrum, insbesondere von 1,5 bis 2 μm, als auch ein breites Emissionsspektrum, insbesondere von 1,5 bis 4 μm, aufweist.
Günstig ist es, wenn die Übergangsmetallionen Chromionen sind.
Der Vorteil der Chromionen ist, dass sie ein breites Emissionsspektrum aufweisen, insbesondere von 2 bis 3 μm.
Erfahrungsgemäß ist es günstig, dass der II–VI Verbindungshalbleiter, aus dem der laseraktive Festkörper besteht, Zinkselinid ist oder Zinksulfit ist, da mit diesen beiden Materialien die besten Erfahren gemacht wurden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsformen der Erfindung.
In der Zeichnung zeigen:
1 Prinzipskizze des Infrarotlaserverstärkersystems;
2 Aufbau der Resonatoranordnung eines ersten Ausführungsbeispiels;
3 laseraktiver Festkörper eines ersten Ausführungsbeispiels;
4 eine Pumpstrahlungsfeldtaille innerhalb des laseraktiven Festkörpers eines ersten Ausführungsbeispiels;
5 Resonatoranordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
6 Darstellung eines laseraktiven Festkörpers eines zweiten Ausführungsbeispiels und
7 Laserstrahlungsfeldtaille innerhalb eines laseraktiven Festkörpers des zweiten Ausführungsbeispiels.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Infrarotlaserverstärkersystem 10 zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes 12 in einen Wellenlängenbereich von 2 bis 3 μm.
Das Infrarotlaserverstärkungssystem 10 umfasst einen laseraktiven Festkörper 14, der in einer Resonatoranordnung 16 angeordnet ist und durch ein Pumpstrahlungsfeld 18 optisch gepumpt wird.
Das Infrarotlaserverstärkersystem 10 kann als selbstschwingender Oszillator zur Erzeugung des Laserstrahlungsfeldes 12 oder als Verstärkersystem zur Verstärkung des Laserstrahlungsfeldes 12 arbeiten.
Die Resonatoranordnung 16 umfasst einen ersten Resonatorspiegel 15 und einen zweiten Resonatorspiegel 17, die parallel zueinander auf einer optischen Achse 19 des Laserstrahlungsfeldes 12 angeordnet sind, die senkrecht zu den Spiegeloberflächen verläuft.
Der laseraktive Festkörper 14 ist plättchenförmig ausgebildet, das heißt in zwei der drei Raumrichtungen erstreckt sich der laseraktive Festkörper 14 über größere Distanzen als in der dritten Raumrichtung. Diese dritte Raumrichtung wird kurze Achse 20 genannt. An den in der Richtung der kurzen Achse 20 liegenden Enden des laseraktiven Festkörpers 14 liegen jeweils eine erste und eine zweite Flachseite 22.
Die Flächenausdehnung der beiden Flachseiten 22 bilden zusammen mehr als 70% der Gesamtoberfläche des laseraktiven Festkörpers 14. Es ist günstig für die Wärmeabfuhr aus dem laseraktiven Festkörper 14, dass die Flächenausdehnung der Flachseiten 22 einen möglichst großen Anteil der Gesamtfläche ausmacht.
An den in einer Richtung senkrecht zur kurzen Achse 20 liegenden Enden des laseraktiven Festkörpers 14 liegen jeweils eine erste und eine zweite Stirnfläche 24 des laseraktiven Festkörpers 14. Um Reflektionen von elektromagnetischer Strahlung, die durch die Stirnflächen 24 durchtritt zu reduzieren, sind die Stirnflächen 24 vorteilhafterweise poliert und mit einer Antireflexschicht versehen.
Vorteilhafterweise verlaufen die beiden Stirnflächen 24 parallel zueinander. Die optische Achse 19 des Laserstrahlungsfeldes 12 verläuft senkrecht zu und in einem mittigen Bereich durch die Stirnflächen 24. Durch diese Anordnung treten keine Brechungs- oder Polarisationseffekte beim Durchgang des Laserstrahlungsfeldes 12 durch die Stirnflächen 24 des laseraktiven Festkörpers 14 auf.
Abweichungen von der Senkrechten von ±10° sind möglich
Die Ausdehnung des laseraktiven Festkörpers in Richtung der kurzen Achse 20 liegt günstigerweise zwischen 0,2 und 1 mm.
