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Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, insbesondere einen Mikrochip-Festkörperlaser umfassend einen optischen Resonator mit einem optisch aktiven Medium, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Reflexionselement angeordnet ist, die voneinander in einer longitudinalen Richtung beabstandet sind. Eine optische Resonatorlänge ist durch einen Abstand des ersten Reflexionselements vom zweiten Reflexionselement in longitudinaler Richtung und einer longitudinalen Ausdehnung des dazwischen angeordneten Mediums und dessen Brechungsindex definiert.
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Optische Resonatoren zur Erzeugung von Laserstrahlung sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungen hinlänglich bekannt. Hierzu sind insbesondere verschiedene technische Realisierungen gängig, die gemein haben, dass ein optischer Resonanzraum zwischen zwei Reflexionselementen begrenzt wird. Im optischen Resonanzraum ist zumindest ein optisch aktives Medium angeordnet, welches optisch gepumpt wird, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Zwischen dem als Verstärker dienenden optischen Medium, welches typischerweise ein dotierter Festkörper ist, und den Reflexionselementen, welche insbesondere als dielektrische Spiegel ausgeführt sein können, kann ein Luftspalt angeordnet sein. In anderen Fällen ist das Reflexionselement direkt als dielektrische Beschichtung auf dem optischen Medium aufgebracht.
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Darüber hinaus ist es bekannt, im optischen Resonator weitere optisch aktive Elemente wie insbesondere sättigbare Absorber anzuordnen, die als passive Güteschalter fungieren.
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Die optische Resonatorlänge ist definiert durch die effektive Länge des optischen Wegs, welcher pro Umlauf im optischen Resonator zurückgelegt wird. Die optische Resonatorlänge wird daher vom Abstand der beiden den Resonanzraum begrenzenden Reflexionselemente und die Ausdehnung der beim Umlauf transmittierten optisch aktiven Medien und deren Brechungsindices bestimmt. Die optische Resonatorlänge bestimmt den spektralen Modenabstand der longitudinalen Moden, für die die Resonanzbedingung erfüllt ist. Die spektrale Lage dieser longitudinalen Moden innerhalb der Gewinnbandbreite bestimmt im Wesentlichen den Grad der Verstärkung.
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Bei Mikrochip-Festkörperlasern ist die optische Resonatorlänge derart kurz, dass der spektrale Modenabstand in etwa der spektralen Bandbreite des Gewinnspektrums entspricht. Ein Betrieb mit im Wesentlichen nur einer schwingenden longitudinalen Mode kann ohne den Einsatz spektral selektiver Elemente erreicht werden, wenn die Wellenlänge einer dominanten Resonatormode mit guter Genauigkeit der Wellenlänge des Gewinn-Maximums des Gewinnspektrums entspricht. Andererseits können, insbesondere im gütegeschalteten Fall, zwei Resonatormoden anschwingen, wenn das Gewinnmaximum mittig zwischen beiden Moden liegt und die beiden Moden so einen ähnlich hohen Gewinn erfahren. Zur Justierung der Laservorrichtung ist es also nötig, die Wellenlänge der Resonatormoden auf Größenordnungen von einigen 10 pm zu kontrollieren, um zuverlässig ein einzelmodiges Verhalten zu erzielen. Ein weiterer Vorteil dieser Wellenlängenkontrolle zeigt sich bei der Nachverstärkung des durch den Mikrochiplaser erzeugten Lichts, da man hier die Wellenlänge so anpassen kann, dass der Verstärker seine optimale Effizienz erreicht.
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Als Beispiel kann ein Mikrochip-Festköperlaser bei 1064 nm mit Nd:YVO als optisch aktives Medium betrachtet werden. Bei einer typischen optischen Resonatorlänge von 1 mm ergibt sich ein Modenabstand von 570 pm, vergleichbar mit der Gewinnbandbreite von Nd:YVO, die in etwa 1 nm beträgt. Um nun die Modenwellenlänge, für die die Resonanzbedingung gilt, um 50 pm zu ändern, ist eine Änderung der optischen Resonatorlänge um 47 nm nötig. Im Stand der Technik wird diese präzise Justierung der optischen Resonatorlänge entweder über ein piezoelektrisches Element erreicht, oder über die thermische Ausdehnung eines mechanischen Halters. Beide Möglichkeiten haben jedoch den Nachteil, dass die Langzeitstabilität des Aufbaus nicht immer sichergestellt werden kann, und äußere Einflüsse wie z.B. die Lufttemperatur leicht Einfluss auf die Modenwellenlänge nehmen können.
