DE102022101088A1

DE102022101088A1 - Optische Anordnung mit Hilfsresonator und Verfahren zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102022101088A1
Application number: DE102022101088.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Killi; Dominik Bauer; Thomas Dietz
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023138832A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (1), umfassend:ein insbesondere scheibenförmiges laseraktives Medium (2), in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine optische Verstärkung erzeugbar ist, eine Laserstrahl-Einkopplung (11) zum Einkoppeln eines Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2) oder eine Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls (10) in dem laseraktiven Medium (2), wobei der Laserstrahl (10) innerhalb des Pumpvolumens mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt, sowie einen Hilfsresonator (13) zur Erzeugung eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15), welcher innerhalb des Pumpvolumens (8) mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt. Der Hilfsresonator (13) ist ausgebildet, mindestens eine Mode (M0) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) zu unterdrücken, die in dem Pumpvolumen (8) mit mindestens einer Mode (M0) des Laserstrahls (10) überlappt. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung, umfassend: ein insbesondere scheibenförmiges laseraktives Medium, in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine optische Verstärkung erzeugbar ist, eine Laserstrahl-Einkopplung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in das laseraktive Medium oder eine Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls in dem laseraktiven Medium, wobei der Laserstrahl mit dem laseraktiven Material wechselwirkt, sowie einen Hilfsresonator zur Erzeugung eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds, welches mit dem laseraktiven Material wechselwirkt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls, umfassend: Pumpen eines insbesondere scheibenförmigen laseraktiven Mediums innerhalb eines Pumpvolumens zum Erzeugen einer optischen Verstärkung, Einkoppeln des Laserstrahls in das laseraktive Medium oder Erzeugen des Laserstrahls in dem laseraktiven Medium, wobei der mit dem laseraktiven Material wechselwirkt.
Bei der weiter oben beschriebenen optischen Anordnung kann es sich um einen Laserverstärker handeln. In diesem Fall weist die optische Anordnung eine Laserstrahl-Einkopplung auf, um einen zu verstärkenden Seed-Laserstrahl, der von einer Seed-Laserquelle erzeugt wird, in die optische Anordnung einzukoppeln. Bei der Laserstrahl-Einkopplung kann es sich beispielsweise um einen Einkoppel-Spiegel, eine Kollimations-Linse zur Kollimierung des aus einer Lichtleitfaser divergent austretenden Seed-Laserstrahls etc. handeln. Alternativ kann es sich bei der optischen Anordnung um einen Laser, beispielsweise um einen Scheibenlaser, handeln, bei dem der Laserstrahl in dem laseraktiven Medium erzeugt wird, ohne dass zu diesem Zweck ein Seed-Laserstrahl erforderlich ist.
In der DE 101 47 798 A1 ist ein Laserverstärkersystem beschrieben, welches ein laseraktives Medium umfasst, in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine Inversionsdichte erzeugbar ist. Wenn die Inversionsdichte einen Verstärkungswert erreicht hat, erfolgt in dem laseraktiven Medium im laseraktiven Zustand eines Laserverstärkers eine optische Verstärkung in mindestens einer Mode. Es ist ein Hilfsoszillator vorgesehen, dessen Oszillatorstrahlungsfeld zumindest teilweise mit einem Verstärkungsvolumen des Laserverstärkers in dem laseraktiven Medium überlappt. Der Hilfsoszillator ist so ausgebildet, dass eine Laserschwelle für jede Mode des Oszillatorstrahlungsfeldes bei Einsatzwerten der Inversionsdichte innerhalb des Überlappungsvolumens erreicht wird, welche größer ist als der Verstärkungswert der Inversionsdichte.
Mit anderen Worten ist in der DE 101 47 798 A1 der Hilfsoszillator immer dann nicht laseraktiv, wenn der Laserverstärker laseraktiv ist. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Anstieg der Inversionsdichte vermieden werden, wenn der Laserverstärker z.B. durch eine ungewollte Dejustage deaktiviert wird, und eine Beschädigung des laseraktiven Mediums oder benachbarter Komponenten kann vermieden werden.
In der US 3,426,286 ist ein optischer Verstärker zur Verstärkung eines optischen Signals beschrieben, welches mehrere propagierende Moden aufweist. Der Verstärker umfasst einen Laser, der ein aktives Medium aufweist, das in einem ersten Resonator angeordnet ist, sowie mindestens einen mit dem ersten Resonator optisch gekoppelten Hilfs-Resonator, der Mittel zur Steuerung der Verstärkung jeder der zu verstärkenden Moden aufweist. Die Mittel zur Steuerung der Moden können jedem der Hilfs-Resonatoren zugeordnete Mittel aufweisen, um die Verstärkung jeder der zu verstärkenden Moden zu egalisieren.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die Verstärkung oder die Erzeugung eines Laserstrahls mit hoher Strahlqualität ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher der Hilfsresonator ausgebildet ist, mindestens eine Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds zu unterdrücken, die in dem Pumpvolumen mit mindestens einer Mode des Laserstrahls - teilweise oder vollständig - überlappt. Bei dem Hilfsresonator handelt es sich typischerweise um einen Multi-Mode-Resonator, d.h. um einen Resonator, der zur Erzeugung von mindestens zwei Moden ausgebildet ist, von denen mindestens eine Mode nicht unterdrückt wird. Die nicht unterdrückte(n) Mode(n) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds weisen idealerweise innerhalb des Pumpvolumens eine möglichst geringe Überlappung mit dem Laserstrahl auf.
Das Pumpvolumen (Pumpfleck) bildet einen typischerweise kreisförmigen Bereich des laseraktiven Mediums, in dem eine optische Verstärkung (gain) in dem laseraktiven Medium erzeugt wird. Für den Fall, dass ein Laserstrahl mit einer Gaußförmigen Intensitätsverteilung verstärkt wird, kann der Laserstrahl aufgrund der Abnahme der Intensität an den Rändern des Pumpvolumens nicht ausreichend mit dem laseraktiven Medium wechselwirken, so dass die dort gespeicherte Energie nicht extrahiert werden kann, falls das Pumpprofil nicht ebenfalls eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung aufweist, was in der Regel nicht der Fall ist. Die Folge ist eine ortsabhängige, nicht konstante Verstärkungsverteilung in dem Pumpvolumen, die eine nicht konstante Erwärmung des laseraktiven Mediums in dem Pumpvolumen zur Folge hat. Dadurch kann es zu Brechungsindexänderungen und zu einer Ausdehnung des laseraktiven Mediums kommen, die eine über den Strahlquerschnitt nicht konstante Phasenverteilung des in der optischen Anordnung verstärkten bzw. des in der optischen Anordnung erzeugten Laserstrahls zur Folge hat. Die ortsabhängig inhomogene Phasenverteilung führt zu Beugungseffekten und insbesondere bei der Verwendung eines linearen Multipassverstärkers, bei dem in der Regel keine Blenden verwendet werden, um die Beugungseffekte zu kompensieren, zu einer Verschlechterung der Strahlqualität. Um diese zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, wird mit Hilfe des Hilfsresonator-Strahlungsfelds die nicht genutzte, in den Randbereichen des Pumpvolumens gespeicherte Energie extrahiert, wodurch im Idealfall eine konstante Verstärkung in dem Pumpvolumen oder zumindest in einem Laserfeldvolumen innerhalb des Pumpvolumens erzeugt wird, woraus eine konstante Phase des Laserstrahls resultieren kann. Um zu vermeiden, dass das Hilfsresonator-Strahlungsfeld die Verstärkung des Laserstrahls reduziert bzw. um eine möglichst homogene Verstärkungsverteilung in dem Pumpvolumen zu erhalten, wird mindestens eine Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds unterdrückt, die vollständig oder zumindest teilweise mit einer Mode des Laserstrahls überlappt.