Der Abstand zwischen den beiden Stirnflächen 24 beträgt günstigerweise zwischen 2 und 5 mm, noch günstiger ist es, wenn der Abstand zwischen den beiden Stirnflächen 24 zwischen 2 und 3 mm beträgt.
An den Flachseiten 22 sind Kühlflächen 26 angeordnet, auf denen Kühlelemente 28 flächig aufliegen.
Günstig für die Kühlung ist es, dass die Kühlflächen 26 an den Flachseiten 22 angeordnet sind, da Wärme die in der Mitte des laseraktiven Festkörpers 14 entsteht einfach über die Flachseiten 22 abgeführt werden kann.
Zur Verbesserung des körperlichen Kontakts zwischen den Kühlflächen 26 und den Kühlelementen 28 kann zwischen den Kühlflächen 26 und den Kühlelementen 28 eine Wärmeleitschicht 27 angeordnet sein.
Die Wärmeleitschicht 27 kann beispielsweise durch Wärmeleitpaste gebildet sein, die die Unebenheiten der Kühlfläche 26 und der Oberfläche des Kühlelements 28 ausgleichen kann und somit eine gasspaltfreie Wärmeübertragung zwischen Kühlfläche 26 und Kühlelement 28 bereit stellen kann.
Dieser Effekt kann auch erzielt werden, bei Verwendung eines Klebstoffes, der beim Auftragen flüssig ist und sich somit an die Unebenheiten der Kühlfläche 26 und des Kühlelementes 28 anpassen kann und dann entsprechend ausgeformt aushärtet.
Ferner ist es möglich, einen Festkörper als Wärmeleitschicht 27 zu verwenden, der weicher als der laseraktive Festkörper 14 ist und durch eine entsprechende Anpresskraft an die Unebenheiten der Oberflächen der Kühlfläche 26 und des Kühlelements 28 angepasst wird.
Andere, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Verbesserung des Wärmekontakts zwischen zwei Oberflächen sind möglich.
Die Kühlelemente 28 umfassen wassergekühlte Metallblöcke, wobei ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit gewählt wird, beispielsweise Kupfer.
Der laseraktive Festkörper 14 besteht aus einem II–VI Verbindungshalbleiter der mit Übergangsmetall-Ionen dotiert ist.
II–VI Verbindungshalbleiter, sind Halbleiter die aus einer 1:1 Mischung eines zweiwertigen Stoffes und eines sechswertigen Stoffes.
Mögliche zweiwertige Stoffe sind Elemente aus der zweiten Hauptgruppe (Erdalkalimetalle) beispielsweise Berilium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium und Radium und Elemente der Gruppe 12, beispielsweise Zink, Kadmium und Quecksilber.
Mögliche sechswertige Elemente sind Elemente aus der sechsten Hauptgruppe (Kalkogene) beispielsweise Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur und Polonium.
II–VI Verbindungshalbleiter sind beispielsweise: ZnSe, ZnS, ZnTe, CdSe, CdS und CdTe usw.
Übergangsmetall-Ionen können beispielsweise sein: Chrom-, Kobalt-, Eisen- und Nickel-Ionen.
Besonders günstig ist es, dass der laseraktive Festkörper 14 aus chromdotierten Zinkselinid, also Cr:ZnSe oder Chromzinksulfid Cr:ZnS besteht.
Übergangsmetallionen dotierte II–IV Verbindungshalbleiter absorbieren elektromagnetische Strahlungen in einem Wellenlängenbereich von 1500 bis 2000 nm.
Weiter haben diese Materialien ein breites Emissionsspektrum im Bereich von etwa 1500 nm bis 4000 nm, beispielsweise hat Cr:ZnSe ein Emissionsspektrum von etwa 2000 nm bis 3000 nm.
Das Pumpstrahlungsfeld 18 wird günstigerweise durch einen Pumplaser 30 erzeugt, dessen Wellenlänge im Absorptionsbereich des laseraktiven Festkörpers 14 liegt.
Mögliche Laser zur Erzeugung des Pumpstrahlungsfeldes 18 sind beispielsweise Laserdiodenstacks oder Faserlaser.