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Elektrooptisch eingestellbare Microchip-Festkörperlaser sind beispielsweise aus J. J. Zayhowski, Optical Materials, 11, 1999, S. 255–267 bekannt.
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Aus
EP 0744089 B1 ist beispielsweise ein passiv gütegeschalteter Mikrochip-Festkörperlaser mit einer Pulslänge unter 1 ns bekannt, bei dem das Verstärkermedium, auch Lasermedium oder -kristall genannt, und der sättigbare Absorber Abschnitte desselben Kristalls sind oder anderweitig untrennbar miteinander verbunden sind.
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WO 2014/051847 A1 beschreibt einen monolithischen Mikrochip-Festkörperlaser mit eingebautem Festkörper-Etalon für die Selektion der Modenwellenlänge. Das Etalon kann als undotierter Abschnitt des Laserkristalls ausgeführt sein. Die Grenzfläche zwischen Etalon und Laserkristall hat eine von Null verschiedene Reflektivität für das Signallicht.
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US 8964800 B2 beschreibt einen weiteren Mikrochip-Festkörperlaser mit planparallelen Resonatorspiegeln. Zwischen Laserkristall und sättigbarem Absorber ist eine Beschichtung mit hoher Reflektivität für das Pumplicht vorgesehen. Die Modenwellenlänge wird in einem Ausführungsbeispiel über die Erwärmung des Laserkristalls und evtl. des sättigbaren Absorbers eingestellt. Der sättigbare Absorber ist durch einen Luftspalt vom Laserkristall getrennt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Justierung des optischen Resonators bzw. die diesen optischen Resonator aufweisende Laservorrichtung weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laservorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Laservorrichtung weist eine Einrichtung zum Einkoppeln des Pump-Laserstrahls in einen optischen Resonator auf, wobei der eingekoppelte Pumplaserstahl im optischen Resonator parallel zur longitudinalen Richtung propagiert. Der optische Resonator für die Laservorrichtung, insbesondere für einen Mikrochip-Festkörperlaser, umfasst ein optisch aktives Medium, welches zwischen einem ersten und einem zweiten Reflexionselement angeordnet ist. Die beiden Reflexionselemente sind voneinander in einer longitudinalen Richtung beabstandet. Eine optische Resonatorlänge des optischen Resonators ist durch einen Abstand des ersten Reflexionselements vom zweiten Reflexionselement in longitudinaler Richtung und einer longitudinalen Ausdehnung des dazwischen angeordneten Mediums und dessen Brechungsindex vorgegeben.
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Gemäß der Erfindung variiert die optische Resonatorlänge in zumindest eine senkrecht zur longitudinalen Richtung verlaufenden lateralen Richtung. Die Einrichtung und der optische Resonator sind derart zueinander verstellbar, dass die Position des eingekoppelten Pump-Laserstrahls zumindest bezüglich der senkrecht zur longitudinalen Richtung verlaufenden lateralen Richtung veränderbar ist.
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Kern der Erfindung ist somit, einen optischen Resonator derart auszubilden, dass dessen optische Resonatorlänge in der lateralen Richtung geringfügig variiert. Eine Justierung der Modenwellenlänge kann dadurch erfolgen, dass gezielt ein Bereich des optischen Resonators ausgewählt wird, der eine zur Modenverstärkung geeignete Resonatorlänge definiert. Hierzu ist vorgesehen, das von einer Pumplichtquelle bzw. -laserquelle bereitgestellte Pumplicht bzw. -laserlicht im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Richtung einzukoppeln. Durch Verschieben des Pump-Laserstrahls in lateraler Richtung ändert sich auch die laterale Position der Lasermode und damit die Resonatorlänge, welche die Resonanzbedingung für die zu verstärkenden Moden festlegt.
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Die Wellenlänge, für die die Resonanzbedingung gilt, wird von der optischen Resonatorlänge festgelegt. Die optische Resonatorlänge wird im Rahmen der vorliegenden Spezifikation definiert durch die effektive Länge des optischen Wegs, welcher pro Umlauf im optischen Resonator zurückgelegt wird. Hierfür ist zum einen der Abstand der beiden Reflexionselemente maßgeblich. Zum anderen ist auch die longitudinale Ausdehnung der pro Umlauf transmittierten optischen Medien und deren Brechungsindices, insbesondere der optisch aktiven Medien zu berücksichtigen. Diese können beispielsweise ein optisches Verstärkermedium, insbesondere einen zumindest abschnittsweise dotierten Laserkristall oder einen sättigbaren Absorber umfassen.