Bei einer Ausführungsform ist der Hilfsresonator zur Unterdrückung zumindest einer Grund-Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds ausgebildet. Die Grund-Mode weist typischerweise eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung auf, die ausgehend von der Strahlachse des Hilfsresonator-Strahlungsfelds die geringste radiale Erstreckung aller Moden des Hilfsresonators aufweist. Die Größe der lateralen Erstreckung der Grund-Mode in radialer Richtung hängt von der Auslegung des Hilfsresonators ab. Bei dem Hilfsresonator handelt es sich in der Regel um einen hoch-multimodigen Oszillator, bei dem neben der Grund-Mode noch eine oder mehrere höhere Moden unterdrückt werden, um ein möglichst fein angepasstes Strahlungsfeld im Pumpvolumen zu erzeugen. Die weiter oben beschriebene Problematik einer schlechten Strahlqualität ist bei einem Laserstrahl, der nur in der Grund-Mode propagiert, besonders ausgeprägt. Durch die Unterdrückung der Grund-Mode sowie in der Regel von mehreren höheren Moden (s.o.) weist das Hilfsresonator-Strahlungsfeld ein im Wesentlichen ringförmiges Strahlprofil mit einer oder mehreren Moden auf, um die im Randbereich des Pumpvolumens gespeicherte Energie zu extrahieren und eine möglichst homogene Verstärkungs- und damit Phasenverteilung des verstärkten bzw. des erzeugten Laserstrahls zu erhalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Hilfsresonator zur Unterdrückung der mindestens einen Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds mindestens ein Modenunterdrückungselement auf. In der Regel ist es nicht möglich, einen (Hilfs-)Resonator zu konstruieren, der lediglich gewünschte, in der Regel höhere Moden erzeugt, ohne dass Modenunterdrückungselemente vorgesehen sind, die beispielsweise die Grund-Mode sowie ggf. bestimmte höhere Moden gezielt unterdrücken.
Bei einer Weiterbildung weist das Modenunterdrückungselement zur Unterdrückung der mindestens einen Mode einen strahlungsunterdrückenden, insbesondere strahlungsabsorbierenden oder streuenden Bereich auf, der bevorzugt zentrisch in Bezug auf eine Strahlachse des Hilfsresonator-Strahlungsfelds angeordnet ist.
Der strahlungsunterdrückende Bereich ist typischerweise an einem reflektierenden oder transmittierenden optischen Element des Hilfsresonators gebildet. Der strahlungsunterdrückende Bereich kann beispielweise als (z.B. zentrische) Öffnung in einem reflektierenden optischen Element des Hilfsresonators ausgebildet sein, das beispielsweise in Form eines Lochspiegels ausgebildet sein kann. Der strahlungsunterdrückende Bereich kann auch dadurch erzeugt werden, dass ein reflektierendes optisches Element, beispielsweise ein Endspiegel des Hilfsresonators, strukturiert wird, beispielsweise indem dieses in dem strahlungsunterdrückenden Bereich eine geringere Reflektivität aufweist als außerhalb des strahlungsunterdrückenden Bereichs. Im einfachsten Fall kann in dem strahlungsunterdrückenden Bereich keine reflektierende Beschichtung aufgebracht sein, es ist aber auch möglich, dort eine reflektierende Beschichtung vorzusehen, deren Reflektivität geringer ist als außerhalb des strahlungsunterdrückenden Bereichs, d.h. die reflektierende Beschichtung kann einen lateralen Gradienten der Reflektivität aufweisen, wobei die Reflektivität auch stufenweise abnehmen kann. Der strahlungsunterdrückende Bereich kann aber auch auf andere Weise erzeugt werden, beispielsweise indem der strahlungsunterdrückende Bereich als streuender Bereich bzw. als Streufläche oder dergleichen ausgebildet wird.
Wird das Modenunterdrückungselement an einem transmittierenden optischen Element angebracht, handelt es sich bei dem strahlungsunterdrückenden Bereich in der Regel um einen strahlungsabsorbierenden Bereich. Bei dem Modenunterdrückungselement kann es sich in diesem Fall beispielsweise um eine so genannte „inverse“ Blende handeln, d.h. um ein transmittierendes optisches Element, z.B. in Form einer Planplatte, die beispielsweise im Zentrum mit einer absorbierenden oder streuenden Beschichtung versehen ist, um die Grund-Mode zu unterdrücken.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Hilfsresonator eine Einstelleinrichtung zur Einstellung einer Verlustleistung des Hilfsresonators auf. Für die Homogenisierung der Verstärkungsverteilung in dem laseraktiven Medium ist es günstig, wenn die Leistung der nicht unterdrückten Mode(n) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds in dem Pumpvolumen eingestellt werden kann.
Bei einer Weiterbildung bildet die Einstelleinrichtung eine Auskoppeleinrichtung des Hilfsresonators, die zur Einstellung eines aus dem Hilfsresonator ausgekoppelten Leistungsanteils des Hilfsresonator-Strahlungsfelds ausgebildet ist. In diesem Fall wird eine variable, einstellbare Auskoppeleinrichtung verwendet, um den ausgekoppelten Leistungsanteil und somit die verbleibende Leistung des Hilfsresonator-Strahlungsgfelds innerhalb des Hilfsresonators einzustellen. Für die Realisierung einer solchen Auskoppeleinrichtung besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Bei einer Weiterbildung weist die Auskoppeleinrichtung ein polarisationsbeeinflussendes Element und einen teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor auf. Bei dem teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor kann es sich beispielsweise um einen Dünnschicht-Polarisator handeln, der eine erste Polarisationskomponente des Hilfsresonator-Strahlungsfelds reflektiert und der eine zweite, zur ersten senkrechte Polarisationskomponente des Hilfsresonator-Strahlungsfelds transmittiert. Bei dem polarisationsbeeinflussenden optischen Element kann es sich um ein phasenschiebendes optisches Element handeln, beispielsweise um eine λ/4-Platte. Die λ/4-Platte kann um die Strahlachse des Hilfsresonator-Strahlungsfelds gedreht werden, um die Verlustleistung bzw. den Strahlungsanteil, der an dem Reflektor z.B. zu einer Strahlfalle transmittiert wird, einzustellen. Im einfachsten Fall kann die λ/4-Platte hierbei manuell von einem Bediener um die Strahlachse gedreht werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist die optische Anordnung eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Einstelleinrichtung zur insbesondere stufenlosen Einstellung der Verlustleistung des Hilfsresonators auf. In diesem Fall kann die Verlustleistung automatisiert mit Hilfe der Steuerungseinrichtung eingestellt werden, beispielsweise indem diese auf einen Aktor oder dergleichen einwirkt, um das phasenschiebende optische Element (kontinuierlich) unter einem gewünschten Winkel zur Strahlachse des Hilfsresonators zu drehen bzw. auszurichten.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet bzw. programmiert, die Verlustleistung des Hilfsresonators derart einzustellen, dass in mindestens einem ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens, insbesondere im gesamten Pumpvolumen des laseraktiven Mediums, eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung erzeugt wird.
