DE102016114702B4 - Laser amplification system and method for correcting an asymmetrical, transverse radiation pressure profile in a laser-active medium of a solid - Google Patents
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Abstract
Laserverstärkungssystem umfassend einen ein laseraktives Medium aufweisenden Festkörper (12), eine erste Pumpstrahlungsquelle (28) zur Erzeugung eines ersten Pumpstrahlungsfeldes (30), welches den Festkörper (12) mindestens dreifach durchsetzt zum Anregen des laseraktiven Mediums, wobei das Laserverstärkungssystem eine zweite Pumpstrahlungsquelle (28') zur Erzeugung eines zweiten Pumpstrahlungsfeldes (30') umfasst, welches den Festkörper (12) mindestens dreifach durchsetzt zum Anregen des laseraktiven Mediums, wobei das erste Pumpstrahlungsfeld (30) und das zweite Pumpstrahlungsfeld (30') so ausgerichtet sind, dass sich in einer von dem Festkörper (12) definierten Transversalebene (34) die Summe aller ersten Transversalkomponenten (36) des auf den Festkörper (12) auftreffenden ersten Pumpstrahlungsfeldes (30) und die Summe aller zweiten Transversalkomponenten (36') des auf den Festkörper (12) auftreffenden zweiten Pumpstrahlungsfeldes (30') im Wesentlichen kompensieren, wobei das Laserverstärkungssystem eine erste Fokussierungseinrichtung (32), welche mehrere verschiedene in den Festkörper (12) einfallende Äste des ersten Pumpstrahlungsfeldes (30) erzeugt und dabei mindestens einen aus dem Festkörper (12) ausfallenden Ast in einen der in den Festkörper (12) einfallenden und vom ausfallenden Ast verschiedenen Äste umsetzt, und mindestens eine zweite Fokussierungseinrichtung (32') umfasst, welche mehrere verschiedene in den Festkörper (12) einfallende Äste des zweiten Pumpstrahlungsfeldes (30') erzeugt und dabei mindestens einen aus dem Festkörper (12) ausfallenden Ast in einen der in den Festkörper (12) einfallenden und vom ausfallenden Ast verschiedenen Äste umsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpstrahlungsquelle (28) und die zweite Pumpstrahlungsquelle (28') und das erste, Fokussierungssystem (32) und das zweite Fokussierungssystem (32') so ausgerichtet sind, dass die Transversalkomponente (36) des ersten Astes des ersten, auf den Festkörper (12) hin gerichteten Pumpstrahlungsfeldes (30) und die Transversalkomponente (36') des ersten Astes des zweiten, auf den Festkörper (12) hin gerichteten Pumpstrahlungsfeldes (30') und die Transversalkompönenten aller weiteren Äste paarweise um 180° zueinander versetzt auf den Festkörper (12) ausgerichtet sind.A laser amplification system comprising a solid state body (12) having a laser active medium, a first pump radiation source (28) for generating a first pump radiation field (30) passing at least three times through the solid body (12) for exciting the laser active medium, the laser amplification system comprising a second pump radiation source (28 ') for generating a second pump radiation field (30'), which passes through the solid body (12) at least three times for exciting the laser-active medium, wherein the first pump radiation field (30) and the second pump radiation field (30 ') are aligned so that in a transverse plane (34) defined by the solid body (12) is the sum of all first transverse components (36) of the first pump radiation field (30) impinging on the solid body (12) and the sum of all second transverse components (36 ') of the solid body (12) substantially compensate for the incident second pump radiation field (30 '), wherein d The laser amplification system has a first focusing device (32) which generates a plurality of different branches of the first pump radiation field (30) incident in the solid body (12) and at least one branch emerging from the solid body (12) entering one of the solid bodies (12) from the failing branch different branches, and at least a second focusing device (32 ') comprises, which generates several different in the solid body (12) branches of the second pump radiation field (30') and thereby at least one of the solid body (12) ausfallenden branch in one of the in the solid (12) incident and different branches from the failing branches, characterized in that the first pump radiation source (28) and the second pump radiation source (28 ') and the first, focusing system (32) and the second focusing system (32'; ) are aligned so that the transverse component (36) of the first branch of the first, on the Fe Stark (12) directed towards the pump radiation field (30) and the transverse component (36 ') of the first branch of the second, on the solid body (12) directed pump radiation field (30') and the transverse components of all other branches in pairs offset by 180 ° to each other Solid body (12) are aligned.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserverstärkungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a laser amplification system according to the preamble of
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.Furthermore, the invention relates to a method according to the preamble of
Ein Laserverstärkungssystem zur Ausbildung eines Festkörperlasers ist beispielsweise aus der