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Die hier betrachteten Resonatoren sind zumindest näherungsweise stabil. Die die Resonatorlänge definierende effektive optische Weglänge variiert in lateraler Richtung nur geringfügig.
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Die besondere Ausbildung des optischen Resonators ermöglicht eine besonders präzise Justierung der zu verstärkenden Resonatormoden bei gleichzeitig hoher thermischer Stabilität.
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Die Einrichtung zum Einkoppeln des Pump-Laserstrahls dient bei der Justierung dazu, insbesondere die laterale Position des eingekoppelten Pump-Laserstrahls bezüglich des optischen Resonators festzulegen. Da der optische Resonator Teilbereiche mit unterschiedlichen Resonatorlängen aufweist, welche gezielt durch ein Verschieben des eingekoppelten Pump-Laserstrahls in lateraler Richtung aktiviert werden können, ist hierdurch eine besonders präzise und robuste Möglichkeit der Justierung ermöglicht. Die Resonatorlänge variiert nur geringfügig in lateraler Richtung, das heißt, dass die relative Verschiebung von Pump-Laserstrahl und optischem Resonator in lateraler Richtung typischerweise um Größenordnungen größer ist, als die einzustellende Weglängendifferenz der optischen Resonatorlänge, welche insbesondere bei Mikrochip-Festkörperlasern bei nur einigen wenigen Nanometern liegt. Dadurch ist eine besonders genaue Vorgabe der gewünschten Resonatorlänge ermöglicht. Eine Möglichkeit, eine in lateraler Richtung variierende Resonatorlänge zu implementierten, ist durch eine leichte Verkippung der Reflexionselemente, insbesondere der Resonatorspiegel. Die Verkippung der Reflexionselemente bzw. der Resonatorspiegel ist so klein zu wählen, dass sich die Lasermode und das Pumpvolumen zumindest teilweise überlappen, damit die Lasermode eine Verstärkung erfahren kann. Der Überlapp zwischen Lasermode und Pumpvolumen beträgt vorzugsweise 30% oder mehr. Das Pumpvolumen ist im Wesentlichen durch die räumliche Ausdehnung eines in den Resonator eingekoppelten Pump-Laserstrahls definiert.
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Bei zueinander verkippten, im Wesentlich plan ausgeführten Reflexionselementen bzw. Resonatorspiegeln wäre zunächst zu erwarten, dass der so gebildete Resonator die Stabilitätskriterien nicht erfüllt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Effekt durch die beim Betrieb der Laservorrichtung entstehende thermische Linse kompensiert werden kann, die in an sich bekannter Weise von im optischen Medium absorbierter Laserstrahlung des eingekoppelten Pump-Laserstrahls verursacht wird. Dieser Effekt bewirkt eine Ablenkung der im Resonator umlaufenden Lasermode in Abhängigkeit ihrer lateralen Position derart, dass die Lasermode nach einem Umlauf im Wesentlichen wieder auf die bereits zuvor durchlaufene Trajektorie geführt wird. Ist die Variation der Resonatorlänge bzw. die Verkippung der Resonatorspiegel hinreichend klein, so ist weiterhin ein für die Verstärkung hinreichend großer Überlapp zwischen Pumpvolumen und umlaufender Lasermode sichergestellt.
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Durch die leichte Verkippung der Resonatorspiegel kann die zur Justierung benötigte, geringe Längenänderung der Resonatorlänge in Propagationsrichtung in eine größere Änderung quer, also lateral dazu übersetzt werden. Beträgt die Verkippung beispielsweise 0,5 mrad, so entspricht eine Änderung der Resonatorlänge um 47 nm einer lateralen Verschiebung von etwa 94 µm. Diese größere Verschiebung quer zur Strahlrichtung lässt sich bedeutend leichter justieren und dauerhaft stabilisieren als eine unmittelbare Justierung der Resonatorspiegel in Propagations- bzw. Strahlrichtung, die in diesem Fall auf wenige Nanometer genau sein muss.
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Die Verkippung der Resonatorspiegel zueinander beträgt beispielsweise 0,1 bis 5 mrad, bevorzugt 0,1 bis 1 mrad, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,5 mrad.