Günstigerweise ist die Strahlqualität M² des Pumplasers 30 besser als 2.
Noch besser ist es, wenn die Strahlqualität M² des Pumplasers 30 besser als 1,2 oder noch besser kleiner als 1,1 ist.
Die Anforderungen werden beispielsweise durch Singlemodefaserlaser erfüllt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Thulium-Faserlaser mit einer Ausgangsleistung von 50 W verwendet.
Zur Fokussierung des Pumpstrahlungsfeldes 18 umfasst das Infrarotlaserverstärkersystem 10 eine Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32.
Die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 weist zwei Brennpunkte 34 auf, die auf einer optischen Achse 36 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 und im Abstand einer Brennweite 38 jeweils von einer optischen Ebene 40 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 beabstandet liegen.
Das Pumpstrahlungsfeld 18, das im Wesentlichen parallel zur optischen Achse 36 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 durch die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 verläuft, wird in eine Pumpstrahlungsfeldtaille 42 gebündelt, die den Brennpunkt 34 umschließt, der auf der in Ausbreitungsrichtung liegenden Seite der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 liegt.
Zum optischen Anregen des laseraktiven Festkörpers 14 ist vorgesehen, den Brennpunkt 34 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 und damit auch die Pumpstrahlungsfeldtaille 42 innerhalb des laseraktiven Festkörpers 14 zu legen, da somit das Pumpstrahlungsfeld 18 in den laseraktiven Festkörper 14 fokussiert werden kann.
Das Pumpstrahlungsfeld 18 bildet die Pumpstrahlungsfeldtaille 42 innerhalb des laseraktiven Festkörpers 14, deren Durchmesser von der Strahlqualität des Pumplasers 30 und der Brennweite 38 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 abhängt.
Je kleiner die Brennweite 38 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 desto kleiner ist der Durchmesser der Pumpstrahlungsfeldtaille 42. Je besser die Strahlqualität des Pumplasers, also je kleiner das M² ist, desto kleiner ist der Durchmesser der Pumpstrahlungsfeldtaille 42.
Aus diesem Grund ist es günstig, wenn die Brennweite 38 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 kleiner als 7 cm ist.
Weiter umfasst das Infrarotlaserverstärkersystem 10 eine Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44, mit der das Laserstrahlungsfeld 12 fokussiert werden kann.
Die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 umfasst entsprechend der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 zwei Brennpunkte 46 und eine optische Achse 48. Das Laserstrahlungsfeld 12, wird durch die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 in eine Laserstrahlungsfeldtaille 50 fokussiert, die einen der Brennpunkte 46 umschließt.
Daher ist es günstig, dass dieser Brennpunkt 46 innerhalb des laseraktiven Festkörpers 14 möglichst nahe am Brennpunkt 34 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 liegt, der ebenfalls im laseraktiven Festkörper 14 liegt.
Dadurch überlappen die Pumpstrahlungsfeldtaille 42 und die Laserstrahlungsfeldtaille 50.
Weiter wird das Laserstrahlungsfeld 12 auch durch die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 in den laseraktiven Festkörper 14 fokussiert.
Für das Anschwingen des Infrarotlaserverstärkersystems 10 ist es vorteilhaft, dass das Laserstrahlungsfeld 12 durch die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 und die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 in überlappende Volumina fokussiert wird und dass das Pumpstrahlungsfeld 18 durch die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 ebenfalls in ein diese Volumina überlappendes Volumen fokussiert wird.
Das Laserstrahlungsfeld 12 bildet die Laserstrahlungsfeldtaille 50, deren Durchmesser entsprechend zu den Erläuterungen zur Pumpstrahlungsfeldtaille 42 von der Brennweite 38 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 und der Brennweite 47 der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 abhängt.
Aus diesem Grund ist vorgesehen, dass die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 32 und die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 mindestens näherungsweise die selbe oder weniger als 10% abweichende, Brennweiten 38 und 47 aufweisen, so kann das Laserstrahlungsfeld 12, das vom ersten Resonatorspiegel 15 reflektiert wird, eine Laserstrahlungsfeldtaille 50 aufweisen, die einen gleichen Durchmesser aufweist wie die Laserstrahlungsfeldtaille 50, die das Laserstrahlungsfeld 12 bildet, das vom zweiten Resonatorspiegel 17 reflektiert wird.