Ein Problem bei dieser Vorgehensweise ist der Strahlungsdruck, den das Pumpstrahlungsfeld durch die mehrfache Überlagerung der einzelnen Pumpdurchgänge und Strahlungsdruckkräfte aus den Absorptions- und Emissionsprozessen auf das laseraktive Medium im Festkörper ausübt. Um eine ausreichende Verstärkung des Laserverstärkersystems zu erreichen, wird insbesondere mit Pumpleistungsdichten im Bereich mehrerer Kilowatt pro Quadratzentimeter gearbeitet. Dementsprechend wird der Festkörper, auf dem das Pumpstrahlungsfeld mehrfach abbildend fokussiert ist, mit einer sehr hohen Flächenleistung im Bereich von Megawatt pro Quadratzentimeter beaufschlagt. Da das Pumpstrahlungsfeld nicht senkrecht zu einer vom Festkörper definierten Transversalebene auf den Festkörper auftrifft, sondern schräg, also unter einem Winkel, wirkt im laseraktiven Medium des Festkörpers aufgrund von Absorptions- und Emissionsprozessen zusätzlich zum vom Pumpstrahlungsfeld senkrecht ausgeübten Strahlungsdruck auch eine Kraft parallel zur Transversalebene auf den Festkörper, also eine Transversalkraft. Die Strahlungsdruckkräfte aus den Absorptions- und Emissionsprozessen stammen aus den gebundenen Ladungen im laseraktiven Material und erzeugen über die magnetische Lorentzkraft neben der longitudinalen Komponente eine Transversalkraft. Dies führt zu einer unsymmetrischen Verformung des Festkörpers mit Tiefen im Nanometerbereich (siehe zum Beispiel
Aus der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strahlqualität bei einem Festkörperlaser, insbesondere bei einem Scheibenlaser, zu verbessern.It is therefore an object of the present invention to improve the beam quality in a solid-state laser, in particular in a disk laser.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.This object is achieved by the subject of
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Weiterbildung des bekannten Laserverstärkungssystems ermöglicht es insbesondere, eine unsymmetrische Verformung des Festkörpers, beispielsweise in Form einer Festkörperscheibe, durch den vom ersten Pumpstrahlungsfeld ausgeübten Strahlungsdruck und die dadurch wirkenden Transversalkräfte, auch als Transversalkomponenten der durch das erste Pumpstrahlungsfeld ausgeübten Strahlungsdruckkräfte, in der Transversalebene zu verhindern, indem durch Beaufschlagen des Festkörpers mit dem zweiten Pumpstrahlungsfeld die auf den Festkörper wirkende Transversalkraft kompensiert wird. Werden zwei Pumpstrahlungsfelder erzeugt, werden diese so auf den Festkörper ausgerichtet, dass sich die jeweils resultierenden Transversalkomponenten kompensieren. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Transversalkomponenten der durch die Pumpstrahlungsfelder auf den Festkörper einwirkenden Strahlungsdruckkräfte in zueinander entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. Damit heben sich die auf den Festkörper durch die Pumpstrahlungsfelder wirkenden Transversalkräfte auf, so dass es zu keiner rotationsunsymmetrischen Verformung des Festkörpers kommt. Damit kann auch eine unerwünschte Verformung der im Resonator des Festkörperlasers sich ausbildenden Lasermoden verhindert werden, welche Verformung sich also negativ auf eine Strahlqualität der mit dem Festkörperlaser erzeugten Laserstrahlung auswirkt. Es lassen sich auf diese Weise Lasermoden mit einem im Querschnitt rotationssymmetrischen Strahlprofil ausbilden. Werden mehr als zwei Pumpstrahlungsfelder eingesetzt, werden diese insbesondere so ausgerichtet, dass sich die aufgrund der Pumpstrahlungsfelder auf den Festkörper wirkenden Druckkräfte in der Transversalebene zu Null addieren. Bei zwei Pumpstrahlungsfeldern werden diese in der Transversalebene um 180° versetzt zueinander auf den Festkörper gerichtet. Grundsätzlich kann auch auf Fokussierungssysteme, nachfolgend auch als Fokussierungseinrichtungen bezeichnet, verzichtet werden, so dass die Pumpstrahlungsfelder den Festkörpern nur ein oder zweimal durchlaufen. Zweimal nur dann, wenn eine Rückseite des Festkörpers mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen ist, so dass die Pumpstrahlungsfelder nach einmaligem Durchlaufen des Festkörpers an dessen Rückseite reflektiert werden und dann den Festkörper nochmals durchlaufen. Allerdings ist die Effizienz eines solchen Lasersystems nicht besonders hoch, da bei nur ein- öder zweimaligem Durchgang der Pumpstrahlungsfelder durch den Festkörper nur ein sehr geringer Teil der Leistung der Pumpstrahlungsfelder durch den Festkörper absorbiert werden kann. Erfindungsgemäß ist daher das Laserverstärkungssystem derart ausgebildet, dass die Pumpstrahlungsfelder den Festkörper mehrfach durchlaufen, und zwar mindestens dreimal. Besonders einfach wird der Aufbau des Laserverstärkungssystems dadurch, dass es eine erste Pumpstrahlungsquelle und eine zweite Pumpstrahlungsquelle umfasst. Da nur zwei Pumpstrahlungsquellen verwendet werden, können diese wie bereits erwähnt so angeordnet werden, dass die von ihnen erzeugten Pumpstrahlungsfelder mit zueinander entgegen gerichteten Transversalkomponenten der auf den Festkörper wirkenden Druckkräfte ausgerichtet sind. In der Transversalebene werden also die Pumpstrahlungsfelder um 180° versetzt auf den Festkörper gerichtet. Treffen die Pumpstrahlungsfelder nicht unter demselben Winkel bezogen auf die Transversalebene auf den Festkörper auf, können sich bei identischer Pumpleistung der Pumpstrahlungsquellen leicht unterschiedliche Transversalkräfte ergeben. Diese lassen sich beispielsweise durch eine Leistungsanpassung eines Pumpstrahlungsfeldes regeln, um so eine größere oder kleinere Transversalkraft zu erzeugen, die dann die vom anderen Pumpstrahlungsfeld auf den Festkörper ausgeübte Transversalkomponente der durch den Strahlungsdruck wirkenden Druckkraft möglichst gut kompensiert. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Fokussierungseinrichtung mindestens eine erste Umlenkeinheit umfasst zum Umlenken des ersten Pumpstrahlungsfeldes nach Durchlaufen des Festkörpers auf den Festkörper zurück, dass die zweite Fokussierungseinrichtung mindestens eine zweite Umlenkeinheit umfasst zum Umlenken des zweiten Pumpstrahlungsfeldes nach Durchlaufen des Festkörpers auf den Festkörper zurück und dass die mindestens eine erste Umlenkeinheit und die mindestens eine zweite Umlenkeinheit das erste Pumpstrahlungsfeld und das zweite Pumpstrahlungsfeld so in Richtung auf den Festkörperausrichten, dass sich in einer vom Festkörper definierten Transversalebene die Summe aller ersten Transversalkomponenten des auf den Festkörper auftreffenden umgelenkten ersten Pumpstrahlungsfeldes und die Summe aller zweiten Transversalkomponenten des auf den Festkörper auftreffenden umgelenkten zweiten Pumpstrahlungsfeldes im Wesentlichen kompensieren. Wie beim ersten Auftreffen der Pumpstrahlungsfelder auf den Festkörper wird durch die Ausbildung der Fokussierungseinrichtungen sichergestellt, dass auch nach ein- oder mehrfachem Umlenken der Pumpstrahlungsfelder sich deren parallel zur Transversalebene auf den Festkörper wirkenden Druckkräfte kompensieren. Dies wird für eine beliebige Anzahl von Umlenkungen der Pumpstrahlungsfelder so realisiert durch entsprechende Anordnung und Ausbildung der Fokussierungseinrichtungen für die zwei Pumpstrahlungsfelder.The development of the known laser amplification system proposed according to the invention makes it possible in particular in the transverse plane for an asymmetrical deformation of the solid body, for example in the form of a solid-state disk, by the radiation pressure exerted by the first pump radiation field and the transverse forces acting thereby, also as transverse components of the radiation pressure forces exerted by the first pump radiation field to prevent by acting on the solid by acting on the solid with the second pump radiation field, the transverse force acting on the solid is compensated. If two pump radiation fields are generated, they are aligned with the solid body so that the respective resulting transverse components compensate each other. This can be achieved in particular by virtue of the transversal components of the radiation pressure forces acting on the solids by the pump radiation fields in each other directed opposite directions. Thus, the transverse forces acting on the solid body by the pump radiation fields cancel each other, so that there is no rotationally asymmetric deformation of the solid. Thus, an undesirable deformation of the laser modes forming in the resonator of the solid-state laser can be prevented, which deformation thus has a negative effect on a beam quality of the laser radiation generated by the solid-state laser. It can be formed in this way laser modes with a rotationally symmetrical in cross section beam profile. If more than two pump radiation fields are used, they are in particular aligned such that the pressure forces acting on the solid due to the pump radiation fields add up to zero in the transverse plane. In the case of two pump radiation fields, these are directed in the transversal plane offset by 180 ° from one another to the solid. In principle, it is also possible to dispense with focusing systems, also referred to below as focusing devices, so that the pump radiation fields only pass through the solids once or twice. Twice only if a back of the solid is provided with a highly reflective coating, so that the pump radiation fields are reflected after passing through the solid once at the back and then pass through the solid again. However, the efficiency of such a laser system is not particularly high, since only a very small part of the power of the pump radiation fields can be absorbed by the solid with only one or two passes through the pump radiation fields through the solid. According to the invention, therefore, the laser amplification system is designed such that the pump radiation fields repeatedly pass through the solid, at least three times. The structure of the laser amplification system becomes particularly simple in that it comprises a first pump radiation source and a second pump radiation source. Since only two pump radiation sources are used, they can, as already mentioned, be arranged such that the pump radiation fields generated by them are aligned with mutually oppositely directed transverse components of the compressive forces acting on the solid. In the transverse plane, therefore, the pump radiation fields are directed by 180 ° offset to the solid. If the pump radiation fields do not strike the solid at the same angle with respect to the transverse plane, slightly different transverse forces can result with identical pump power of the pump radiation sources. These can be regulated, for example, by adjusting the power of a pump radiation field so as to generate a greater or lesser transverse force, which then optimally compensates for the transverse component of the pressure force exerted by the radiation pressure on the solid from the other pump radiation field. According to the invention, it is provided that the first focusing device comprises at least one first deflection unit for deflecting the first pump radiation field after passing through the solid on the solid body, that the second focusing device comprises at least one second deflection for deflecting the second pump radiation field after passing through the solid on the solid and that the at least one first deflection unit and the at least one second deflection unit align the first pump radiation field and the second pump radiation field in the direction of the solid body such that in a transversal plane defined by the solid, the sum of all first transverse components of the deflected first pump radiation field impinging on the solid body substantially compensate for the sum of all the second transverse components of the deflected second pump radiation field impinging on the solid. As with the first impingement of the pump radiation fields on the solid body is ensured by the formation of the focusing means that even after one or more times redirecting the pump radiation fields compensate their parallel to the transverse plane acting on the solid pressure forces. This is realized for any number of deflections of the pump radiation fields by appropriate arrangement and formation of the focusing devices for the two pump radiation fields.