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Dabei kann beispielsweise der gesamte optische Resonator gegenüber einem ortsfesten Pump-Laserstrahl verschoben werden oder der Pump-Laserstrahl gegen einen ortsfesten optischen Resonator verschoben werden.
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In anderen Ausführungsbeispielen wird die geringfügige laterale Variation der Resonatorlänge durch die im Resonator angeordneten optischen Medien realisiert. Die Ausdehnung der optischen Medien in Propagationsrichtung ist hierbei für verschiedene laterale Position unterschiedlich, so dass der vom Pump-Laserstrahl durchlaufene optische Weg leicht variiert. Eine Justierung kann auch hier in besonders vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, dass die laterale Position des Pump-Laserstrahls solange verändert wird, bis die gewünschte Resonatormode bzw. die gewünschten Resonatormoden verstärkt werden.
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Das erste und das zweite Reflexionselement sind vorzugsweise als Spiegel ausgeführt, deren im Wesentlichen eben ausgebildete Spiegelflächen abweichend von einer planparallelen Anordnung zueinander verkippt ausgerichtet sind.
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Besonders bevorzugt sind das erste und das zweite Reflexionselement in einem derart kleinen Winkel zueinander angeordnet, dass ein zumindest näherungsweise stabiler Resonator gebildet ist. Diese Ausführung betrifft somit im Wesentlichen ein Fabry-Perot-Resonator, da die Abweichung von der planparallelen Ausrichtung derart klein ist, dass keine relevante Beeinträchtigung der Stabilitätskriterien erfolgt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, das erste und/oder zweite Reflexionselement zur Ausbildung eines stabilen Resonators zumindest abschnittsweise eine Krümmung aufweisen. Eine geringfügige Krümmung bewirkt eine Veränderung des Durchmessers eines von der im Resonator umlaufenden Lasermode definierten Modenvolumens. Die Krümmung des Reflexionselements bzw. der Reflexionselemente ist vorzugsweise derart gewählt, dass der Durchmesser des Modenvolumens optimal an den Durchmesser des Pumpvolumens angepasst ist.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das optische Medium einen Laserkristall, dessen im Wesentlichen ebene, dem ersten und dem zweiten Reflexionselement stirnseitig zugewandte Seitenflächen zueinander in einer von einer planparallelen Anordnung abweichenden Anordnung verlaufen. Hier ist somit die Variation der Resonatorlänge nicht von der Anordnung der Reflexionselemente vorgegeben, sondern von der longitudinalen Ausdehnung des beim Umlauf transmittierten Bereichs des Laserkristalls. In einem möglichen Ausführungsbeispiel ist der Laserkristall im Wesentlichen keilförmig ausgestaltet, so dass je nach lateraler Position des Pump-Laserstrahls ein unterschiedlich langer optischer Weg zurückgelegt werden muss.
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Aus Gründen der vereinfachten Justierung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das optische Medium fest mit dem ersten und/oder dem zweiten Reflexionselement zu verbinden. Das optische Medium ist fest, insbesondere unlösbar mittels Diffusionsbonden, Spin-On Glass oder anderen an sich bekannten Fügetechniken mit einem der Reflexionselemente verbunden, um die Anzahl der zu kalibrierenden Freiheitsgrade zu reduzieren. Zudem sind Luftspalte innerhalb des Resonators zumindest teilweise vermieden, die Stabilitätsprobleme auf Grund der betriebsbedingt auftretenden thermischen Ausdehnung verursachen können.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste oder zweite Reflexionselement ein sättigbarer Absorber. Der sättigbare Absorber fungiert als passives Schaltelement, insbesondere als hochreflektierender Rückseitenspiegel oder als passives Auskoppelelement, welches sein Transmissionsverhalten für die im Resonator verstärkte Laserstrahlung sprunghaft ändert, wenn die Energiedichte innerhalb des Resonators einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Der optische Resonator ist somit als passiv geschalteter Laserresonator ausgebildet, um Laserpulse mit hoher Intensität und kurzen Pulsdauern zu erzeugen.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die vorstehend genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Justieren einer Laservorrichtung mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Der Pump-Laserstrahl wird in den optischen Resonator derart eingekoppelt, dass dieser innerhalb des optischen Resonators im Wesentlichen parallel zur longitudinalen Richtung propagiert. Gemäß der Erfindung wird die Position der Pump-Laserstrahls zumindest bezüglich der senkrecht zur longitudinalen Richtung verlaufenden lateralen Richtung verändert, um einen Bereich des optischen Resonators mit einer vorgebbaren optischen Resonatorlänge auszuwählen. Die gewünschte Resonatorlänge wird insbesondere hinsichtlich der zu verstärkenden Resonatormoden selektiert, es ist somit vorgesehen, einen Teilbereich des optischen Resonators derart gezielt zu aktivieren, dass die Wellenlänge bzw. -längen von einer oder mehreren vorgegebenen Resonatormoden innerhalb des Gewinnspektrums des optischen Mediums liegt bzw. liegen.
