DE10235713A1 - Laser medium pumping device using laser diode stacks e.g. for laser machining device for circuit boards, with optical focusing lens array for each stack arrangement - Google Patents

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Roland Prof. Dr. Sauerbrey
Joachim Dr. Hein
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Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
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Abstract

The laser medium pumping device has at least one stack arrangement (10,11) with a number of laser diode stacks (1), positioned axially around the laser beam propagation direction (12) of the laser medium (3) and emitting radiation which is collimated via an optical focusing lens array (13,14), directing it onto a light entry opening for the laser medium at a relatively small angle to the laser beam propagation direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung im gepulsten oder kontinuierlichen Betrieb, bei welcher zur Pumpanregung eines aktiven Lasermediums die Emissionsstrahlungen von gestapelten Hochleistungs-Laserdioden (Laserdioden-Stapeln) in das Lasermedium eingekoppelt werden. Als aktives Lasermedium dienen mit Lanthaniden dotierte Festkörper zur Verstärkung der Laserstrahlung.The invention relates to a device for the generation of laser radiation in pulsed or continuous Operation in which pump excitation of an active laser medium the emission radiation from stacked high-power laser diodes (Laser diode stacks) be coupled into the laser medium. As an active laser medium serve solid bodies doped with lanthanides to amplify the laser radiation.

Solche Laserverstärker sind insbesondere für die Materialbearbeitung verwendbar, beispielsweise zum Schweißen, Schneiden und Bohren von Platten verschiedener Dicken, wie auch für die Erzeugung von Hochintensitäts-Laserpulsen u. a. bei der Grundlagenforschung in der Kombination mit einem Strecker-Kompressor-System für ultrakurze Pulse (Diels-Rudolph: Ultrashort laser pulse phenomena, Acad. Press 1997).Such laser amplifiers are particularly suitable for material processing usable, for example for welding, cutting and drilling panels of different thicknesses, as well as for the generation of high-intensity laser pulses u. a. in basic research in combination with a Strecker compressor system for ultra-short Pulse (Diels-Rudolph: Ultrashort laser pulse phenomena, Acad. Press 1997).

Durch die schnelle Entwicklung der Halbleitertechnologie in den letzten Jahren haben sich mit Laserdioden angeregte Festkörperlaser zu einem weit verbreiteten Strahlwerkzeug herausgebildet. Ein zentraler Problempunkt bei der Entwicklung dieser Laser ist immer die beschränkte Strahlqualität der verwendeten Laserdioden, welche sehr aufwendig in das aktive Lasermedium abgebildet werden müssen. Bei der Abbildung von Laserdiodenstapeln sind bis heute nur wenig zufriedenstellende Ergebnisse erzielt worden, wenn die Abbildung einer Vielzahl von Laserdiodenstapeln für höchste Laserleistungen gefordert ist. Hierbei besteht ein einzelner Laserdioden-Stapel in der Regel aus 6 bis 25 Laserdioden-Barren von 1 cm Länge, die je eine cw-Leistung von bis zu 50 W erreichen. Als verstärkende Medien können mit Selten-Erd-Ionen (Lanthaniden) dotierte Gläser oder Kristalle (z.B. YAG, YLF, YVO) Verwendung finden. Kristalle sind wegen ihrer besseren thermischen Eigenschaften für Anwendungen im kontinuierlichen Betrieb zu bevorzugen. Gläser finden im gepulsten Betrieb ihre Verwendung, wo die große Linienbreite der aktiven Laser-Ionen (bei Ytterbium (Yb3+) über 40 nm) für die Verstärkung von ultrakurzen Laserpulsen nach dem CPA Verfahren vorteilhaft ist (Hönninger: Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers, Appl.Phys.B. 69(1), 1999, 3–17). Als aktive Laser-Ionen für das Pumpen mit Hochleistungs-Laserdioden-Stapeln eignen sich besonders Neodym (Nd3+), für Laserdioden bei 808 nm, und Ytterbium (Yb3+), für Laserdioden bei 940 nm.Due to the rapid development of the Semiconductor technology in recent years has been using laser diodes excited solid-state lasers developed into a widely used blasting tool. A central one The problem with the development of these lasers is always the limited beam quality of the ones used Laser diodes, which are mapped very elaborately into the active laser medium Need to become. at The imaging of laser diode stacks has so far been unsatisfactory Results have been achieved when imaging a variety of laser diode stacks for highest laser powers is required. There is a single stack of laser diodes usually from 6 to 25 laser diode bars of 1 cm in length, each with a cw power of reach up to 50 W. As reinforcing Media can Glasses or crystals doped with rare earth ions (lanthanides) (e.g. YAG, YLF, YVO) are used. Crystals are because of their better ones thermal properties for Prefer applications in continuous operation. Find glasses their use in pulsed mode, where the large line width of the active Laser ions (for ytterbium (Yb3 +) over 40 nm) for the amplification of ultrashort laser pulses using the CPA process is advantageous (Hönninger: Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers, Appl.Phys.B. 69 (1), 1999, 3-17). As active laser ions for Pumping with high-performance laser diode stacks are particularly suitable Neodymium (Nd3 +), for Laser diodes at 808 nm, and ytterbium (Yb3 +), for laser diodes at 940 nm.