Erfindungsgemäß umfasst das Laserverstärkungssystem eine erste Fokussierungseinrichtung, welche mehrere verschiedene in den Festkörper einfallende Äste des ersten Pumpstrahlungsfeldes erzeugt und dabei mindestens einen aus dem Festkörper ausfallenden Ast in einen der in den Festkörper einfallenden und vom ausfallenden Ast verschiedenen Äste umsetzt, und eine zweite Fokussierungseinrichtung, welche mehrere verschiedene in den Festkörper einfallende Äste des zweiten Pumpstrahlungsfeldes erzeugt und dabei mindestens einen aus dem Festkörper ausfallenden Ast in einen der in den Festkörper einfallenden und vom ausfallenden Ast verschiedenen Äste umsetzt. Die Funktionsweise derartiger Fokussiereinrichtungen ist im Detail in der
Zur Ausbildung eines Festkörperlasers ist es günstig, wenn der Festkörper in Form einer Festkörperscheibe ausgebildet ist. Diese kann insbesondere mit einer Wärmesenke gekoppelt sein, um einen Wärmestau im Festkörper zu vermeiden.For the formation of a solid state laser, it is advantageous if the solid is formed in the form of a solid state disk. This can be coupled in particular with a heat sink to avoid heat accumulation in the solid.
Vorteilhaft ist es, wenn die erste Fokussierungseinrichtung mindestens zwei erste Umlenkeinheiten umfasst und wenn die mindestens eine zweite Fokussierungseinrichtung mindestens zwei zweite Umlenkeinheiten umfasst. Auf diese Weise wird es insbesondere ermöglicht, dass die von den Pumpstrahlungsquellen erzeugten Pumpstrahlungsfelder den Festkörper mindestens acht-, insbesondere sechzehnmal durchstrahlen, so dass der Festkörper insgesamt acht, insbesondere sechzehnmal, den Pumpstrahlungsfeldern Energie durch Absorption im laseraktiven Medium entziehen kann. Dadurch lässt sich ein Verstärkungsfaktor des Laserverstärkungssystems in gewünschter Weise erhöhen.It is advantageous if the first focusing device comprises at least two first deflecting units and if the at least one second focusing device comprises at least two second deflecting units. In this way, it is possible, in particular, that the pump radiation fields generated by the pump radiation sources irradiate the solid body at least eight times, in particular sixteen times, so that the solid body can extract eight, in particular sixteen times, energy from the pump radiation fields by absorption in the laser-active medium. As a result, an amplification factor of the laser amplification system can be increased as desired.
Auf besonders einfache Weise ausbilden lässt sich das Laserverstärkungssystem, wenn die mindestens eine erste Umlenkeinrichtung zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Reflexionsflächen umfasst und wenn die mindestens eine zweite Umlenkeinheit zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Reflexionsflächen umfasst. Insbesondere kann ein Winkel zwischen den Reflexionsflächen der Umlenkeinheiten 90° betragen. So ist es auf einfache Weise möglich, ein Pumpstrahlungsfeld, welches den Festkörper einmal durchstrahlt hat, an der Rückseite des Festkörpers reflektiert wurde und dann den Festkörper ein zweites Mal durchstrahlt hat, wieder zurück auf den Festkörper umzulenken und optional auf diesen zu fokussieren.The laser amplification system can be formed in a particularly simple manner if the at least one first deflection device comprises two reflection surfaces extending at an angle to one another and if the at least one second deflection unit comprises two reflection surfaces extending at an angle to one another. In particular, an angle between the reflecting surfaces of the deflecting units can be 90 °. Thus, it is possible in a simple manner, a pump radiation field, which has once irradiated the solid, was reflected at the back of the solid and then the solid has irradiated a second time to redirect back to the solid and optionally focus on this.
Vorteilhaft ist es, wenn die erste Fokussierungseinrichtung kollimierende und fokussierende Elemente aufweist, welche das vom Festkörper weg gerichtete erste Pumpstrahlungsfeld zwischenkollimieren und das zwischenkollimierte erste Pumpstrahlungsfeld in Richtung auf den Festkörper hin fokussieren, und wenn die zweite Fokussierungseinrichtung kollimierende und fokussierende Elemente aufweist, welche das vom Festkörper weg gerichtete zweite Pumpstrahlungsfeld zwischenkollimieren und das zwischenkollimierte zweite Pumpstrahlungsfeld in Richtung auf den Festkörper hin fokussieren. Mit derartigen Fokussierungseinrichtungen kann eine Aufweitung des Pumpstrahlungsfeldes durch Zwischenkollimierung verhindert werden. Die fokussierenden Elemente ermöglichen dann wiederum eine erneute Beaufschlagung oder wiederholte Beaufschlagung des Festkörpers durch die Pumpstrahlungsfelder in einem besonders kleinen Flächenbereich, um dort im laseraktiven Medium eine optimale Anregung desselben zu erreichen.It is advantageous if the first focusing device has collimating and focusing elements which collimate the first pump radiation field directed away from the solid body and focus the collimated first pump radiation field in the direction of the solid, and if the second focusing device has collimating and focusing elements which correspond to the first pump radiation field Collimating solid-body directed second pump radiation field and focus the collimated second pump radiation field in the direction of the solid. With such focusing devices, an expansion of the pump radiation field can be prevented by intermediate collimating. The focusing elements then in turn allow a re-admission or repeated loading of the solid by the pump radiation fields in a particularly small surface area in order to achieve optimal excitation of the same in the laser-active medium.
Besonders einfach wird der Aufbau des Laserverstärkungssystems, wenn die erste Fokussierungseinrichtung und die zweite Fokussierungseinrichtung ein gemeinsames fokussierendes Element umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um einen gemeinsamen Parabolspiegel handeln.The construction of the laser amplification system becomes particularly simple if the first focusing device and the second focusing device comprise a common focusing element. In particular, it may be a common parabolic mirror.