Unter einer im Wesentlichen räumlich konstanten Verstärkung wird eine Verstärkung verstanden, die um nicht mehr als +/- 30%, bevorzugt um nicht mehr als +/- 20 % von einem Mittelwert der Verstärkung g abweicht. Bei der Bestimmung des Werts für die Verstärkung kann eine schmaler, ringförmiger Randbereich des Pumpvolumens unberücksichtigt bleiben, der unmittelbar an den äußeren Rand der laseraktiven Mediums angrenzt und dessen (doppelte) Breite in radialer Richtung typischerweise nicht mehr als 5 % des gesamten Durchmessers des Pumpvolumens beträgt. In diesem Randbereich nimmt die Verstärkung in dem Pumpvolumen geometriebedingt ab, da außerhalb des Pumpvolumens die Verstärkung bei (nahezu) Null liegt. Alternativ zur Erzeugung einer konstanten Verstärkung in dem gesamten Pumpvolumen können ggf. einer oder mehrere ringförmige Teilbereiche in dem Pumpvolumen gebildet werden, die jeweils eine im Wesentlichen konstante Verstärkung aufweisen. Gleiches gilt für einen zentralen, in der Regel ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens. Zu diesem Zweck kann ggf. der Hilfsresonator ausgebildet sein, die Verlustleistung des Hilfsresonators modenabhängig einzustellen. In diesem Fall wird in dem Pumpvolumen typischerweise eine in radialer Richtung stufenweise konstante Verstärkung erzeugt. Auch in diesem Fall kann eine hohe Strahlqualität erreicht werden, wenn der Durchmesser des zentralen Teilbereichs mit konstanter Verstärkung größer ist als der Durchmesser des zu verstärkenden Laserstrahls.
Bei einer weiteren Ausführungsform bildet die Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung einen Resonator, in dem das laseraktive Medium angeordnet ist, wobei der Resonator bevorzugt zwei Reflektoren, beispielsweise zwei Spiegel, zur endseitigen Begrenzung einer Resonatorstrecke aufweist. In diesem Fall handelt es sich bei der optischen Anordnung um einen (Scheiben-)Laser, d.h. der Laserstrahl wird in dem laseraktiven Medium des Resonators erzeugt. Das laseraktive Medium kann an einem der beiden Reflektoren angebracht sein, welche die Resonatorstrecke endseitig begrenzen, es ist aber auch möglich, dass das laseraktive Medium von den beiden Reflektoren beabstandet angeordnet ist.
Bei einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist die Laserstrahl-Einkopplung zur Einkopplung eines Seed-Laserstrahls in das laseraktive Medium ausgebildet. In diesem Fall bildet die optische Anordnung einen (Scheibenlaser-)Verstärker, d.h. der Seed-Laserstrahl wird in dem laseraktiven Medium verstärkt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich bei der Einkoppel-Einrichtung um eine Linse, einen Spiegel, ... handeln, um den Seed-Laserstrahl, der in einer Seed-Laserquelle erzeugt wird, anzupassen und/oder in Richtung auf das laseraktive Medium auszurichten. Aufgrund der vergleichsweise geringen Dicke des laseraktiven Mediums ist es in diesem Fall günstig, wenn der Seed-Laserstrahl das laseraktive Medium mehrfach durchläuft, um eine möglichst große Verstärkung zu erzeugen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist an einer Seite des scheibenförmigen laseraktiven Mediums ein Reflektor angeordnet. Bei dem Reflektor kann es sich beispielsweise um eine reflektierende Beschichtung handeln, welche auf die Rückseite des scheibenförmigen laseraktiven Mediums aufgebracht ist. Aufgrund des Reflektors durchläuft der Laserstrahl das laseraktive Medium zwei Mal. Das laseraktive Medium kann hierbei insbesondere mit seiner Rückseite an einer Wärmesenke befestigt werden, beispielsweise an dieser angeklebt, gelötet oder gebondet werden.
Bei einer Weiterbildung weist die optische Anordnung eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des an dem Reflektor reflektierten Laserstrahls zurück zu dem laseraktiven Medium auf. Mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung, die insbesondere zur mehrfachen Umlenkung des Laserstrahls zurück zu dem laseraktiven Medium ausgebildet ist, kann die Zahl der Durchgänge durch das scheibenförmige laseraktive Medium zur Verstärkung des (Seed-)Laserstrahls weiter erhöht werden. Es versteht sich, dass eine Umlenkeinrichtung zur mehrfachen Umlenkung des Laserstrahls zurück zu dem laseraktiven Medium auch für den Fall verwendet werden kann, dass an dem laseraktiven Medium kein Reflektor gebildet ist.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Umlenkeinrichtung mehrere reflektierende Elemente auf, an denen Spiegelflächen zur Umlenkung des Laserstrahls gebildet sind, wobei die Spiegelflächen der reflektierenden Elemente jeweils derart ausgerichtet sind, dass der Laserstrahl von einer jeweiligen Spiegelfläche über das laseraktive Medium zu einer anderen Spiegelfläche umgelenkt wird. Mit Hilfe einer solchen Anordnung von (typischerweise planen) Spiegelflächen kann ein Mehrfachdurchgang des Laserstrahls durch das laseraktive Medium auf besonders einfache Weise realisiert werden. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die reflektierenden optischen Elemente der Umlenkeinrichtung an einer gemeinsamen Grundplatte dauerhaft befestigt sind, um sicherzustellen, dass die Spiegelflächen eine gewünschte Ausrichtung relativ zueinander beibehalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die optische Anordnung eine Pumpstrahlungs-Einkopplung zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in das laseraktive Medium zur Erzeugung der optischen Verstärkung innerhalb des Pumpvolumens auf. Die Pumpstrahlungs-Einkopplung kann beispielsweise eine Kollimationslinse oder dergleichen aufweisen, um die divergent aus einer Transportfaser oder aus einer Pumpstrahlungsquelle austretende Pumpstrahlung vor dem Auftreffen auf eine Reflexionsfläche zu kollimieren. Bei der Reflexionsfläche kann es sich beispielsweise um einen Parabolspiegel oder dergleichen handeln, der die Pumpstrahlung auf das laseraktive Medium fokussiert, wobei mit Hilfe der Reflexionsfläche und mit Hilfe von Umlenkeinrichtung(en) erreicht werden kann, dass die Pumpstrahlung das laseraktive Medium mehrfach durchläuft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls, umfassend: Erzeugen eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds mittels eines Hilfsresonators, wobei das Hilfsresonator-Strahlungsfeld mit dem laseraktiven Medium wechselwirkt, und wobei mindestens eine Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds unterdrückt wird, die in dem Pumpvolumen mit mindestens einer Mode des Laserstrahls überlappt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der Hilfsresonator zur Unterdrückung der mindestens einen Mode mindestens ein Modenunterdrückungselement aufweisen.