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Im Folgenden werden mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: einen optischen Resonator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 einen optischen Resonator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3 einen optischen Resonator gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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4 einen optischen Resonator gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
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5 einen optischen Resonator gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
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6 einen optischen Resonator gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
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7 einen optischen Resonator gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel;
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8 einen optischen Resonator gemäß einem achten Ausführungsbeispiel;
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9 einen optischen Resonator gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel;
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10 einen optischen Resonator gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel;
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11 einen optischen Resonator gemäß einem elften Ausführungsbeispiel;
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12 einen optischen Resonator gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel;
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13 schematisch eine Laservorrichtung mit einem der in 1 bis 8 gezeigten optischen Resonatoren und einer Einrichtung zum Einkoppeln eines Pump-Laserstrahls;
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14 schematisch eine weitere Laservorrichtung mit einem der in 1 bis 12 gezeigten optischen Resonatoren;
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen optischen Resonator 1 gemäß einer ersten Ausführung. Der optische Resonator 1 umfasst ein erstes Reflexionselement 2 und ein zweites Reflexionselement 3. Zwischen den beiden Reflexionselementen 2, 3 ist ein optisch aktives Medium 4 angeordnet. Im vorliegenden Fall ist das zur Laserverstärkung vorgesehene optisch aktive Medium 4 ein Laserkristall.
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Das erste Reflexionselement 2 ist als Auskoppelspiegel ausgeführt, der durch einen Luftspalt 8 vom optischen Medium 4 bzw. vom Laserkristall getrennt ist. Das optische Medium ist wiederum durch einen weiteren Luftspalt 9 vom zweiten Reflexionselement 3 getrennt, welches als Rückseitenspiegel ausgeführt ist. Der als optisches Medium 4 fungierende Laserkristall weist zwei planparallel zueinander angeordnete Stirnseiten 5, 6 auf. Das als Auskoppelspiegel ausgeführte erste Reflexionselement 2 und das als Rückseitenspiegel ausgeführte zweite Reflexionselement 3 sind zueinander verkippt angeordnet und stehen somit unter einem spitzen Winkel zueinander. Der zwischen dem zweiten Reflexionselement 3 und der der Stirnfläche 6 des optischen Mediums 4 verlaufende weitere Luftspalt 9 ist keilförmig.
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In anderen Ausführungen ist der Luftspalt 8 zwischen dem optischen Medium 4 und dem als Rückseitenspiegel ausgeführten zweiten Reflexionselement 3 keilförmig oder beide Luftspalte 8, 9 sind keilförmig.
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Das als Laserkristall ausgeführte optische Medium 4 kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen.
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Entweder weist das erste oder das zweite Reflexionselement 2, 3 eine hohe Transmission für die Wellenlänge des Pumplichts bzw. des Pump-Laserstrahls auf. In möglichen alternativen Ausführungsformen ist entweder das erste oder das zweite Reflexionselement 2, 3 als sättigbarer Absorber ausgeführt. Die Reflexionselemente 2, 3 des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels sind Spiegel mit planen Spiegelflächen 10, 11, die zueinander verkippt sind. In einem anderen Ausführungsbeispiel weisen die Spiegelflächen 10, 11 eine geringfügige Krümmung auf, um das von der im optischen Resonator umlaufenden Lasermode beanspruchte Modenvolumen an das von dem Pump-Laserstrahl definierte Pumpvolumen anzupassen.