Ferner ist es günstig, wenn die erste Fokussierungseinrichtung und die zweite Fokussierungseinrichtung jeweils mindestens eine Kollimationslinse umfassen. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es, einer Aufweitung der Pumpstrahlungsfelder entgegenzuwirken.Furthermore, it is favorable if the first focusing device and the second focusing device each comprise at least one collimating lens. Such a configuration makes it possible to counteract a widening of the pump radiation fields.
Eine besonders kompakte Ausgestaltung des Laserverstärkungssystems lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die die mindestens eine erste Umlenkeinheit und die mindestens eine zweite Umlenkeinheit den Festkörper ringförmig umgeben. Alternativ kann auch eine rechteckige Anordnung mehrerer Umlenkeinheiten vorgesehen sein.A particularly compact embodiment of the laser amplification system can be achieved, for example, in that the at least one first deflection unit and the at least one second deflection unit surround the solid in a ring shape. Alternatively, a rectangular arrangement of a plurality of deflection units can also be provided.
Vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine erste Umlenkeinheit und mindestens eine zweite Umlenkeinheit eine den Festkörper umgebende Doppel- oder Mehrfachringstruktur definieren. So lässt sich ein besonders kompaktes Laserverstärkungssystem mit einem die Fokussierungseinrichtungen umfassenden Pumpmodul ausbilden.It is advantageous if the at least one first deflection unit and at least one second deflection unit define a double or multiple ring structure surrounding the solid. Thus, a particularly compact laser amplification system can be formed with a pumping module comprising the focusing devices.
Erfindungsgemäß umfasst das Laserverstärkungssystem eine zweite Fokussierungseinrichtungen. Die Zahl der Fokussierungseinrichtungen entspricht vorzugsweise der Zahl der Pumpstrahlungsquellen.According to the invention, the laser amplification system comprises a second focusing means. The number of focusing devices preferably corresponds to the number of pumping radiation sources.
Vorzugsweise ist eine Rückseite des Festkörpers hochreflektierend beschichtet. Wird ein solcher Festkörper mit einem Pumpstrahlungsfeld beaufschlagt, dann wird dieses an der Rückseite des Festkörpers reflektiert, so dass von einer Pumpstrahlungsquelle erzeugte Pumpstrahlung den Festkörper auf diese Weise zweifach durchstrahlen kann.Preferably, a back of the solid is coated highly reflective. If such a solid body is exposed to a pump radiation field, then this is reflected at the rear side of the solid, so that pump radiation generated by a pump radiation source can double-pass through the solid state in this way.
Besonders gute Anregungsleistungen lassen sich insbesondere dadurch erreichen, dass die erste Pumpstrahlungsquelle und die zweite Pumpstrahlungsquelle in Form eines Lasers ausgebildet sind. Insbesondere können sie in Form eines Diodenlasers oder eines Faserlasers ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Diodenlaserstack als Pumpstrahlungsquelle vorgesehen sein.Particularly good excitation powers can be achieved in particular in that the first pump radiation source and the second pump radiation source are designed in the form of a laser. In particular, they may be in the form of a diode laser or a fiber laser. In particular, a diode laser stack can be provided as pump radiation source.
Günstigerweise ist der Festkörper ein laseraktiver Kristall, insbesondere ein Ytrium-Aluminium-Granat-Kristall. Beispielsweise kann er mit Ytterbium oder Holmium als laseraktivem Material dotiert sein. Durch die Wahl des Festkörpers und des in diesem enthaltenen laseraktiven Materials kann die Wellenlänge des Festkörperlasers in gewünschter Weise vorgegeben werden.Conveniently, the solid is a laser active crystal, in particular a yttrium aluminum garnet crystal. For example, it may be doped with ytterbium or holmium as the laser active material. By choosing the solid and the laser-active material contained in this, the wavelength of the solid-state laser can be specified in the desired manner.
Zur Ausbildung eines Festkörperlasers ist es günstig, wenn der Festkörper in einem Resonator angeordnet ist, welcher ein den Festkörper durchsetzendes Resonatorstrahlungsfeld definiert. Insbesondere kann der Resonator zwei hochreflektierende Elemente umfassen, zwischen denen sich das Resonatorstrahlungsfeld ausbildet.To form a solid-state laser, it is advantageous if the solid body in a resonator is arranged, which defines a resonator radiation field passing through the solid. In particular, the resonator may comprise two highly reflective elements, between which the resonator radiation field is formed.
Auf besonders einfache Weise ausbilden lässt sich der Resonator, wenn die hochreflektierende Rückseite des Festkörpers einen Endspiegel des Resonators bildet.The resonator can be formed in a particularly simple manner if the highly reflective rear side of the solid forms an end mirror of the resonator.
Ferner ist es günstig, wenn der Resonator einen Auskoppelspiegel umfasst und wenn sich das Resonatorstrahlungsfeld zwischen dem Endspiegel und dem Auskoppelspiegel erstreckt. Der Auskoppelspiegel kann insbesondere teildurchlässig oder aktiv schaltbar ausgebildet sein, um Laserstrahlung mit einer vom laseraktiven Material vorgegebenen Wellenlänge aus dem Resonator auszukoppeln.Furthermore, it is favorable if the resonator comprises a coupling-out mirror and if the resonator radiation field extends between the end mirror and the coupling-out mirror. In particular, the coupling-out mirror can be made partly transmissive or actively switchable in order to decouple laser radiation from the resonator with a wavelength predetermined by the laser-active material.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.The object set in the present invention is also achieved by a method according to
Mit den Transversalkomponenten sind insbesondere die aufgrund der Pumpstrahlungsfelder auf den Festkörper wirkenden Anteile der Strahlungsdruckkräfte in der Transversalebene zu verstehen. Wie bereits eingangs beschrieben, ermöglicht es das vorgeschlagene Verfahren, eine rotationsunsymmetrische Verformung des Festkörpers zu vermeiden beziehungsweise zu verhindern, durch Kompensieren von in der Transversalebene wirkenden Strahlungsdruckkräfte, die durch den von den Pumpstrahlungsfelder erzeugten Strahlungsdruck verursacht werden. So lassen insbesondere optimal rotationssymmetrische Strahlprofile von Lasermoden in einem Festkörperlaser,erzeugen.The transversal components are to be understood as meaning, in particular, the portions of the radiation pressure forces in the transversal plane which act on the solid due to the pump radiation fields. As already described at the outset, the proposed method makes it possible to prevent or prevent rotationally asymmetric deformation of the solid by compensating for transversal radiation pressure forces caused by the radiation pressure generated by the pump radiation fields. In particular, optimally rotationally symmetrical beam profiles of laser modes in a solid-state laser can be generated.