Bei einer Variante des Verfahrens wird eine Verlustleistung des Hilfsresonators zum Erzeugen des Hilfsresonator-Strahlungsfelds derart eingestellt, dass in mindestens einem insbesondere ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens, insbesondere im gesamten Pumpvolumen des laseraktiven Mediums eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung erzeugt wird. Wie weiter oben beschrieben wurde, handelt es sich bei dem Pumpvolumen um ein typischerweise kreisförmiges bzw. zylinderförmiges Volumen innerhalb des scheibenförmigen laseraktiven Mediums, an dessen Randbereich mit Hilfe des Hilfsresonators die gespeicherte Energie extrahiert wird. Durch eine geeignete Einstellung der Verlustleistung des Hilfsresonators kann in dem Pumpvolumen eine gewünschte ortsabhängige Verstärkungsverteilung und somit Phasenverteilung eingestellt werden. Zur Erzeugung einer hohen Strahlqualität sollte die Verstärkungsverteilung in dem gesamten Pumpvolumen (mit Ausnahme des oben beschriebenen Randbereichs) im stationären Betrieb idealerweise konstant sein.
Bei einer Variante wird der Laserstrahl in einem Resonator erzeugt, der das laseraktive Medium enthält, d.h. der Laserstrahl wird in dem laseraktiven Medium bzw. in dem dieses enthaltenden Resonator erzeugt.
Bei einer weiteren Variante wird der Laserstrahl als Seed-Laserstrahl in das laseraktive Medium eingekoppelt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Einkopplung des von einer Seed-Laserquelle erzeugten Seed-Laserstrahls in das laseraktive Medium mit Hilfe einer Laserstrahl-Einkopplung bzw. mit Hilfe einer Einkopplungs-Optik erfolgen.
Obgleich die optische Anordnung und das Verfahren im Zusammenhang mit einem scheibenförmigen laseraktiven Medium beschrieben wurden, können die weiter oben beschriebenen Prinzipien auch bei anderen laseraktiven (Festkörper-)Medien angewendet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Anordnung in Form eines Scheibenlaserverstärkers mit einem Hilfsresonator,
2 eine Darstellung eines Details einer Laserscheibe des Verstärkers von 1 mit einem Pumpvolumen,
3a,b Darstellungen einer räumlichen Verstärkungsverteilung in dem Pumpvolumen von 2 ohne einen Hilfsresonator und mit einem Hilfsresonator mit unterdrücktem Grund-Mode,
4a,b Darstellungen eines Scheibenlaserverstärkers analog zu 1 mit einer Umlenkeinrichtung zur Erzeugung von Mehrfachdurchgängen eines Seed-Laserstrahls durch die Laserscheibe, sowie
5 eine Darstellung einer optischen Anordnung in Form eines Scheibenlasers mit einem Hilfsresonator.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer optischen Anordnung in Form eines Scheibenlaserverstärkers 1, der ein scheibenförmiges laseraktives Medium aufweist, das nachfolgend als Laserscheibe 2 bezeichnet wird. Die Laserscheibe 2 ist auf einer Wärmesenke 3 befestigt und weist an ihrer der Wärmesenke 3 zugewandten Seite (Rückseite 2b) einen Reflektor in Form einer reflektierenden Beschichtung 4 auf. Der Scheibenlaserverstärker 1 weist auch eine Pumpstrahlungsquelle 5 auf, die zur Erzeugung von Pumpstrahlung 6 zum Pumpen der Laserscheibe 2 dient. Die Pumpstrahlung 6 wird über eine Pumpstrahlungs-Einkopplung 5a, die beispielsweise als Kollimationslinse ausgebildet sein kann, in die Laserscheibe 2 eingekoppelt. Die Pumpstrahlung 6 tritt hierbei an einer der Wärmesenke 3 abgewandten Seite (Vorderseite 2a) in die Laserscheibe 2 ein, wird an der reflektierenden Beschichtung 4 reflektiert und trifft auf einen Endspiegel 7, welcher die Pumpstrahlung 6 zur Laserscheibe 2 zurück reflektiert. Es versteht sich, dass die Laserscheibe 2 nicht zwingend in Reflexion betrieben werden muss, sondern auch in Transmission betrieben werden kann. An Stelle einer Laserscheibe 2 kann es sich bei dem laseraktiven Medium auch um einen Laserstab oder dergleichen handeln.
Der in 1 dargestellte Strahlweg der Pumpstrahlung 6 ist vereinfacht dargestellt; in der Regel wird die Pumpstrahlung 6 mittels einer Fokussiereinrichtung, beispielsweise mittels eines Hohlspiegels, auf die Laserscheibe 2 fokussiert und zur Erzeugung einer Mehrzahl von Durchgängen durch die Laserscheibe 2 mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung mehrfach zu der Fokussiereinrichtung und von dieser zu der Laserscheibe 2 zurück reflektiert, wie dies beispielsweise in der WO 2012/110389 A1 beschrieben ist, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Durch die Pumpstrahlung 6 wird in der Laserscheibe 2 ein in 2 gepunktet dargestelltes Pumpvolumen 8 (Pumpfleck) mit einem (Pump-)Durchmesser D_P erzeugt. Beim Strahlprofil der Pumpstrahlung 6 handelt es sich im gezeigten Beispiel um ein Flat-Top-Profil. Es versteht sich, dass das Pumpvolumen 8 in der Regel keinen so scharf abfallenden Rand aufweisen muss, wie dies in 2 dargestellt ist. Der (Pump-)Durchmesser des Pumpvolumens 8 ist definiert als der Bereich, in dem die Pumpleistung in der Laserscheibe 2 auf die Hälfte Ihres Maximalwerts abfällt (Full-Width-Half-Maximum (FWHM)-Wert).