Durch diese Anordnung wird der Überlapp zwischen der Pumpstrahlungsfeldtaille 42 und der Laserstrahlungsfeldtaille 50 optimiert.
Ein zweites in 5 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Infrarotlaserverstärkersystems 10 umfasst einen laseraktiven Körper 52, der in einer Resonatoranordnung 54 angeordnet ist.
Funktional ähnliche oder identische Elemente sind mit denselben Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.
Die Resonatoranordnung 54 umfasst einen ersten Resonatorspiegel 56 und einen zweiten Resonatorspiegel 17, die parallel zueinander verlaufen und in einer Richtung 58 die senkrecht zu den Spiegeloberflächen ist, beabstandet sind.
Zwischen dem ersten Resonatorspiegel 56 und dem zweiten Resonatorspiegel 17 sind der laseraktive Festkörper 52, eine Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 60 und eine Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 angeordnet.
Der laseraktive Festkörper 52 ist plättchenförmig ausgebildet, das heißt er erstreckt sich in einer von drei senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen über eine kleinere Distanz als in den anderen beiden.
Die Raumrichtung, in welcher der laseraktive Festkörper 52 eine geringere Ausdehnung aufweist, wird kurze Achse 62 genannt.
An den in Richtung dieser kurzen Achse 62 liegenden Enden 64 und 66 sind Flachseiten 68 und 70 angeordnet, wobei die Flachseite 68 am Ende 64 angeordnet ist und die Flachseite 70 am Ende 66 angeordnet ist.
Die Flachseite 70 liegt an der der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 zugewandten Ende 66 des laseraktiven Festkörpers 52.
Für die Verminderung von Reflektionsverlusten ist vorgesehen, dass die Flachseite 70 als Stirnfläche 72 ausgebildet ist, die poliert und mit einer Antireflexschicht versehen ist.
Eine optische Achse 19 des Laserstrahlungsfeldes 12 verläuft senkrecht und in einem mittigen Bereich durch die Stirnfläche 72.
Zur Kühlung des laseraktiven Festkörpers 14 weist die Flachseite 68 des laseraktiven Festkörpers 52 eine Kühlfläche 76 auf, an die ein Kühlelement 78 flächig angelegt ist.
Das Kühlelement 78 ist als wassergekühlter Metallblock ausgebildet, wobei vorteilhafterweise ein Metall mit hohem Wärmeleitkoeffizient gewählt wird, beispielsweise Kupfer.
Der laseraktive Festkörper 52 wird mittels einer dünnen Metallfolie 79 mit seiner Kühlfläche 76 auf das Kühlelement 78 gepresst.
Die Metallfolie 79 bildet dabei eine Zwischenschicht 80, die als Haftvermittler, als Wärmeleitschicht 27 und als Spiegelfläche dient.
Günstigerweise wird der erste Resonatorspiegel 56 durch die Zwischenschicht 80 gebildet.
Die Metallfolie 79 kann beispielsweise eine Indiumfolie 82 sein.
Somit weist der erste Resonatorspiegel 56 eine optische Achse 84 auf, die parallel zu der optischen Achse 19 des Laserstrahlungsfeldes 12 verläuft.
Die Ausführung zur Materialwahl des laseraktiven Festkörpers 14 des ersten Ausführungsbeispiels gelten an dieser Stelle entsprechend für den laseraktiven Festkörper 52 des zweiten Ausführungsbeispiels.
Auch im zweiten Ausführungsbeispiel wird der laseraktive Festkörper 52 durch das Pumpstrahlungsfeld 18, das von einem Pumplaser 30 erzeugt wird, optisch gepumpt.
Die Ausführungen zum Pumplaser 30 des ersten Ausführungsbeispiels gelten entsprechend für den Pumplaser 30 des zweiten Ausführungsbeispiels.
Die Ausbreitungsrichtung des vom Pumplaser 30 erzeugten Pumpstrahlungsfeld 18 verläuft parallel zur optischen Achse 19 des Laserstrahlungsfeldes 12. Das Pumpstrahlungsfeld 18 wird seitlich am laseraktiven Festkörper 52 vorbeigeführt, um es zur Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 60 zu leiten.