Um eine möglichst hohe Verstärkung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das erste Pumpstrahlungsfeld und das zweite Pumpstrahlungsfeld mindestens einmal in Richtung auf den Festkörper hin umgelenkt werden, um die Zahl der Durchläufe durch den Festkörper mindestens zu verdoppeln. Je öfter eine Umlenkung ermöglicht wird, umso öfter können die Pumpstrahlungsfelder den Festkörper durchlaufen, so dass dieser den Pumpstrahlungsfeldern bei jedem Durchlaufen des Festkörpers Anregungsenergie durch Absorption entziehen kann.In order to achieve the highest possible amplification, it is advantageous if the first pump radiation field and the second pump radiation field are deflected at least once in the direction of the solid body in order to at least double the number of passes through the solid body. The more frequently a deflection is made possible, the more often the pump radiation fields can pass through the solid, so that it can remove the pumping radiation fields by absorption during each passage through the solid body.
Vorzugsweise werden das erste Pumpstrahlungsfeld und das zweite Pumpstrahlungsfeld mindestens jeweils in Richtung auf den Festkörper hin fokussiert. So kann eine möglichst hohe Energiedichte zur Anregung des Festkörpers in diesem realisiert werden.The first pump radiation field and the second pump radiation field are preferably focused at least in each case in the direction of the solid. Thus, the highest possible energy density for exciting the solid can be realized in this.
Vorteilhaft ist es, wenn das erste und das zweite Pumpstrahlungsfeld mehrfach umgelenkt werden, um die Zahl der Durchläufe durch den Festkörper zu vervielfachen. Auf diese Weise lässt sich auch ein Verstärkungsfaktor des Laserverstärkungssystems in gewünschter Weise erhöhen.It is advantageous if the first and the second pump radiation field are deflected several times in order to multiply the number of passes through the solid. In this way, a gain of the laser amplification system can be increased as desired.
Zur Anregung und Erzeugung von Laserstrahlung ist es günstig, wenn als Festkörper eine Festkörperscheibe verwendet wird. So lässt sich insbesondere ein Festkörperscheibenlaser ausbilden.For excitation and generation of laser radiation, it is favorable if a solid-state disk is used as the solid. Thus, in particular, a solid-state disk laser can be formed.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Scheibenlasers (Stand der Technik); -
2 : eine schematische Darstellung von auf die Scheibe des Scheibenlasers wirkenden transversalen Druckkräfte bei 8mal 2 Hin- und Rückläufen durch die Festkörperscheibe; -
3 : eine schematische dreidimensionale Anordnung eines Festkörperscheibenlasers mit zwei Umlenkeinheiten; -
4 : eine schematische Darstellung einer Interferometeranordnung zum Darstellen einer Verformung der mit der Pumplaserstrahlung beaufschlagten Festkörperscheibe; -
5 : ein Interferogramm einer Punktfleckverteilung auf einer nicht exakt justierten Festkörperscheibe; -
6 : eine Darstellung einer Lasermode aus einem I-Resonator mit einer Ho:YAG-Scheibe; -
7a : ein Interferogramm aufgenommen mit Anordnung gemäß4 bei einerPumpleistung von 0 Watt; -
7b : ein Interferogramm analog7a bei einerPumpleistung von 15 Watt; -
7c : ein Interferogramm analog7a bei einerPumpleistung von 40 Watt; -
8a : ein Lasermodenprofil mit exakt einjustiertem Pumpmodul und einerPumpleistung von 15 Watt; -
8b : das Lasermodenprofil analog8a bei einerPumpleistung von 30 Watt; -
8c : ein Lasermodenprofil analog8a mit einerPumpleistung von 40 Watt; -
9 : schematische Darstellung der Simulation der Verbiegung einer Glasscheibe in Folge einer senkrechten Beaufschlagung mit einer Pumplaserstrahlung; -
10 : schematische Darstellung einer unverformten Festkörperscheibe vor dem Beaufschlagen mit einer Pumplaserstrahlung; -
11 : eine schematische Darstellung der Verformung eines dünnen Festkörpers durch den Strahlungsdruck eines Laserstrahlungsfeldes; -
12 : eine schematische Darstellung der auf eine dünne Festkörperscheibe im gepumpten laseraktiven Medium derselben wirkenden Strahlungsdruckkräfte; -
13 : eine schematische Darstellung des wirkenden Pumplaserstrahlungsdrucks p mit Rückreflexion der Pumplaserstrahlung an der hochreflektierenden Rückseite der Festkörperscheibe, wobei p = 2 I/c mit IntensitätI und Lichtgeschwindigkeitc ; -
14 : eine schematische Darstellung absorbierter Photonenleistung für eine 10%ige Absorption der Pumplaserstrahlung innerhalb der Scheibe pro Durchlauf; -
15 : eine schematische Darstellung einer transversalen Kompensation der auf der Festkörperscheibe wirkenden Strahlungsdruckkräfte bei Verwendung von zwei zueinander um 180° versetzt auf den Festkörper fokussierten Pumpstrahlungsfeldern; -
16 : eine schematische Darstellung der sich kompensierenden transversalen Strahlungsdruckkräfte mit zwei Pumpstrahlungsquellen und in einer Doppelringstruktur angeordneten Umlenkeinheiten; -