Der Scheibenlaserverstärker 1 weist auch einen Seed-Laser 9 auf, der einen zu verstärkenden Laserstrahl 10 auf die Laserscheibe 2 einstrahlt bzw. den Laserstrahl 10 über eine Laserstrahl-Einkopplung 11 in die Laserscheibe 2 einkoppelt. Die Laserstrahl-Einkopplung 11 kann beispielsweise eine Kollimationslinse aufweisen, um den Laserstrahl 10 zu kollimieren, bevor dieser in die Laserscheibe 2 eintritt. Es versteht sich, dass die Laserstrahl-Einkopplung auch andere reflektierende oder transmittierende optische Elemente aufweisen kann. Die Laserstrahl-Einkopplung 11 kann auch zur Anpassung der Strahlparameter des Laserstrahls 10 dienen, bevor dieser in die Laserscheibe 2 eintritt. Der Laserstrahl 10 wird an der Rückseite 2b der Laserscheibe 2 reflektiert und verlässt den Scheibenlaserverstärker 1 mit verstärkter Leistung. Der von dem Seed-Laser 9 erzeugte Seed-Laserstrahl 10 weist im gezeigten Beispiel ein gaußförmiges Strahlprofil auf, d.h. der Seed-Laserstrahl 10 propagiert in einer Grund-Mode M0, wie sie in 3a dargestellt ist. Es versteht sich, dass auch ein Seed-Laserstrahl 10 mit einem Strahlprofil verstärkt werden kann, das von einem gaußförmigen Strahlprofil abweicht, d.h. ein Seed-Laserstrahl 10, der eine Beugungsmaßzahl M² aufweist, für die nicht M² = 1 gilt, beispielsweise ein Seed-Laserstrahl 10 mit M² = 2. Der Seed-Laserstrahl 10 durchsetzt in der Laserscheibe 2 ein Laserfeldvolumen 12, welches einen kleineren Durchmesser Ds aufweist als der Durchmesser D_P des Pumpvolumens 8 (vgl. 2). Der Durchmesser Ds des Laserfeldvolumens 12 liegt bei einer guten Anpassung bei ca. 80% des Durchmessers D_P des Pumpvolumens 8. Unter dem Durchmesser D_S des Laserfeldvolumens 12 wird der FWHM-Wert verstanden.
Durch die Pumpstrahlung 6 wird eine ortsabhängige Verstärkung (Gain) g in der Laserscheibe 2 erzeugt, die in 3a als gestrichelte Kurve in Abhängigkeit vom Abstand r vom Zentrum der Laserscheibe 2 dargestellt ist. Die Größe des Pumpvolumens 8 bzw. der Durchmesser D_P des Pumpvolumens 8 bestimmt den Bereich, in dem die Verstärkung g in der Laserscheibe 2 erzeugt wird. Ist wie in 3a dargestellt die Ausdehnung des Pumpvolumens 8 bzw. dessen Durchmesser D_P (deutlich) größer als die laterale Ausdehnung des Laserstrahls 10 bzw. der Durchmesser Ds des Laserfeldvolumens 12 in der Laserscheibe 2, so wird die in der Laserscheibe 2 deponierte Energie an den seitlichen Rändern des Pumpvolumens 8 nicht extrahiert, während die Verstärkung g in der Mitte der Laserscheibe 2 bzw. in der Mitte des Pumpvolumens durch den Seed-Laserstrahl 10 extrahiert wird. Auf diese Weise entsteht eine lokale, ortsabhängige Verteilung der Verstärkung g im Pumpvolumen 8, die im gezeigten Beispiel im Zentrum der Laserscheibe 2 ein Minimum (minimale Temperatur T₁) und in einem ringförmigen Bereich um das Zentrum ein Maximum (maximale Temperatur T₂) aufweist, wie dies in 3a anhand der durchgezogenen Kurve der optischen Verstärkung g erkennbar ist. Es versteht sich, dass die Temperaturverteilung nicht zwingend, wie in 3a dargestellt verlaufen muss, die Temperaturverteilung ist jedoch typischerweise über das Pumpvolumen 8 nicht konstant, sondern variiert ortsabhängig.
Wie weiter oben dargestellt wurde, resultiert aus der in lateraler Richtung über das Pumpvolumen 8 nicht gleichförmig verteilten Verstärkung g eine nicht konstante Temperaturverteilung, d.h. ein Temperaturgradient und somit eine nicht konstante Phasenverteilung φ des Strahlprofils des (verstärkten) Seed-Laserstrahls 10, was die Strahlqualität des verstärkten Seed-Laserstrahls 10 beeinträchtigt. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt für einen Seed-Laserstrahl 10, der im gaußförmigen Grund-Mode M0 propagiert, da in diesem Fall die Intensität des Strahlprofils des Seed-Laserstrahls 10 in dem Randbereich 18 stark abfällt, während die Pumpstrahlung 6, die ein Flat-Top-Profil aufweist, am Rand des Pumpvolumens 8 annähernd konstant ist.
Um in dem Randbereich 18, in dem das Laserfeldvolumen 12 des Seed-Laserstrahls 10 eine unterschiedliche Intensität aufweist als im Zentrum, die Verstärkung g aus der Laserscheibe 2 zu extrahieren und auf diese Weise eine im Idealfall (im Wesentlichen) örtlich konstante optische Verstärkung g und somit eine konstante Phasenlage φ in lateraler Richtung innerhalb des Pumpvolumens 8 zu erzeugen, wie sie in 3b dargestellt ist, weist der Scheibenlaserverstärker 1 einen Hilfsresonator 13 auf. Der Hilfsresonator 13 bildet zwischen dem Reflektor 4 an der Rückseite 2b der Laserscheibe 2 und einem Resonator-Endspiegel 14 des Hilfsresonators 13 eine Resonator-Strecke, entlang derer ein Hilfsresonator-Strahlungsfeld 15 erzeugt wird.
Um die nicht genutzte Energie in einem radial äußeren Randbereich des Pumpvolumens 8 zu extrahieren, wird als Hilfsresonator 13 ein Multi-Mode-Resonator verwendet, bei dem nicht nur der Grund-Mode M0, sondern auch (mindestens eine) höhere Mode(n) M1, M2, ... angeregt werden. Während die Energie der Grund-Modes M0 bei geeigneter Anpassung in lateraler Richtung eng um das Zentrum der Laserscheibe 2 bzw. der Strahlachse des Hilfsresonators 13 begrenzt ist, weisen höhere Moden M1, M2, ... des Hilfsresonators 13 geringere Anteile der Leistungsverteilung in der Nähe der Strahlachse bzw. in der Nähe zum Zentrum der Laserscheibe 2 auf, wenn dieser optimal justiert ist. Aus diesem Grund kann ein (hoch) multimodiger Hilfsresonator 13 die nicht genutzte gespeicherte Energie in den lateralen Randbereichen des Pumpvolumens 8 extrahieren, die von dem Seed-Laserstrahl 10 nicht ausreichend extrahiert werden.
Um die weiter oben beschriebene möglichst konstante Verstärkung g und die konstante Phasenlage φ in lateraler Richtung über das Pumpvolumen 8 der Laserscheibe 2 zu erzeugen, ist es günstig, wenn der Hilfsresonator 13 möglichst wenig Energie aus der Nähe des Zentrums der Laserscheibe 2 extrahiert, da dies den weiter oben beschriebenen Effekt zusätzlich verstärkt und möglichst viel Energie in den verstärkten Laserstrahl 10 eingekoppelt werden soll. Um dies zu erreichen, ist der Hilfsresonator 13 ausgebildet, die Grund-Mode M0 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 zu unterdrücken, so dass nur die höheren Moden M1, M2, ... in dem Hilfsresonator-Strahlungsfeld 15 vorhanden sind, so dass dieser eine im Wesentlichen ringförmige Leistungsverteilung aufweist, wie dies in 3a dargestellt ist. Da es in Abhängigkeit von der Auslegung des Hilfsresonators 13 ggf. nicht ausreichend ist, nur den Grund-Mode M0 zu unterdrücken, kann der Hilfsresonator 13 anders als in 3a dargestellt auch zur Unterdrückung von höheren Moden M1, M2, ... des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 ausgebildet sein.