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Es versteht sich, dass die in den 1 bis 14 gezeigte schematische Darstellung insbesondere des optischen Resonators 1 nicht maßstabsgetreu ist. Insbesondere ist die Verkippung der Reflexionselemente 2, 3 zueinander bzw. die keilförmige Ausbildung des optisch aktiven Mediums 4 und/oder die dazwischen liegenden Luftspalte 8, 9 stark überzeichnet dargestellt, um die Variation der Resonatorlänge für unterschiedliche Positionen des Pump-Laserstrahls bezüglich einer lateraler Richtung L zu veranschaulichen. In der tatsächlichen Implementierung, insbesondere bei Mikrochip-Festkörperlasern, variiert die vom Pump-Laserstrahl pro Umlauf transmittierte Resonatorlänge nur geringfügig, beispielsweise um etwa 10 nm bis 100 nm. Der Pump-Laserstrahl propagiert innerhalb des optischen Resonators 1 im Wesentlichen in longitudinaler Richtung P. Die Verkippung der beiden Reflexionselemente 2, 3 hat keinen merklichen Einfluss auf die Stabilität des gebildeten optischen Resonators 1.
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Die 2 bis 10 zeigen weitere exemplarische Ausführungsformen des optischen Resonators 1. Diese Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im Wesentlichen in der spezifischen Anordnung der Reflexionselemente 2, 3 zueinander bzw. in der spezifischen geometrischen Ausbildung des optisch aktiven Mediums 4, d.h. des Laserkristalls. Das optische Medium 4 ist gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele keilförmig ausgebildet, d. h. die beiden Stirnflächen 5, 6 des optischen Mediums 4 verlaufen nicht planparallel zueinander, sondern zueinander in einem Winkel. Derartige Ausführungen definieren auch eine für unterschiedliche laterale Positionen variierende Resonatorlänge.
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2 zeigt einen optischen Resonator 1 gemäß einer zweiten Ausführung. Das als Auskoppelspiegel ausgeführte erste Reflexionselement 2 ist durch den Luftspalt 8 vom optisch aktiven Medium 4 getrennt. Das optisch aktive Medium 4 ist wiederum durch den Luftspalt 9 vom zweiten Reflexionselement 3, welches als Rückseitenspiegel ausgeführt ist, getrennt. Das optisch aktive Medium 4 ist ein keilförmiger Laserkristall.
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Die Spiegelfläche 10 des ersten Reflexionselements 2 bzw. des Auskoppelspiegels verläuft planparallel bezüglich der gegenüberliegenden Stirnseite 5 des optischen Mediums 4.
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Das als Rückseitenspiegel ausgeführte zweite Reflexionselement 3 verläuft planparallel zur gegenüberliegenden Stirnseite 6 des optischen Mediums 4. Alternativ hierzu kann die Stirnseite 6, wie im Ausführungsbeispiel der 3 illustriert, bezüglich dem zweiten Reflexionselement 3 in einem Winkel angeordnet sein. Auskoppelspiegel und Rückseitenspiegel können planparallel zueinander stehen (3), oder, wie in 2 illustriert, einen Winkel zueinander bilden.
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In einer vierten, in 4 gezeigten Ausführung ist das erste Reflexionselement 2, welches als Auskoppelspiegel ausgebildet ist, untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Die untrennbare Verbindung zwischen dem optischen Medium 4 und dem ersten Reflexionselement 2 kann beispielsweise durch eine dielektrische Beschichtung auf dem als Laserkristall ausgeführten optischen Medium 4 realisiert sein, oder durch Bonden oder Kleben eines Auskoppelspiegels auf den Laserkristall.
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Das optische Medium 4 bzw. der Laserkristall ist durch den Luftspalt 9 vom zweiten Reflexionselement 3 getrennt, welches als Rückseitenspiegel dient. Der Laserkristall ist in diesem Fall planparallel, der Luftspalt 9 ist keilförmig. Die dem ersten Reflexionselement 2 gegenüberliegende Seite des optisch aktiven Mediums 4 kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen.
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Auch in dem fünften Ausführungsbeispiel, welches in 5 gezeigt ist, ist das erste Reflexionselement 2 untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Im Gegensatz zu dem in 4 gezeigten Beispiel verläuft das zweite Reflexionselement 3 bzw. dessen plane Spiegelfläche 11 parallel zur gegenüberliegenden Stirnfläche 6 des optischen Mediums 4. Im sechsten Ausführungsbeispiel der 6 verläuft die Spiegelfläche 11 des zweiten Reflexionselements 3 bezüglich der Stirnseite 6 des optischen Mediums 4 in einem spitzen Winkel. Im fünften und im sechsten Ausführungsbeispiel ist das optische Medium 4 keilförmig ausgebildet, dessen Stirnseiten zueinander in einem Winkel verlaufen.