Die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 60 ist durch mindestens einen ersten Hohlspiegel 86 gebildet, dessen Brennpunkt 88 im laseraktiven Festkörper 52 liegt.
Günstig ist es, wenn der Brennpunkt 88 nahe der Flachseite 68 also nahe des ersten Resonatorspiegels 56 angeordnet ist.
Günstigerweise wird der Brennpunkt 88 des ersten Hohlspiegels 86 dadurch gebildet, dass der erste Hohlspiegel 86 ein Parabolspiegel ist.
Durch diese Anordnung wird das Pumpstrahlungsfeld 18 durch den ersten Hohlspiegel in eine Pumpstrahlungsfeldtaille 90 fokussiert, die innerhalb des laseraktiven Festkörpers 52 nahe des ersten Resonatorspiegels 56 liegt.
Es ist vorteilhaft, dass die Pumpstrahlungsfeldtaille 90 auf dem ersten Resonatorspiegel 56 liegt.
Das Pumpstrahlungsfeld 18 wird am ersten Resonatorspiegel 56 reflektiert und trifft dann auf einen weiteren Hohlspiegel 92, der eine sphärische Oberfläche aufweist, deren Mittelpunkt 94 im Brennpunkt 88 des ersten Hohlspiegels 86 liegt.
Das Pumpstrahlungsfeld 18 wird durch die Reflektion am sphärischen Hohlspiegel 92 wieder in die Pumpstrahlungsfeldtaille 90 fokussiert.
Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Strahlungsdurchgängen durch den laseraktiven Festkörper 52 erreicht werden beispielsweise 24.
Auch im zweiten Ausführungsbeispiel ist es zur Erzeugung eines kleinen Durchmessers der Pumpstrahlungsfeldtaille 90 günstig, dass eine Brennweite 96 der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 60 klein ist, beispielsweise kleiner als 5 cm ist.
Eine Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 ist entsprechend zu den Erläuterungen des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet.
Die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 ist zwischen dem ersten Resonatorspiegel 56 und dem zweiten Resonatorspiegel 17 angeordnet und zwischen der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit 60 und dem zweiten Resonatorspiegel 17 angeordnet.
Der Brennpunkt 46 der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 liegt innerhalb des laseraktiven Festkörpers 52.
Günstig ist es, dass der Brennpunkt 46 der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 auf der optischen Achse 19 des Laserstrahlungsfeldes 12 und auf der Flachseite 68 des laseraktiven Festkörpers 52 angeordnet ist.
Somit fokussiert die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 das Laserstrahlungsfeld 12 in eine Laserstrahlungsfeldtaille 100, die an der Oberfläche des ersten Resonatorspiegels 56 und auf der optischen Achse 19 des Laserstrahlungsfeldes 12 liegt.
Das wiederum führt dazu, dass sich die Pumpstrahlungsfeldtaille 90 und die Laserstrahlungsfeldtaille 100 überlappen.
Im Bereich zwischen Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 und zweiten Resonatorspiegel 17 verläuft das Laserstrahlungsfeld 12 im Wesentlichen parallel.
In einem Taillenbereich 104, der zwischen ersten Resonatorspiegel und Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44 liegt, bildet das Laserstrahlungsfeld 12 die Laserstrahlungsfeldtaille 100 aus.
Entsprechend den Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel ist es günstig, wenn die Laserstrahlungsfeldtaille 100 einen möglichst kleinen Durchmesser aufweist.
Dies ist erreichbar durch die Wahl einer möglichst kleinen Brennweite 47 der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit 44.