Um den Grund-Mode M0 zu unterdrücken, weist der Hilfsresonator 13 ein Modenunterdrückungselement 17 auf. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Modenunterdrückungselement um einen nicht mit einer reflektierenden Beschichtung versehenen Teilbereich 17 einer an dem Hilfsresonator-Endspiegel 14 gebildeten reflektierenden Oberfläche 16. Der Teilbereich 17, an dem keine reflektierende Beschichtung auf die Oberfläche 16 aufgebracht ist, ist zentrisch in Bezug auf eine Strahlachse 19 (vgl. 2) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 angeordnet. Die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 stimmt im Idealfall, d.h. bei einer perfekten Justage, mit der Mittelachse der Laserscheibe 2 überein und verläuft durch das Zentrum des Pumpvolumens 8. Alternativ zu dem nicht reflektierenden Teilbereich 17 kann das Modenunterdrückungselement 17 beispielsweise in Form einer zentrischen Bohrung in dem Hilfsresonator-Endspiegel 14 ausgebildet sein oder der strahlungsunterdrückende Bereich 17 kann auf andere Weise ausgebildet sein.
Beispielsweise kann der strahlungsunterdrückende Bereich 17 eine Gradientenbeschichtung bilden, d.h. die reflektierende Beschichtung weist einen lateralen Gradienten der Reflektivität auf, die zur Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Strahlungsfeldes 15 hin abnimmt. Der strahlungsunterdrückende Bereich 17 kann auch mehrere unterschiedlich stark reflektierende Teilbereiche aufweisen, die beispielsweise ringförmig um die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 herum angeordnet sind, wobei die Reflektivität stufenweise zur Strahlachse 19 hin abnimmt. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von weiteren Möglichkeiten zur Ausgestaltung des strahlungsunterdrückenden Bereichs 17 existiert, die hier nicht abschließend beschrieben werden können. Es kann auch sinnvoll sein, die Laserscheibe 2 auf den Hilfsresonator-Endspiegel 14 abzubilden.
Mit Hilfe des Modenunterdrückungselements 17 wird im gezeigten Beispiel nur die Grund-Mode M0 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 unterdrückt, deren Energie um die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Laserstrahls 15 herum konzentriert ist. Auf diese Weise wird das Pumpvolumen 8 der Laserscheibe 2 von dem Hilfsresonator-Strahlungsfeld 15 im Wesentlichen nur in einem Hilfsresonator-Laserfeldvolumen 18 durchsetzt, das dem in 2 dargestellten, radial außen liegenden Randbereich des Pumpvolumens 8 mit einer lateralen Ausdehnung D_P - D_S entspricht. Da die Grund-Mode M0 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 nahezu vollständig mit der Grund-Mode M0 des Seed-Laserstrahls 10 überlappt, würde der Hilfsresonator-Laserstrahl 15 ohne eine solche Unterdrückung somit innerhalb des Laserfeldvolumens 12 zusätzliche Energie aus der Laserscheibe 2 extrahieren. Die nicht unterdrückten höheren Moden M1, M2, ... des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 extrahieren hingegen wie gewünscht Energie aus dem lateral äußeren Rand des Pumpvolumens 8, in dem dieses nicht mit dem Laserfeldvolumen 12 des Seed-Laserstrahls 10 überlappt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es in Abhängigkeit von der Auslegung des Hilfsresonators 13 günstig sein, wenn zusätzlich auch höhere Moden M1, M2, ... des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 unterdrückt werden.
Der Hilfsresonator 13 ist so ausgelegt, dass eine Durchbiegung der Laserscheibe 2 aufgrund der Erwärmung beim Pumpen mit der Pumpstrahlung 6 vorkompensiert wird. Die reflektierende Oberfläche 16 des Hilfsresonator-Endspiegels 14 ist im gezeigten Beispiel gekrümmt, wobei die Krümmung der Scheibe sich mit der Pumpleistung verändert. Kriterien für die Festlegung der Krümmung des Hilfsresonator-Endspiegels 14 (im unbestrahlten Zustand) sind die Modengrößen auf den optischen Komponenten sowie die Stabilität des Hilfsresonators 13. Mit Hilfe einer einstellbaren Auskopplung kann die Krümmung der Laserscheibe 2 konstant gehalten werden.
Um zu erreichen, dass der Verlauf der Phasenlage φ bzw. der optischen Verstärkung g in dem Pumpvolumen 8 möglichst konstant ist, ist es in der Regel zusätzlich zur Verwendung eines Modenunterdrückungselements 17 erforderlich, die Verluste des Hilfsresonators 13 geeignet zu beeinflussen, um auf diese Weise die Verstärkung g in dem lateralen Randbereich des Pumpvolumens 8 idealerweise auf einen Wert abzusättigen, der ungefähr mit der Verstärkung g im Zentrum der Laserscheibe 2 übereinstimmt. Zu diesem Zweck weist der Hilfsresonator 13 eine Einstelleinrichtung 20 zur Einstellung der Verluste des Hilfsresonators 13 auf, die im gezeigten Beispiel als einstellbare Auskoppeleinrichtung (variabler Auskoppler) ausgebildet ist.
Die einstellbare Auskoppeleinrichtung 20 ermöglicht es, einen einstellbaren Anteil der Leistung des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 aus dem Hilfsresonator 13 auszukoppeln. Zu diesem Zweck weist die einstellbare Auskoppeleinrichtung 20 ein polarisationsbeeinflussendes Element 21 z.B. in Form einer λ/4-Platte und einen teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor 22 in Form eines Dünnschicht-Polarisators auf. Der Scheibenlaserverstärker 1 weist auch eine Steuerungseinrichtung 23 auf, die auf einen nicht bildlich dargestellten Aktuator einwirkt, der die λ/4-Platte um die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 dreht, um die Polarisation des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 zu verändern, wodurch sich der Leistungsanteil des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 verändert, der von dem Dünnschicht-Polarisator 22 transmittiert und aus dem Hilfsresonator 13 ausgekoppelt wird. Zur Absorption der aus dem Hilfsresonator 13 ausgekoppelten Leistung weist der Scheibenlaserverstärker 1 eine Strahlfalle 24 auf.