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In einer siebten Ausführung, die in 7 schematisch illustriert ist, ist das als Auskoppelspiegel dienende erste Reflexionselement 2 durch einen Luftspalt 8 vom optischen Medium 4 beabstandet. Das optische Medium 4 ist planparallel, der Luftspalt 8 ist keilförmig. Das als Rückseitenspiegel ausgebildete zweite Reflexionselement 3 ist untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Dies kann z.B. durch eine dielektrische Beschichtung auf dem Laserkristall realisiert sein, oder durch Bonden oder Kleben des Rückseitenspiegels auf den Laserkristall. Die freie Stirnseite 5 des Laserkristalls kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen.
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In dem in 8 gezeigten, achten Ausführungsbeispiel ist das als Auskoppelspiegel ausgeführte erste Reflexionselement 2 durch den Luftspalt 8 vom optischen Medium 4 getrennt. Das optische Medium 4 ist keilförmig, der Luftspalt ist, wie in 8 gezeigt, planparallel oder alternativ dazu, wie in 9 gezeigt, keilförmig. Das als Rückseitenspiegel ausgeführte zweite Reflexionselement 3 ist im achten bzw. neunten Ausführungsbeispiel der 8 bzw. 9 untrennbar mit dem optischen Medium 4 verbunden. Dies kann z.B. durch eine dielektrische Beschichtung auf dem Kristall realisiert sein, oder durch Bonden oder Kleben eines Rückseitenspiegels auf den Kristall. Die freie Stirnseite 5 des Laserkristalls kann beschichtet sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen. Entweder der Auskoppel- oder der Rückseitenspiegel ist derart ausgeführt, dass dieser eine hohe Transmission für das Pumplicht hat. Entweder der Auskoppel- oder der Rückseitenspiegel kann als sättigbarer Absorber ausgeführt sein. Die Resonatorspiegel sind vorzugsweise plan, können aber auch eine Krümmung aufweisen, die so gering ist, dass ein stabiler Resonator 1 entsteht.
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In einem zehnten Ausführungsbeispiel, welches in 10 schematisch dargestellt ist, sind das als Auskoppelspiegel dienende erste Reflexionselement 2 und das als Rückseitenspiegel dienende zweite Reflexionselement 3 untrennbar mit dem als Laserkristall ausgeführten optischen Medium 4 verbunden. Die ersten und zweiten Reflexionselemente 2, 3 sind durch dielektrische Beschichtung auf dem optischen Medium 4 realisiert. Auch im zehnten Ausführungsbeispiel weist der als optisches Medium 4 fungierende Laserkristall eine keilförmige Gestalt auf. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Reflexionselemente 2, 3 durch Bonden oder Kleben mit dem optischen Medium 4 verbunden.
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Der optische Resonator 1 enthält in Weiterbildung der Erfindung zusätzliche diskrete optische Elemente, wie beispielsweise aktive Güteschalter oder sättigbare Absorber 12. Eine derartige Modifikation des optischen Resonators 1 ist unabhängig von dessen konkreter Ausgestaltung vorgesehen, insbesondere sind sämtliche der in 1 bis 10 gezeigten Geometrien möglich. Die Reflexionselemente 2, 3 können davon unbenommen in jedem der gezeigten Beispiel als sättigbare Absorber ausgeführt sein.
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11 und 12 illustrieren schematisch das elfte und das zwölfte Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das optische Medium 4 ist ein dotierter Laserkristall, der mehrere Abschnitte 4a, 4b aufweist, welche sich hinsichtlich der Art ihrer Dotierung und/oder ihrer Dotierungskonzentration unterscheiden. Der erste Abschnitt 4a dient als Verstärkermedium, der den optischen Gewinn erzeugt. Der zweite Abschnitt 4b ist ein sättigbarer Absorber 12. Beide Abschnitte 4a, 4b sind untrennbar miteinander verbunden.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist einer der beiden Abschnitte 4a, 4b undotiert. Der erste Abschnitt 4a und der zweite Abschnitt 4b sind mit Dotieratomen bzw. -ionen des gleichen chemischen Elements dotiert oder, in einer alternativen Ausführung mit Dotieratomen bzw. -ionen unterschiedlicher chemischer Elemente.