17 : eine schematische Darstellung der Doppelringstruktur der Umlenkeinheiten korrespondierend zu16 ; -
18 : eine schematische Darstellung von in der Transversalebene wirkenden Strahlungsdruckkräften bei einer Doppelringstruktur mit jeweils 2mal 12 Strahlungsdurchgängen durch die Festkörperscheibe; -
19 : eine schematische alternative Darstellung in der Transversalebene wirkender Strahlungsdruckkräfte mit eine Doppelringstruktur definierenden Umlenkeinheiten für zweiPumpstrahlungsquellen mit insgesamt 2mal 12 Strahlungsdurchgängen durch die Festkörperscheibe; -
20 : eine schematische Darstellung einer Doppelringstruktur der Umlenkeinheiten und transversaler Strahlungsdruckkräfte bei2 mal 14 Strahlungsdurchgängen durch die Festkörperscheibe; -
21 : eine schematische Darstellung wirkender Strahlungsdruckkräfte bei einer Doppelringstruktur der Umlenkeinheiten mit insgesamt vier Pumpstrahlungsquellen und2 mal 12 Strahlungsdurchläufen durch die Festkörperscheibe; -
22 : eine schematische Darstellung des Aufbaus des Scheibenlasers mit Draufsicht auf die reflektierende Fläche des Parabolspiegels; -
23 : eine schematische Darstellung der wirkenden Druckkräfte bei einer Doppelringstruktur der Umlenkeinheiten des in22 schematisch dargestellten Scheibenlasers mit drei Umlenkeinheiten pro Ring der Doppelringstruktur.
-
1 a schematic representation of the structure of a disk laser (prior art); -
2 a schematic representation of acting on the disc of the disk laser transverse compressive forces at 8times 2 round trips through the solid disk; -
3 a schematic three-dimensional arrangement of a solid-state disk laser with two deflection units; -
4 a schematic representation of an interferometer for representing a deformation of the impacted with the pump laser radiation solid state disk; -
5 an interferogram of a spot spot distribution on a non-precisely adjusted solid disk; -
6 FIG. 4: a representation of a laser mode from an I-resonator with a Ho: YAG slice; FIG. -
7a : an interferogram taken with arrangement according to4 at a pump power of 0 watts; -
7b : an interferogram analog7a at a pump power of 15 watts; -
7c : an interferogram analog7a at a pump power of 40 watts; -
8a : a laser mode profile with an exactly adjusted pump module and a pump power of 15 watts; -
8b : the laser mode profile analog8a at a pump power of 30 watts; -
8c : a laser mode profile analog8a with a pump power of 40 watts; -
9 : schematic representation of the simulation of the bending of a glass pane as a result of a vertical application to a pump laser radiation; -
10 : schematic representation of an undeformed solid-state disk before being exposed to a pump laser radiation; -
11 : a schematic representation of the deformation of a thin solid by the radiation pressure of a laser radiation field; -
12 a schematic representation of the radiation pressure forces acting on a thin solid-state disk in the pumped laser-active medium thereof; -
13 : A schematic representation of the effective pump laser radiation pressure p with back reflection of the pump laser radiation at the highly reflective back of the solid state disk, where p = 2 I / c with intensityI and speed of lightc ; -
14 : a schematic of absorbed photon power for a 10% absorption of the pump laser radiation within the disk per pass; -
15 : a schematic representation of a transverse compensation of the radiation pressure forces acting on the solid-state disk when using two pump radiation fields focused on the solid body offset by 180 °; -
16 a schematic representation of the compensating transverse radiation pressure forces with two pump radiation sources and arranged in a double ring structure deflection units; -
17 a schematic representation of the double ring structure of the deflecting corresponding to16 ; -
18 a schematic representation of acting in the transverse plane radiation pressure forces in a double ring structure, each with 2 x 12 radiation passes through the solid state disk; -
19 a schematic alternative representation in the transverse plane of acting radiation pressure forces with a double ring structure defining deflection units for two pump radiation sources with a total of 2times 12 radiation passes through the solid state disk; -
20 a schematic representation of a double ring structure of the deflection and transverse radiation pressure forces at2 times 14 Radiation passes through the solid state disk; -
21 : A schematic representation of effective radiation pressure forces in a double-ring structure of the deflection units with a total of four pump radiation sources and2 times 12 Radiation passes through the solid state disk; -
22 a schematic representation of the structure of the disk laser with a plan view of the reflective surface of the parabolic mirror; -
23 a schematic representation of the acting compressive forces in a double ring structure of the deflection units of22 schematically illustrated disk laser with three deflection units per ring of the double ring structure.