Die Steuerungseinrichtung 23 bzw. der auf die λ/4-Platte 21 einwirkende Aktuator ermöglicht eine stufenlose Drehung und somit eine stufenlose Einstellung der Verluste bzw. der Verlustleistung des Hilfsresonators 13. Je mehr Leistung in dem Hilfsresonator 13 vorhanden ist, desto mehr Energie wird aus dem seitlichen Randbereich des Pumpvolumens 8 extrahiert. Um eine möglichst homogene ortsabhängige Verstärkung g in dem Pumpvolumen 8 zu erzeugen, ist es erforderlich, dass der Hilfsresonator 13 in dem seitlichen Randbereich 18 des Pumpvolumens 8 eine vergleichbare Leistung extrahiert wie der Laserstrahl 10 in dem zentralen Laserfeldvolumen 12. Durch die Steuerungseinrichtung 23 können die Verluste bzw. die Verlustleistung des Hilfsresonators 13 insbesondere derart eingestellt werden, dass sich in dem Pumpvolumen 8 eine im Wesentlichen konstante Verstärkung g bzw. Phasenlage φ einstellt. Unter einer im Wesentlichen konstanten Verstärkung g wird eine Verstärkung verstanden, die mit Ausnahme eines in 3b angedeuteten schmalen Randbereichs des Pumpvolumens 8, der unmittelbar an den äußeren Rand der Laserscheibe 2 angrenzt und der nicht mehr als ca. 5 % des Durchmessers D_P des Pumpvolumens 8 ausmacht, um nicht mehr als +/- 30 %, bevorzugt um nicht mehr als +/- 20% von einem Mittelwert g_M der Verstärkung g (ohne Berücksichtigung des schmalen Randbereichs) abweicht, d.h. es gilt g ≈ g_M. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der verstärkte Seed-Laserstrahl 10 beim Austritt aus dem Scheibenlaserverstärker 1 eine annähernd konstante Phasenlage φ und somit eine hohe Strahlqualität aufweist.
Gegebenenfalls kann es ausreichend sein, wenn die Verstärkung g nicht über das gesamte Pumpvolumen 8 im Wesentlichen konstant ist, sondern nur in einem zentralen, kreisförmigen Teilbereich und in einem oder mehreren ringförmigen Teilbereichen, d.h. die Verstärkung g weist in Abhängigkeit vom Radius r eine stufenweise konstante Verstärkung g auf. Auch in diesem Fall kann eine hohe Strahlqualität des verstärkten Laserstrahls 10 erreicht werden, wenn der Durchmesser des zentralen, kreisförmigen Teilbereichs größer ist als der Durchmesser des Laserstrahls 10.
4a und 4b zeigen einen Scheibenlaserverstärker 1, der analog zu dem in 1 gezeigten Scheibenlaserverstärker 1 aufgebaut ist, wobei auf die Darstellung der Pumpstrahlungsquelle 5 und der Pumpstrahlung 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Um einen Mehrfachdurchgang des Seed-Laserstrahls 10 durch die Laserscheibe 2 zu ermöglichen, wird der Seed-Laserstrahl 10 bei dem in 4a,b gezeigten Scheibenlaserverstärker 1 mehrmals mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung 25 umgelenkt. Zu diesem Zweck weist die Umlenkeinrichtung 25 eine Mehrzahl von reflektierenden optischen Elementen 26 in Form von Umlenkspiegeln auf, an deren Spiegelflächen F2 bis F35 (vgl. 4b) der Seed-Laserstrahl 10 umgelenkt wird. Die reflektierenden optischen Elemente 26 sind an einem plattenförmigen Grundkörper 27 der Umlenkeinrichtung 25 befestigt, die hier nicht näher beschrieben wird. Der plattenförmige Grundkörper 27 ist im gezeigten Beispiel parallel zur XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems und parallel zur Laserscheibe 2 ausgerichtet, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann der plattenförmige Grundkörper 27 zur Laserscheibe 2 verkippt sein und die reflektierenden optischen Elemente 26 können die globale Verkippung des Grundkörpers 27 ausgleichen.
Wie in 4b zu erkennen ist, tritt der Seed-Laserstrahl 10 zunächst über eine erste Durchgangsöffnung 28 durch den plattenförmigen Grundkörper 27 hindurch und ist hierbei derart ausgerichtet, dass er die Laserscheibe 2 mittig trifft und an dieser, genauer gesagt an deren verspiegelter Rückseite 2b, zu einer zweiten Spiegelfläche F2 reflektiert wird. Der von der Laserscheibe 2 ausgehende Seed-Laserstrahl 10 wird an der zweiten Spiegelfläche F2 direkt zu einer dritten, benachbarten Spiegelfläche F3 umgelenkt bzw. reflektiert. Die dritte Spiegelfläche F3 ist bezüglich der Laserscheibe 2 derart ausgerichtet, dass der Seed-Laserstrahl 10 von der dritten Spiegelfläche F3 erneut zur Laserscheibe 2 umgelenkt bzw. reflektiert wird. An der Laserscheibe 2 wird der Seed-Laserstrahl 10 zu einer vierten Spiegelfläche F4 umgelenkt, von dieser direkt zu einer fünften Spiegelfläche F5 reflektiert, usw.
Bei der in 4b gezeigten Umlenkeinrichtung 24 erfolgt die Umlenkung des Seed-Laserstrahls 10 somit abwechselnd zwischen der Laserscheibe 2 und einem jeweiligen Paar von im gezeigten Beispiel benachbart angeordneten Spiegelflächen F2, F3; F4, F5; F5, F6; ..., F34, F35. Der Strahlweg des Seed-Laserstrahls 10 zwischen der Laserscheibe 2 und den Spiegelflächen F2, F3; F4, F5; F5, F6; ..., F34, F35, genauer gesagt deren Projektion in die XY-Ebene, ist in 3b ebenfalls dargestellt. Bei dem in 4b gezeigten Beispiel weist die Umlenkeinrichtung 25 eine weitere Durchgangsöffnung 29 auf, um den Seed-Laserstrahl 10 aus dem Scheibenlaserverstärker 1 auszukoppeln. Wie in 3b ebenfalls zu erkennen ist, sind die Spiegelflächen F2 bis F35 in drei Ringbereichen RB1, RB2, RB3 um die Mittelachse 19 des Grundkörpers 27 angeordnet, welcher mit der Mittelachse der Laserscheibe 2 übereinstimmt. Es versteht sich, dass auch eine andere Anordnung der Spiegelflächen F2 bis F35 auf dem Grundkörper 27 der Umlenkeinrichtung 25 möglich ist. Es ist zwar günstig, aber nicht zwingend erforderlich, wenn alle reflektierenden optischen Elemente 26 der Umlenkeinrichtung 25 an ein- und demselben Grundkörper 27 befestigt sind.
5 zeigt eine optische Anordnung in Form eines Scheibenlasers 1a, die sich von dem im Zusammenhang mit 1 gezeigten Scheibenlaserverstärker 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass an Stelle des dort gezeigten Seed-Lasers 9 für die Erzeugung eines Laserstrahls 10, der einen Grund-Mode M0 aufweist, eine Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung in Form eines Resonators 30 vorgesehen ist. Der Resonator 30 weist zwei Reflektoren in Form von Endspiegeln 31, 32 auf, zwischen denen eine Resonator-Strecke 33 gebildet ist, in der auch die Laserscheibe 2 angeordnet ist. Durch das Pumpen der Laserscheibe 2 wird in dem Resonator 30 ein Laserstrahl 10 mit einem Grund-Mode M0 erzeugt, welcher analog zu 2 die Laserscheibe 2 in einem Laserfeldvolumen 12 innerhalb des Pumpvolumens 8 durchsetzt.