Es sind Lasersysteme mit Ausgangsleistungen bis zu einigen kW bekannt, die über Laserdioden angeregt werden. Die Skalierung zu höheren Leistungen scheitert bislang aber an thermischen Problemen und den Schwierigkeiten, die mit der Vielzahl benötigter Laserdioden verbunden ist. Durch die vom Laserdiodenmaterial vorgegebene maximale Leistung einer Laserdiode ist ein Stapel von Laserdioden notwendig, um zu höheren Leistungen zu gelangen. Dies führt zu räumlich ausgedehnten Strahlungsquellen (bis zu einigen cm2 strahlender Fläche), die in Verbindung mit der geringen Strahlqualität einer einzelnen Laserdiode eine umfangreiche Abbildungsoptik erfordert.Laser systems with output powers of up to a few kW are known which are excited via laser diodes. The scaling to higher powers has so far failed due to thermal problems and the difficulties associated with the large number of laser diodes required. Due to the maximum power of a laser diode specified by the laser diode material, a stack of laser diodes is necessary in order to achieve higher powers. This leads to spatially extensive radiation sources (up to a few cm 2 of radiating area) which, in conjunction with the low beam quality of a single laser diode, requires extensive imaging optics.

Im einzelnen werden bei den bestehenden Systemen verschiedene Strategien verfolgt, um zu höheren Leistungsdichten der Anregung der Lasermaterialien zu gelangen. Diese lassen sich in erster Linie in der Art unterscheiden, wie die Pumpstrahlung im Verhältnis zum Laserstrahl in das aktive Medium eingekoppelt wird.In detail, the existing systems different strategies followed to achieve higher power densities Excitation of laser materials to arrive. These can be in differ primarily in the way the pump radiation in the relationship is coupled to the laser beam in the active medium.

Bei der Einkopplung der Pumpenergie lassen sich zwei grundsätzliche Ansätze unterscheiden, das Pumpen entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahl und das Pumpen senkrecht zu dieser Ausbreitung.When coupling the pump energy can be two basic approaches distinguish pumping along the direction of propagation of the laser beam and the pumping perpendicular to this spread.

Zur Anregung des aktiven Laser-Mediums parallel zur Achse des Laserstrahlverlaufs sind fasergekoppelte Laserdioden-Systeme (z. B. DE 198 00 590 A1 ), mit Ausgangsleistungen von bis zu 3 kW im Dauerstrichbetrieb und 5 Joule gepulst, im Betrieb. Höhere Leistungen und Energien werden durch das Problem der zu geringen Einkoppeleffizienz in die optische Faser verhindert. Problematisch ist hier vor allem die Überlagerung von mehr als zwei Laserdioden-Stapeln an der Einkoppelstelle zur Faser, was im Allgemeinen durch Polarisationskopplung erreicht wird. Die Anzahl der Stapel wird so auf zwei pro Faser beschränkt. Mit einer zusätzlichen Wellenlängenkopplung lassen sich zwar bis zu vier Stapel überlagern, es stehen dagegen allerdings die wenigen nutzbaren Absorptionslinien der verwendeten aktiven Ionen im Festkörper.To couple the active laser medium parallel to the axis of the laser beam, fiber-coupled laser diode systems (e.g. DE 198 00 590 A1 ), with output powers of up to 3 kW in continuous wave mode and 5 joules pulsed, in operation. Higher powers and energies are prevented by the problem of insufficient coupling efficiency into the optical fiber. The main problem here is the superposition of more than two laser diode stacks at the coupling point to the fiber, which is generally achieved by polarization coupling. The number of stacks is limited to two per fiber. With an additional wavelength coupling, up to four stacks can be superimposed, but there are, however, the few usable absorption lines of the active ions used in the solid.

Weiter ist ein System mit paralleler Einkopplung (C. Orth: Design modeling of the 100-J diode-pumped solid state Laser for Project Mercury, SPIE Vo1.3265–16, 1998, 114–129) bekannt, welches die Pumpstrahlung mit dem Laserstrahl durch einen dichroitischen Spiegel überlagert, der reflektierend für die Laserwellenlänge wirkt und für die Pumpwellenlänge durchlässig ist. Ein solcher Spiegel ist allerdings eine zusätzliche Systemkomponente und es können nur wenige Laserdioden durch die begrenzte Apertur des Spiegels abgebildet werden.Next is a system with parallel Coupling (C. Orth: Design modeling of the 100-J diode-pumped solid state laser for Project Mercury, SPIE Vo1.3265-16, 1998, 114-129) known which the pump radiation with the laser beam through a dichroic mirror overlaid the reflective for the laser wavelength works and for the pump wavelength permeable is. However, such a mirror is an additional system component and it can only a few laser diodes due to the limited aperture of the mirror be mapped.