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Das optische Medium 4 hat in einem möglichen, nicht näher dargestelltem Ausführungsbeispiel zusätzlich einen undotierten Abschnitt, der dazu dient, die Wärmeabfuhr aus dem laseraktiven ersten Abschnitt 4a zu verbessern. Zwischen den verschiedenen Kristallabschnitten können Beschichtungen zusätzlich aufgebracht sein, um eine definierte Reflektivität für das Signal- und/oder Pumplicht zu erzielen.
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Wie in 11 und 12 exemplarisch dargestellt, können die Abschnitte 4a, 4b quader- oder keilförmig ausgebildet sein. Insbesondere kann der laseraktive erste Abschnitt 4a, wie in 11 gezeigt, zwei planparallel gegenüberliegende Stirnflächen aufweisen und der sättigbare Absorber 12 keilförmig sein. Im zwölften Ausführungsbeispiel (12) ist der laseraktive erste Abschnitt 4a keilförmig und der sättigbare Absorber 12 ist quaderförmig mit planparallel gegenüberliegenden Stirnflächen.
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13 und 14 illustrieren schematisch eine Laservorrichtung 20, die einen vorstehend beschriebenen optischen Resonator 1 aufweisen. Lediglich exemplarisch ist in 13 und 14 das konkrete Ausführungsbeispiel der 10 gezeigt, es versteht sich, dass sämtliche anderen der vorstehend beschriebenen optische Resonatoren 1 in analoger Weise in der Laservorrichtung 20 zum Einsatz kommen können.
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Die Laservorrichtung 20 weist den optischen Resonator 1 auf, welcher eine optische Resonatorlänge definiert, die in Abhängigkeit der lateralen Positionierung eines eingekoppelten Pump-Laserstrahls S variiert. Der Pump-Laserstrahl S ist mittels der Einrichtung 21 in den optischen Resonator 1 einkoppelbar, wobei die Positionierung des Pump-Laserstrahls S insbesondere hinsichtlich der lateralen Richtung L vorgegeben werden kann. Mit anderen Worten sind also die Einrichtung 21 und der optische Resonator 1 relativ zueinander derart verstellbar, dass der vom Pump-Laserstrahl S beim Umlauf im Resonanzraum transmittierte Bereich gezielt ausgewählt werden kann. Die relative Positionierung der Einrichtung 21 und des optischen Resonators 1 legt damit die effektive Resonatorlänge und damit den spektralen Modenabstand der zu verstärkenden Resonatormoden fest.
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In 13 erfolgt die Justierung der Laservorrichtung 20 durch ein Verschieben des optischen Resonators 1 in lateraler Richtung L gegenüber einer ortsfesten Einrichtung 21, die den Pump-Laserstrahl S bereitstellt. Dies ist in 13 durch den Doppelpfeil 22 angedeutet.
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In 14 wird die Laservorrichtung 20 durch ein Verstellen der Einrichtung 21 gegenüber dem ortsfesten optischen Resonator 1 justiert. Auch hier wird ein Bereich des optischen Resonator 1 ausgewählt, der eine geeignete Resonatorlänge aufweist, indem die Positionierung des Pump-Laserstrahls S bezüglich der lateralen Richtung L eingestellt wird.
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Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die konkrete Ausgestaltung der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr kann der zuständige Fachmann anhand der Beschreibung Variationen ableiten ohne von dem wesentlichen Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann, unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des in 1 bis 12 gezeigten optischen Resonators 1 zumindest ein der beiden Reflexionselemente 2, 3 als sättigbarer Absorber 12 ausgeführt sein. Etwaige freie Stirnflächen 5, 6 des optischen Mediums 4 können mit Beschichtungen versehen sein, um die Reflektivität für das Pump- und/oder für das Signallicht für die Laserverstärkung geeignet anzupassen. Ferner können die schematisch illustrierten Resonatoren 1 eine geringfügige Krümmung aufweisen, so dass diese den Stabilitätskriterien entsprechen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optischer Resonator
- 2
- erstes Reflexionselement
- 3
- zweites Reflexionselement
- 4
- optisches Medium
- 5
- Stirnfläche
- 6
- Stirnfläche
- 8
- Luftspalt
- 9
- Luftspalt
- 10
- Spiegelfläche
- 11
- Spiegelfläche
- 12
- sättigbarer Absorber
- 20
- Laservorrichtung
- P
- longitudinale Richtung
- L
- laterale Richtung
- S
- Pump-Laserstrahl