Auch der in 5 gezeigte Scheibenlaser 1a weist einen Hilfsresonator 13 auf, um eine möglichst konstante örtliche Verteilung der Verstärkung g und der Phase φ in der Laserscheibe 2 zu erzeugen. Der Hilfsresonator 13 ist wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ausgebildet und unterscheidet sich von diesem lediglich darin, dass als Modenunterdrückungselement eine „inverse“ Blende in dem Hilfsresonator 13 angeordnet ist, d.h. ein transmittierendes optisches Element 17a, das im Zentrum bzw. entlang der Strahlachse 19 des Hilfsresonators 13 einen strahlungsabsorbierenden Bereich 17 aufweist und außerhalb dieses Bereichs transparent ist. Auch bei dem Scheibenlaser 1a kann auf die weiter oben im Zusammenhang mit dem Scheibenlaserverstärker 1 beschriebene Weise mittels des Hilfsresonators 13 aus dem Resonator 30 ein Laserstrahl 10 ausgekoppelt werden, welcher eine im Wesentlichen konstante Phasenlage φ und somit eine gute Strahlqualität aufweist. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird der Laserstrahl 10 an dem zweiten, konkaven Endspiegel 32 ausgekoppelt, der zu diesem Zweck teiltransmissiv ausgebildet ist. Es versteht sich aber, dass die Laserstrahlung 10 auch auf andere Weise aus dem Resonator 30 ausgekoppelt werden kann.
Wie weiter oben beschrieben ist, kann das Modenunterdrückungselement 17 auch dazu dienen, andere Moden als die Grund-Mode M0 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 zu unterdrücken. Beispielsweise kann ggf. zusätzlich die erste höhere Mode M1 unterdrückt werden bzw. grundsätzlich können alle diejenigen Moden unterdrückt werden, die sich (teilweise) mit den Moden des Laserstrahls 10 in dem Pumpvolumen 8 der Laserscheibe 2 überlappen, um die Verstärkung g in dem Pumpvolumen 8 möglichst zu homogenisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10147798 A1 [0003, 0004]
US 3426286 [0005]
WO 2012/110389 A1 [0035]

Claims

Optische Anordnung (1, 1a), umfassend: ein insbesondere scheibenförmiges laseraktives Medium (2), in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens (8) eine optische Verstärkung (g) erzeugbar ist, eine Laserstrahl-Einkopplung (11) zum Einkoppeln eines Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2) oder eine Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung (30) zur Erzeugung eines Laserstrahls (10) in dem laseraktiven Medium (2), wobei der Laserstrahl (10) mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt, sowie einen Hilfsresonator (13) zur Erzeugung eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15), welches mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsresonator (13) ausgebildet ist, mindestens eine Mode (M0) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) zu unterdrücken, die in dem Pumpvolumen (8) mit mindestens einer Mode (M0) des Laserstrahls (10) überlappt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Hilfsresonator (13) zur Unterdrückung zumindest einer Grund-Mode (M0) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Hilfsresonator (13) zur Unterdrückung der mindestens einen Mode (M0) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) mindestens ein Modenunterdrückungselement (17, 17a) aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 3, bei der das Modenunterdrückungselement (17, 17a) zur Unterdrückung der mindestens einen Mode (M0) einen strahlungsunterdrückenden, insbesondere strahlungsabsorbierenden oder streuenden Bereich (17) aufweist, der bevorzugt zentrisch in Bezug auf eine Strahlachse (19) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) angeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher der strahlungsunterdrückende Bereich (17) an einem reflektierenden oder transmittierenden optischen Element (14, 17a) des Hilfsresonators (13) gebildet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Hilfsresonator (13) eine Einstelleinrichtung (20) zur Einstellung einer Verlustleistung des Hilfsresonators (13) aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 6, bei welcher die Einstelleinrichtung eine Auskoppeleinrichtung (20) des Hilfsresonators (13) bildet, die zur Einstellung eines aus dem Hilfsresonator (13) ausgekoppelten Leistungsanteils des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Auskoppeleinrichtung (20) ein polarisationsbeeinflussendes Element (21) und einen teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor (22) aufweist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung (23) zur Ansteuerung der Einstelleinrichtung (20) zur insbesondere stufenlosen Einstellung der Verlustleistung des Hilfsresonators (13).
Optische Anordnung nach Anspruch 9, bei welcher die Steuerungseinrichtung (23) ausgebildet ist, die Verlustleistung des Hilfsresonators (13) derart einzustellen, dass in mindestens einem ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens (8), insbesondere im gesamten Pumpvolumen (8) des laseraktiven Mediums (2) eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung (g) erzeugt wird.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung einen Resonator (30) bildet, in dem das laseraktive Medium (2) angeordnet ist, wobei der Resonator (30) bevorzugt zwei Reflektoren (31, 32) zur endseitigen Begrenzung einer Resonatorstrecke (33) aufweist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher die Laserstrahl-Einkopplung (31) zur Einkopplung eines Seed-Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2) ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an einer Seite (2b) des scheibenförmigen laseraktiven Mediums (2) ein Reflektor (4) angeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 13, weiter umfassend: eine Umlenkeinrichtung (25) zur Umlenkung des an dem Reflektor (4) reflektierten Laserstrahls (10) zurück zu dem laseraktiven Medium (2).
Optische Anordnung nach Anspruch 14, bei der die Umlenkeinrichtung (25) mehrere reflektierende Elemente (26) aufweist, an denen Spiegelflächen (F2 bis F35) zur Umlenkung des Laserstrahls (10) gebildet sind, wobei die Spiegelflächen (F2 bis F35) der reflektierenden Elemente (26) jeweils derart ausgerichtet sind, dass der Laserstrahl (10) von einer jeweiligen Spiegelfläche (F2 bis F35) über das laseraktive Medium (2) zu einer anderen Spiegelfläche (F2 bis F35) umgelenkt wird.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Pumpstrahlungs-Einkopplung (5a) zum Einkoppeln von Pumpstrahlung (6) in das laseraktive Medium (2) zur Erzeugung der optischen Verstärkung (g) innerhalb des Pumpvolumens (8).
Verfahren zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls (10), umfassend: Pumpen eines insbesondere scheibenförmigen laseraktiven Mediums (2) zum Erzeugen einer optischen Verstärkung (g) innerhalb eines Pumpvolumens (8), Einkoppeln des Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2) oder Erzeugen des Laserstrahls (10) in dem laseraktiven Medium (2), wobei der Laserstrahl (10) mit dem laseraktiven Medium (2) wechselwirkt, gekennzeichnet durch Erzeugen eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) mittels eines Hilfsresonators (13), wobei das Hilfsresonator-Strahlungsfeld (15) mit dem laseraktiven Medium (2) wechselwirkt, und wobei mindestens eine Mode (M0) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) unterdrückt wird, die in dem Pumpvolumen (8) mit mindestens einer Mode (M0) des Laserstrahls (10) überlappt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem eine Verlustleistung des Hilfsresonators (13) zum Erzeugen des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) derart eingestellt wird, dass in mindestens einem insbesondere ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens (8), insbesondere im gesamten Pumpvolumen (8) des laseraktiven Mediums (2) eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung (g) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der Laserstrahl (10) in einem Resonator (30) erzeugt wird, der das laseraktive Medium (2) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem der Laserstrahl (10) als Seed-Laserstrahl in das laseraktive Medium (2) eingekoppelt wird.