Bei S. Tidwell ( US 5,170,406 ) werden einzelne Laserbarren in einer direkten Ausrichtung auf das aktive Lasermedium verwendet. Dabei werden die Laserdiodenbarren im kleinen Winkel zum Laserstrahl auf das aktive Medium abgebildet. Allerdings ermöglicht diese Anordnung nur die Verwendung von maximal acht Laserdiodenbarren und im besonderen keine Laserdiodenstapel, was insbesondere auf die sehr komplizierte Anordnung der einzelnen Barren zurückzuführen ist.At S. Tidwell ( US 5,170,406 ) individual laser bars are used in a direct alignment to the active laser medium. The laser diode bars are mapped onto the active medium at a small angle to the laser beam. However, this arrangement only allows the use of a maximum of eight laser diode bars and in particular no laser diode stacks, which is due in particular to the very complicated arrangement of the individual bars.

Das Konzept des Scheibenlasers ( US 5,553,088 ), mit einer Einkopplung der Pumpstrahlung entlang der Laserausbreitung, bietet eine gute Abführung der entstehenden Wärme, allerdings wird durch den erforderlichen mehrfachen Durchlauf des Pumplichtes durch das aktive Medium eine umfangreiche Abbildungsoptik schon für einen einzelnen Laserdiodenbarren notwendig. Diese Abbildungsoptik macht ausschließlich ein Einkoppeln des Pumplichtes bei Verwendung lediglich einer Lichtleitfaser bzw. eines Laserdiodenmoduls praktikabel.The concept of the disk laser ( US 5,553,088 ), with a coupling of the pump radiation along the laser spread, offers a good dissipation of the generated heat, however Due to the repeated passage of the pump light through the active medium, extensive imaging optics are necessary even for a single laser diode bar. This imaging optics only makes coupling of the pump light practicable when using only one optical fiber or one laser diode module.

Zu den Verfahren mit einer Einkopplung der Pumpstrahlung senkrecht zur Ausbreitung des Lasers gehören Laserdioden-Stapel, welche direkt auf das aktive Laser-Medium aufgesetzt werden. Dieses ist hierfür in einer Plattenform (Stab) ausgeführt ( US 5,305,345 ), wobei allerdings die maximale Anzahl der Stapel durch die Oberfläche des aktiven Mediums begrenzt ist. Bei der Anregung von Laserübergängen mit einem Drei-Niveau-System, wie es beim Ytterbium gegeben ist, macht sich außerdem der eingeschränkte Überlapp von Pumplicht und Laserlicht bemerkbar, der die Effizienz beeinträchtigt. Dies gilt im übrigen für alle Verfahren mit einer Pumplichteinkopplung senkrecht zur Laserausbreitung.The methods with coupling the pump radiation perpendicular to the propagation of the laser include laser diode stacks which are placed directly on the active laser medium. This is done in a plate shape (rod) ( US 5,305,345 ), whereby the maximum number of stacks is limited by the surface of the active medium. When stimulating laser transitions with a three-level system, as is the case with ytterbium, the limited overlap of pump light and laser light is also noticeable, which affects efficiency. Incidentally, this applies to all methods with a pump light coupling perpendicular to the laser propagation.

Weiter ist bekannt, einzelne Laserdioden-Barren im Kreis um die Außenfläche eines stabförmigen aktiven Laser-Mediums anzuordnen (W. Koechner, Solid – State Laser Engineering, Springer 1999). Mit dieser Anordnung sind mit Neodym dotierten YAG Ausgangsleistungen von über einem kW möglich. Dieses Verfahren regt das aktive Laser-Medium von der Seite her an, was wieder zu einem schlechteren Überlapp von angeregtem Laser-Medium und Laser führt und zu einer verringerten Strahlqualität des Laserstrahls durch die Verstärkung höherer Moden beiträgt.It is also known to have individual laser diode bars in a circle around the outer surface of a rod-shaped active laser medium (W. Koechner, Solid - State Laser Engineering, Springer 1999). With this arrangement are with Neodymium-doped YAG output powers of over one kW possible. This The process excites the active laser medium from the side, which again leads to a worse overlap of excited laser medium and laser leads to a decreased beam quality of the laser beam through the amplification higher Fashion contributes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit möglichst geringem Aufwand sowie kleiner Baugröße der Pumpanordnung große Laserleistungen im kontinuierlichen und gepulsten Betrieb unter hohem Wirkungsgrad zur Pumpanregung zu erzeugen.The invention is based on the object Basically, with as much as possible low effort and small size of the pump arrangement large laser powers in continuous and pulsed operation with high efficiency to generate pump excitation.