In
Ein Resonator
Durch den Auskoppelspiegel
Eine Pumpstrahlungsquelle
In
Das Pumpstrahlungsfeld
Um das Pumpstrahlungsfeld
Mit der zweiten Umlenkeinheit
Das Pumpstrahlungsfeld trifft dann wieder auf den Parabolspiegel
Das Pumpstrahlungsfeld trifft dann auf einen Rückreflektor
Die beim jeweils Hin- und Rücklauf des Pumpstrahlungsfelds
Allerdings nehmen die Transversalkräfte beginnend mit der Transversalkraft
Summiert man die eingezeichneten Transversalkräfte
In
In
Von einem Messlaser
In
In
In
In
Weitere Effekte, die eine Abweichung des Lasermodenprofils von der Rotationssymmetrie zur Folge haben, sind insbesondere eine unsymmetrische Pumpfleckverteilung bei einer nicht exakt justierten Festkörperscheibe
In
Die Auswirkungen der schräg, also unter einem Winkel
Die Auswirkungen des auf die Festkörperscheibe
Die Festkörperscheibe
In
Die Kühlplatte
Durch die wie in
Aufgrund der Reflexion nicht absorbierter Photonen des Pumpstrahlungsfelds
Die Lösung des nun eingehend dargelegten Problems der unsymmetrischen Verformung der Festkörperscheibe
Eine zweite Pumpstrahlungsquelle
In
Damit ergibt sich in
Jedes der Strahlungsfelder
In
Das Durchlaufen der Pumpstrahlungsfelder
In analoger Weise zeigt
Grundsätzlich lässt sich, soweit dies geometrisch unter Berücksichtigung von realen Durchmessern der Pumpstrahlungsfelder auf dem Parabolspiegel
Ein Beispiel für eine Anordnung mit drei Umlenkeinheiten, die symbolisch durch die drei Pfeile
Eine zugehörige Doppelringstruktur mit zwei Fokussierungssystemen
Wie bereits erwähnt, lassen sich die beschriebenen Laserverstärkungssysteme soweit dies nicht durch rein räumliche Beschränkungen zur Anordnung der Umlenkeinheiten anders vorgegeben ist, grundsätzlich beliebig skalieren, und zwar sowohl was die Zahl der Umlenkeinheiten als auch die Zahl der Fokussierungssysteme anbelangt. Insbesondere sind auch Anordnungen mit einer ungeraden Anzahl von Ringen denkbar, wobei dann die Pumpstrahlungsfelder ungerader Anzahl so relativ zueinander versetzt auf die Festkörperscheibe
Die beschriebenen Laserverstärkungssysteme eignen sich insbesondere für den Einsatz in der Medizintechnik und in der Materialbearbeitung, denn es lassen sich mit ihnen Laserstrahlen mit großer Leistung und gleichzeitig hoher Strahlqualität erzeugen.The laser amplification systems described are particularly suitable for use in medical technology and in material processing, because they can be used to generate laser beams with high power and high beam quality.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Scheibenlaserdisk laser
- 1212
- FestkörperscheibeSolid state disk
- 1414
- Kühlplattecooling plate
- 1616
- Rückseiteback
- 1818
- Resonatorresonator
- 2020
- Endspiegelend mirror
- 2222
- Auskoppelspiegeloutput mirror
- 2424
- Resonatorstrahlungsfeldresonator radiation
- 2626
- Laserstrahlunglaser radiation
- 2828
- PumpstrahlungsquellePump radiation source
- 30, 30'30, 30 '
- PumpstrahlungsfeldPump radiation field
- 32, 32'32, 32 '
- Fokussierungseinrichtungfocusing device
- 3434
- Transversalebenetransverse plane
- 36, 36'36, 36 '
- Transversalkomponentetransversal
- 3838
- Parabolspiegelparade
- 40, 40'40, 40 '
- erste Umlenkeinheitfirst deflection unit
- 42, 42'42, 42 '
- Symmetrieebeneplane of symmetry
- 44, 44'44, 44 '
- Winkelcorner
- 46, 46'46, 46 '
- Reflexionsflächereflecting surface
- 48, 48'48, 48 '
- Reflexionsflächereflecting surface
- 50, 50'50, 50 '
- zweite Umlenkeinheitsecond deflection unit
- 52, 52'52, 52 '
- Winkelcorner
- 54, 54'54, 54 '
- Reflexionsflächereflecting surface
- 56, 56'56, 56 '
- Reflexionsflächereflecting surface
- 58, 58'58, 58 '
- Symmetrieebeneplane of symmetry
- 60, 60'60, 60 '
- Winkelcorner
- 62, 62'62, 62 '
- Rückreflektorback reflector
- 6666
- Interferometeranordnunginterferometer
- 6868
- Messlasermeasuring laser
- 7070
- Laserstrahlunglaser radiation
- 7272
- Strahlteilerbeamsplitter
- 7474
- Deflektordeflector
- 7676
- Kratercrater
- 7878
- Breitewidth
- 8080
- Glasscheibepane
- 8282
- Stützpunktebases
- 8383
- Winkelcorner
- 8484
- Flächennormalesurface normal
- 8686
- Dickethickness
- 8888
- Oberseitetop
- 9090
- Vertiefungdeepening
- 9494
- Schichtlayer
- 96, 96'96, 96 '
- Longitudinalkraftlongitudinal force
- 98, 98'98, 98 '
- StrahlungsruckkraftRadiation jerk force
- 100100
- Pumpfokuspump focus
- 102102
- Dickethickness
- 104104
- Dickethickness
- 106106
- DoppelringstrukturDouble ring structure
- 108108
- innerer Ringinner ring
- 110110
- äußerer Ringouter ring
- 112112
- Pfeilarrow
- 114114
- Spiegelebenemirror plane
- 116116
- Kollimationslinsecollimating lens
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|
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---|---|
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Also Published As
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