Claims

Infrarotlaserverstärkersystem (10) zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes (12) in einem Wellenlängenbereich von 1,5 bis 4 μm umfassend einen optisch gepumpten in einer Resonatoranordnung (16) angeordneten laseraktiven Festkörper (14, 52), der als laseraktives Medium Übergangsmetallionen aufweist, und eine Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32, 60) für ein Pumpstrahlungsfeld (18) eines Pumplasers (30), durch die eine Pumpstrahlungsfeldtaille (42, 90) erzeugbar ist, die innerhalb des laseraktiven Festkörpers (14, 52) liegt und das laseraktive Medium optisch anregt, und eine Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit (44), durch die eine Laserstrahlungsfeldtaille (50, 100) erzeugbar ist, die innerhalb des laseraktiven Festkörpers (14, 52) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32, 60) eine Brennweite (38, 96) aufweist, die kleiner als 7 cm ist, dass die Resonatoranordnung (16) linear aufgebaut ist und einen ersten Resonatorspiegel (15) und einen zweiten Resonatorspiegel (17) umfasst die parallel zueinander auf einer optischen Achse (19) des Laserstrahlungsfeldes (12) angeordnet sind, wobei die optische Achse (19) senkrecht zu den Spiegelflächen verläuft, dass in der Resonatoranordnung (16) die Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit (44) und die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32) symmetrisch zu dem laseraktiven Festkörper (14) angeordnet sind, und dass die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32) das Laserstrahlungsfeld (12) auch in den laseraktiven Festkörper (14) fokussiert.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (38, 96) der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32, 60) kleiner als 5 cm ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (38, 96) der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32, 60) kleiner als 4 cm ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (38, 96) der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32, 60) kleiner als 3 cm ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Pumpstrahlungsfeldes (18) ein Pumplaser (30) verwendet wird, der eine Strahlqualität M² aufweist, die kleiner als 2 ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (30) eine Strahlqualität M² aufweist, die kleiner als 1,2 ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (30) eine Strahlqualität M² aufweist, die kleiner als 1,1 ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (30) ein Singlemodelaser ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Pumplaser (30) zur Erzeugung des Pumpstrahlungsfeldes (18), der ein Laserdiodenstack aufweist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (30) ein Faserlaser ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des Pumpstrahlungsfeldes (18) in den laseraktiven Festkörper (14, 52) polarisationsunabhängig ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10), nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (14, 52) mindestens eine Kühlfläche (26, 76) aufweist, über die Wärme aus dem laseraktiven Festkörper (14, 52) mittels Wärmeleitung entlang eines gasspaltfreien Weges insbesondere über körperlichen Kontakt in ein Kühlelement (28, 78) einleitbar ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (14) zwei Kühlflächen (26) aufweist, über die Wärme aus dem laseraktiven Festkörper (14) mittels Wärmeleitung entlang gasspaltfreier Wege insbesondere über körperlichen Kontakt in jeweils ein Kühlelement (28) einleitbar ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (14, 52) plättchenförmig aufgebaut ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10), nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (14, 52) zwei einander gegenüberliegende Flachseiten (22, 68, 70) aufweist, deren Flächenausdehnung mehr als 50% der Gesamtoberfläche des laseraktiven Festkörpers (14, 52) bildet.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (14, 52) zwei einander gegenüberliegende Flachseiten (22, 68, 70) aufweist, deren Flächenausdehnung mehr als 70% der Gesamtoberfläche des laseraktiven Festkörpers (14, 52) bildet.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 und einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühlfläche (26, 76) an einer der Flachseiten (22, 68, 70) angeordnet ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach dem Anspruch 13 und einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der beiden Flachseiten (22) eine der Kühlflächen (26) angeordnet ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Achse (19) des Laserstrahlungsfeldes (12) parallel zu den Flachseiten (22) des laseraktiven Festkörpers (14) verläuft.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (14) mindestens eine Stirnfläche (24) aufweist und dass die mindestens eine Stirnfläche (24) quer zu der optischen Achse (19) des Laserstrahlungsfeldes (12) verläuft.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine und eine zweite Stirnfläche (24) parallel zueinander verlaufen.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stirnfläche (24) senkrecht zu der optischen Achse (19) des Laserstrahlungsfeldes (12) verläuft.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32) die Laserstrahlungsfeldtaille (50) in dem laseraktiven Festkörper (14) erzeugbar ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (47) der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit (44) kleiner als 8 cm ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (47) der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit (44) kleiner als 4 cm ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (47) der Laserstrahlungsfeldfokussiereinheit (44) und die Brennweite (38) der Pumpstrahlungsfeldfokussiereinheit (32) näherungsweise gleich sind.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (14, 52) aus einem II–VI Verbindungshalbleiter besteht, der mit Übergangsmetallionen dotiert ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsmetallionen Chromionen sind.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der II–VI Verbindungshalbleiter Zinkselinid ist.
Infrarotlaserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der II–VI Verbindungshalbleiter Zinksulfit ist.