Erfindungsgemäß ist wenigstens eine die Strahlung des aktiven Lasermediums durchlassende Stapelanordnung, bestehend aus einer Anzahl von an sich bekannten Laserdioden-Stapeln, axial um die Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung des aktiven Lasermediums herum vorgesehen, deren Emissionsstrahlungen zur Pumpanregung jeweils über zumindest ein optisches Fokussierlinsenarray zur gemeinsamen Abbildung auf die Strahleintrittsöffnung des Lasermediums unter einem kleinen Winkel zur Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung in das Lasermedium eingekoppelt werden. Auf diese Weise gelingt es, eine Vielzahl der Laserdioden-Stapel in möglichst kurzem Abstand zum aktiven Lasermedium anzuordnen und deren Emissionen (Pumpstrahlungen) jeweils unter symmetrisch realisierbaren Strahleinkopplungsbedingungen zum Lasermedium zu führen. Diese Symmetrie beinhaltet nicht nur einen relativ kleinen, kompakten konstruktiven Aufbau der Laseranordnung, sondern auch kurze Wege der Emissionsstrahlungen im Millimeterbereich. Dadurch werden Übertragungsverluste der Pumpstrahlung, die bekanntlich in der langsamen Achse der Laserdiodenemission eine relativ geringe Strahlqualität aufweist, auf ein Minimum beschränkt. Optische Mittel zur Bündelung und Fokussierung der divergierenden Strahlen (Divergenz typisch 12 Grad FWHM), die bei größeren Abständen zum Lasermedium zusätzlich oder zumindest in aufwendigerer Weise erforderlich wären und welche die Strahlungsverluste erheblich vergrößern würden, können somit entfallen. Die Vielfacheinkopplung der Emissionsstrahlungen in das Lasermedium zu dessen Pumpanregung ist für alle Laserdioden-Stapel jeweils unter gleichen und verlustarmen Strahlführungsbedingungen auf kürzestem Wege möglich.According to the invention, at least one is radiation of the active laser medium permitting stack arrangement, consisting axially from a number of known laser diode stacks the laser beam propagation direction of the active laser medium provided, the emission radiation for pump excitation in each case at least one optical focusing lens array for common imaging on the Beam entrance opening the laser medium at a small angle to the direction of laser beam propagation be coupled into the laser medium. This is how it works es, a large number of the laser diode stacks as close as possible to the arrange active laser medium and its emissions (pump radiation) each under symmetrically realizable beam coupling conditions to lead to the laser medium. This symmetry does not only include a relatively small, compact one constructive structure of the laser arrangement, but also short distances of emission radiation in the millimeter range. This will result in transmission losses the pump radiation, which is known to be in the slow axis of laser diode emission has a relatively low beam quality, kept to a minimum. optical Bundling means and focusing of the divergent rays (divergence typical 12 degrees FWHM) Laser medium additionally or at least would be required in a more complex manner and which would significantly increase the radiation losses can thus be dispensed with. The multiple coupling the emission radiation into the laser medium to pump it is for all laser diode stacks each with the same and low loss Beam guidance conditions on the shortest Possible ways.

Mindestens eine dieser vorzugsweise ringförmigen Stapelanordnungen könnte in Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung des aktiven Lasermediums jeweils vor und hinter demselben angeordnet sein. Außerdem kann jede Stapelanordnung beispielsweise aus mehreren Stapelringen (siehe Unteransprüche) bestehen. Jede Emissionsstrahlung der Stapelanordnung wird über korrespondierende Zylinderlinsen kollimiert und über jeweils einen Umlenkspiegel in Richtung auf das aktive Lasermedium geleitet. Unmittelbar vor demselben befindet sich das vorzugsweise ringförmige Fokussierlinsenarray, welches die Laserstrahlung des aktiven Lasermediums in seinem Zentrum ungehindert durchlässt und die kollimierten und umgelenkten Emissionsstrahlungen der Stapelanordnung zur Pumpanregung gemeinsam auf die Strahleintrittsöffnung des Lasermediums fokussiert sowie unter dem besagten vorteilhaft kleinen Winkel zur Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung in das Lasermedium einkoppelt. Das Fokussierlinsenarray vereinigt eine zweckmäßiger Weise der Anzahl der Emissionsstrahlungen von der betreffenden Stapelanordnung entsprechende Vielzahl an Zylinderlinsensegmenten konstruktiv auf engstem Raum, in welchem die Emissionsstrahlungen sehr dicht zusammenliegen.At least one of these is preferred annular Stack arrangements could in the laser beam propagation direction of the active laser medium in each case be arranged in front of and behind the same. In addition, any stacking arrangement for example, consist of several stacking rings (see subclaims). Each emission radiation of the stack arrangement is over corresponding Cylinder lenses collimated and over one deflecting mirror each in the direction of the active laser medium directed. This is preferably in front of it annular Focusing lens array, which the laser radiation of the active laser medium in lets through its center freely and the collimated and deflected emission radiation of the stack arrangement for pump excitation focused together on the beam entry opening of the laser medium as well as under the said advantageously small angle to the direction of laser beam propagation couples into the laser medium. The focusing lens array merges an expedient way the number of emission radiations from the stack arrangement in question corresponding number of cylindrical lens segments constructively confined space in which the emission radiation is very close together.

Mit der relativ kleinen, geschlossenen und kompakten Einheit ist es möglich, immerhin Laserdioden gepumpte Laser-Verstärker mit einigen kW Ausgangsleistung im kontinuierlichen Betrieb bzw. mit einigen Joule Ausgangsenergie im gepulsten Betrieb zu verwirklichen.With the relatively small, closed and compact unit it is possible after all, laser diodes pumped laser amplifiers with a few kW output power in continuous operation or with a few joules of output energy to be realized in pulsed operation.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is based on the following of embodiments shown in the drawing are explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

1: Darstellung des Strahlverlaufs von einem Laserdioden-Stapel zu einem durch dessen Pumpstrahlung angeregten Lasermedium 1 : Representation of the beam path from a laser diode stack to a laser medium excited by its pump radiation

2: Strahlverlauf von zwei Laserdioden-Stapeln zum Lasermedium 2 : Beam path from two laser diode stacks to the laser medium

3: Darstellung zweier ringförmiger Stapelanordnungen von jeweils zehn Laserdioden-Stapeln vor und hinter dem Lasermedium 3 : Representation of two annular stack arrangements of ten laser diode sta peln in front of and behind the laser medium

4: Darstellung einer ringförmigen Stapelanordnung aus zwei radial zueinander versetzten Ringen von jeweils zehn Laserdioden-Stapeln 4 : Representation of an annular stack arrangement from two radially offset rings of ten laser diode stacks each

5: Fokussierlinsenarray über welches die Emissionsstrahlungen einer Stapelanordnung in das Lasermedium eingekoppelt werden (ein Arrayelement ausgehoben) 5 : Focusing lens array via which the emission radiation of a stack arrangement is coupled into the laser medium (an array element is excavated)

6: 40-fach pumpangeregtes Laserverstärkersystem im aufgebauten Zustand In 1 ist der prinzipielle Strahlverlauf in der langsamen Achse eines Laserdioden-Stapels 1 dargestellt, dessen ausgesendete Pumpstrahlung 2 zur Anregung eines Lasermediums 3 dient. Die Pumpstrahlung 2 wird nach Austritt aus dem Laserdioden-Stapel 1 durch eine unmittelbar an diesem angeordnete erste Zylinderlinse 4 und eine zweite Zylinderlinse 5 kollimiert. Eine dritte Zylinderlinse 6 am Lasermedium 3 dient zur Strahlfokussierung in dessen Eintrittsöffnung. Mit einer weiteren Zylinderlinse 7, die um einen Winkel von 90° gegenüber den Zylinderlinsen 4, 5, 6 verdreht ist, erfolgt eine Strahlfokussierung in der schnellen Achse des Laserdioden-Stapels 1. Mit einem planen Umlenkspiegel 8 wird die Emissionsstrahlung in Richtung des Lasermediums 3 gelenkt. 6 : 40-fold pump-excited laser amplifier system in the assembled state In 1 is the basic beam path in the slow axis of a laser diode stack 1 shown, the emitted pump radiation 2 to excite a laser medium 3 serves. The pump radiation 2 after leaving the laser diode stack 1 by a first cylindrical lens arranged directly on it 4 and a second cylindrical lens 5 collimated. A third cylindrical lens 6 on the laser medium 3 serves to focus the beam in its inlet opening. With another cylindrical lens 7 which is at an angle of 90 ° to the cylindrical lenses 4 . 5 . 6 is twisted, the beam is focused in the fast axis of the laser diode stack 1 , With a flat deflecting mirror 8th becomes the emission radiation towards the laser medium 3 directed.

2 zeigt in der räumlichen Anordnung zwei Laserdioden-Stapel 1, deren emittierte Pumpstrahlung 2 jeweils über die Zylinderlinsen 4, 5 (vgl. 1) kollimiert werden. Die Laserdioden-Stapel 1 werden dabei mit ihrer Emissionsachse im Wesentlichen senkrecht zur Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung orientiert, welche durch die Flächennormale des Lasermediums 3 vorgegeben ist. Zwischen den beiden Zylinderlinsen 4, 5 befindet sich in jedem Strahlengang jeweils ein Umlenkspiegel 8, welcher die Emission des entsprechenden Laserdioden-Stapels 1 jeweils in Richtung des Lasermediums 3 umlenkt. Durch die relativ geringe Strahlqualität der Emissionsstrahlungen in der langsamer Achse der Laserdioden-Stapel 1 sind diese möglichst dicht am Lasermedium 3 angeordnet, um die erforderlichen Anregungsintensitäten abbilden zu können. Die Strahlquerschnitte der beiden Emissionsstrahlungen der Laserdioden-Stapel 1 liegen in unmittelbarer Nähe des Lasermediums sehr eng zusammen oder überlappen sich gar in den Randzonen. Deshalb werden beide kollimierten Strahlengänge unmittelbar vor dem aktiven Lasermedium 3 durch eine Doppel-Zylinderlinse 9 als gemeinsames optisches Element auf dessen Strahleintrittsöffnung zur Pumpanregung abgebildet. 2 shows two laser diode stacks in the spatial arrangement 1 whose emitted pump radiation 2 each over the cylindrical lenses 4 . 5 (see. 1 ) are collimated. The laser diode stack 1 are oriented with their emission axis essentially perpendicular to the laser beam propagation direction, which is defined by the surface normal of the laser medium 3 is specified. Between the two cylindrical lenses 4 . 5 there is a deflecting mirror in each beam path 8th , which is the emission of the corresponding laser diode stack 1 each in the direction of the laser medium 3 deflects. Due to the relatively low beam quality of the emission radiation in the slow axis of the laser diode stack 1 they are as close as possible to the laser medium 3 arranged in order to be able to map the required excitation intensities. The beam cross sections of the two emission radiation from the laser diode stack 1 are very close together in the immediate vicinity of the laser medium or even overlap in the peripheral zones. Therefore, both collimated beam paths are immediately in front of the active laser medium 3 through a double cylinder lens 9 mapped as a common optical element on its beam inlet opening for pump excitation.

3 zeigt zwei kreisförmige Stapelanordnungen 10, 11 von jeweils zehn Laserdioden-Stapeln 1, wobei deren Strahlaustrittsöffnungen (ohne die Erfindung darauf zu beschränken) jeweils zum Zentrum der entsprechenden Stapelanordnung 10 bzw. 11 weisen. Zwischen den beiden kreisförmigen Stapelanordnungen 10, 11, quasi auf der Verbindungslinie zwischen deren Kreismittelpunkten, befindet sich das Lasermedium 3, dessen Strahlausbreitungsrichtung einer zu verstärkenden Laserstrahlung 12 mit der besagten Verbindungslinie (Symmetrieachse der kreisförmigen Stapelanordnungen 10, 11) identisch ist. Die Emission jedes Laserdioden-Stapels 1 wird über die jeweils zugehörigen Zylinderlinsen 4, 5 kollimiert und mit dem ebenfalls korrespondierenden Umlenkspiegel 8 in Richtung des Lasermediums 3 gelenkt (vgl. auch 2). Alle zehn kollimierten Pumpstrahlemissionen einer Stapelanordnung 10 bzw. 11 gelangen jeweils auf ein in Strahlausbreitungsrichtung des Lasermediums 3 vor oder hinter desselben befindliches Fokussierlinsenarray 13 bzw. 14, durch welches eine gemeinsame Abbildung auf die jeweilige Strahleintrittsöffnung des Lasermediums 3 erfolgt. 3 shows two circular stack arrangements 10 . 11 of ten laser diode stacks each 1 , the beam outlet openings (without restricting the invention thereto) each to the center of the corresponding stack arrangement 10 or 11 point. Between the two circular stack arrangements 10 . 11 , quasi on the connecting line between their circle centers, is the laser medium 3 whose beam propagation direction of a laser radiation to be amplified 12 with the said connecting line (axis of symmetry of the circular stack arrangements 10 . 11 ) is identical. The emission of each laser diode stack 1 is about the respective associated cylindrical lenses 4 . 5 collimated and with the corresponding deflecting mirror 8th towards the laser medium 3 directed (see also 2 ). All ten collimated pump beam emissions from a stack arrangement 10 or 11 each arrive in the direction of beam propagation of the laser medium 3 focusing lens array located in front of or behind the same 13 or 14, through which a common image on the respective beam entry opening of the laser medium 3 he follows.

Die minimale Baugröße der Vorrichtung ergibt sich aus dem konstruktiven Raumbedarf der beiden Stapelanordnungen 10, 11 mit den jeweils zehn gezeigten Laserdioden-Stapeln 1. Denkbar wäre es, in den Stapelanordnungen 10, 11 jeweils weniger Laserdioden-Stapel 1 vorzusehen (beispielsweise jeweils lediglich acht bis vier), die auf einem kleineren Kreisdurchmesser der Stapelanordnung untergebracht werden können und infolge des geringeren Raumbedarfs einen kompakteren Aufbau bei entsprechend geringerer Anregungsleistung ermöglichen.The minimum size of the device results from the design space requirement of the two stack arrangements 10 . 11 with the ten laser diode stacks shown in each case 1 , It would be conceivable in the stack arrangements 10 . 11 fewer laser diode stacks each 1 to provide (for example, only eight to four each), which can be accommodated on a smaller circular diameter of the stack arrangement and, owing to the smaller space requirement, enable a more compact structure with a correspondingly lower excitation power.

In 4 wird die Anzahl der Laserdioden-Stapel 1 in einer Stapelanordnung 15 gegenüber den im Ausführungsbeispiel von 3 gezeigten Stapelanordnungen 10, 11 noch einmal verdoppelt, indem zu einem ersten Stapelring 16 zusätzlich ein zweiter und zum Stapelring 16 radial versetzter Stapelring 17 von Laserdioden-Stapeln 1 angefügt wird. Die Laserdioden-Stapel 1 befinden sich durch den radialen Versatz jeweils verzahnungsartig in den Zwischenräumen, welche die Laserdioden-Stapel 1 des jeweils anderen Stapelrings 16 bzw. 17 bilden, so dass auch diese Vorrichtung trotz der doppelten Anzahl an Laserdioden-Stapeln 1 in relativ kompakter Bauform realisiert werden kann. Der Strahlenverlauf von den einzelnen Laserdioden-Stapeln 1 zum Lasermedium 3 über ein optisches Fokussierlinsensarray 18 ist prinzipiell wiederum wie im Ausführungsbeispiel zu 3 beschrieben, nur dass hier aus Gründen der verdoppelten Strahlengänge auch die zweifache Anzahl an baulich vereinten Fokussierlinsen vorhanden sind.In 4 becomes the number of laser diode stacks 1 in a stacked arrangement 15 compared to the in the embodiment of 3 stack arrangements shown 10 . 11 doubled again by going to a first stacking ring 16 additionally a second one and to the stacking ring 16 radially offset stacking ring 17 of laser diode stacks 1 is added. The laser diode stack 1 Due to the radial offset, they are toothed in the spaces between the laser diode stacks 1 the other stacking ring 16 or 17 form, so that even this device despite the double number of laser diode stacks 1 can be realized in a relatively compact design. The beam path from the individual laser diode stacks 1 to the laser medium 3 via an optical focusing lens array 18 is in principle again as in the exemplary embodiment 3 described, only that for the sake of the doubled beam paths there are also twice the number of structurally combined focusing lenses.

Die Einfallswinkel der Emissionsstrahlungen von den Laserdioden-Stapeln 1 der Stapelringe 16, 17 relativ zum Flächennormal des Lasermediums 3 sind jeweils gleich, wodurch symmetrische Einkopplungsbedingungen der Pumpstrahlungen in das Lasermedium 3 geschaffen werden, um die Abbildungseigenschaften des Fokussierlinsenarrays 13 optimal auszunutzen. Auch die Strahlentfernungen der Pumpstrahleinkopplungen von den einzelnen Laserdioden-Stapeln 1 der Stapelringe 16, 17 können jeweils im Wesentlichen gleichgroß realisiert werden.The angles of incidence of the emission radiation from the laser diode stacks 1 the stacking rings 16 . 17 relative to the surface normal of the laser medium 3 are in each case the same, creating symmetrical coupling conditions of the pump radiation into the laser medium 3 are created to match the imaging properties of the focusing lens array 13 optimal use. Also the beam distances of the pump beam coupling from the individual laser diode stacks 1 the stacking rings 16 . 17 can each be realized essentially the same size.

Insgesamt bilden die beiden Stapelringe 16, 17 eine Stapelanordnung mit der Pumpleistung von zwanzig in 4 dargestellten Laserdioden-Stapeln 1 und einer relativ kleinen und kompakten Bauform. Eine solche Stapelanordnung könnte auch zu beiden Strahleinkopplungsseiten des Lasermediums 3 (ähnlich zu 3) aufgebaut sein, so dass die Pumpleistung nochmals verdoppelt wird.Overall, the two stacking rings form 16 . 17 a stack arrangement with the pumping power of twenty in 4 illustrated laser diode stacks 1 and a relatively small and compact design. Such a stack arrangement could also on both beam coupling sides of the laser medium 3 (similar to 3 ) be set up so that the pump power is doubled again.

5 zeigt das im Ausführungsbeispiel zu 4 verwendete Fokussierlinsenarray 18, bei dem zwanzig Zylinderlinsensegmente 19 (eines davon ist rechts daneben herausgehoben dargestellt) zu einer Ringform auf engstem Raum baulich vereinigt sind. Das Fokussierlinsenarray 18 (wie auch die Fokussierlinsenarrays 13, 14 in 3) ist in unmittelbarer Nähe des Lasermediums 3 angeordnet. In diesem Strahlbereich liegen die Pumpemissionen der einzelnen Laserdioden-Stapel 1 sehr dicht zusammen. 5 shows that in the embodiment 4 Focusing lens array used 18 , with twenty cylindrical lens segments 19 (one of which is highlighted on the right next to it) are structurally combined to form a ring in a confined space. The focusing lens array 18 (like the focusing lens arrays 13 . 14 in 3 ) is in the immediate vicinity of the laser medium 3 arranged. The pump emissions of the individual laser diode stacks lie in this beam region 1 very close together.

Mit dem in 5 abgebildeten Fokussierlinsenarray 18 werden die Pumpemissionen der in den beiden Stapelringen 16, 17 der Stapelanordnung 15 (vgl. 4) ebenfalls ringförmig gruppierten Laserdioden-Stapel 1 fokussiert und in die Strahleintrittsöffnung des aktiven Lasermediums 3 unter einem geringen Winkel zu dessen Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung eingekoppelt. Zu diesem Zweck ist für jede dieser Pumpemissionen, d, h. für jeden Laserdioden-Stapel 1 der Stapelanordnung 15 jeweils ein korrespondierendes Zylinderlinsensegment 19 vorgesehen, welches vom Grundsatz mit der Funktion der Zylinderlinse 6 in 1 identisch ist.With the in 5 shown focusing lens array 18 the pump emissions in the two stacking rings 16 . 17 the stacking arrangement 15 (see. 4 ) also laser diode stacks grouped in a ring 1 focused and into the beam entry opening of the active laser medium 3 coupled at a small angle to its direction of laser beam propagation. For this purpose, for each of these pump emissions, i.e. for each laser diode stack 1 the stacking arrangement 15 each have a corresponding cylindrical lens segment 19 provided which of the principle with the function of the cylindrical lens 6 in 1 is identical.

Die Fokussierlinsenarrays 13, 14 (siehe 3) bestehen entsprechend der Anzahl der zu fokussierenden Pumpemissionen der Stapelanordnungen 10, 11 aus jeweils zehn solcher Zylinderlinsensegmente (in der Zeichnung nicht explizit dargestellt).The focusing lens arrays 13 . 14 (please refer 3 ) exist according to the number of pump emissions to be focused in the stack arrangements 10 . 11 from ten such cylindrical lens segments each (not explicitly shown in the drawing).

Durch die Zentren der Ringformen der Fokussierlinsenarrays 13, 14, 18 sowie der Stapelanordnungen 10, 11, 15 kann die infolge der besagten Pumpanregung verstärkte Laserstrahlung 12 des aktiven Lasermediums 3 ungehindert hindurchtreten.Through the centers of the ring shapes of the focusing lens arrays 13 . 14 . 18 as well as the stack arrangements 10 . 11 . 15 can the laser radiation amplified as a result of said pump excitation 12 of the active laser medium 3 step through unhindered.

Das gesamte auf Trägertischen 20 aufgebaute Laser-Verstärkersystem ist in 6 dargestellt. Jeweils eine Stapelanordnung 15 aus zwanzig in zwei Stapelringen 16, 17 (vgl. 4) platzierten Laserdioden-Stapeln 1 ist auf einer Halteplatte 21 montiert, die in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12 vom aktiven Lasermedium 3 vor bzw. hinter diesem angeordnet ist. Das Lasermedium 3 mit beidseitig vorgesehenen Fokussierlinsenarrays 18 ist auf einem Sockel 22 befestigt. Die Stromversorgungen 23 für die Laserdioden-Stapel 1 sind jeweils in unmittelbarer Nähe der Stapelanordnungen 15 auf Trägerrahmen 24 untergebracht. Die Laserstrahlung 12, welche durch die ausgesparten Halteplatten 21 mit den Stapelanordnungen 15 sowie durch die Zentren der Fokussierlinsenarrays 18 ungehindert hindurchtritt, wird über auf Trägertischen 25 montierten Reflektoren 26 von beiden Strahlausbreitungsrichtungen mehrfach durch das aktive Lasermedium 3 geführt.The whole on carrier tables 20 built-up laser amplifier system is in 6 shown. One stack arrangement each 15 from twenty in two stacking rings 16 . 17 (see. 4 ) placed laser diode stacks 1 is on a holding plate 21 mounted in the direction of propagation of the laser beam 12 from the active laser medium 3 is arranged in front of or behind this. The laser medium 3 with focusing lens arrays on both sides 18 is on a base 22 attached. The power supplies 23 for the laser diode stack 1 are in the immediate vicinity of the stack arrangements 15 on support frame 24 accommodated. The laser radiation 12 which by the recessed holding plates 21 with the stack arrangements 15 as well as through the centers of the focusing lens arrays 18 passes unhindered, is on on support tables 25 mounted reflectors 26 from both directions of beam propagation several times through the active laser medium 3 guided.

Die für diesen 40fach pumpangeregten Laserverstärker mit einer Pumpenergie von 200 Joule benötigte Fläche beträgt lediglich ca. 9 m2.The area required for this 40-fold pump-excited laser amplifier with a pump energy of 200 joules is only approx. 9 m 2 .

11
Laserdioden-StapelLaser diode stack
22
Pumpstrahlungpump radiation
33
Lasermediumlaser medium
4, 5, 6, 74, 5, 6, 7
Zylinderlinsecylindrical lens
88th
Umlenkspiegeldeflecting
99
Doppel-ZylinderlinseDouble-cylinder lens
10, 11, 1510 11, 15
Stapelanordnungstack assembly
1212
Laserstrahlunglaser radiation
13, 14, 1813 14, 18
FokussierlinsenarrayFokussierlinsenarray
16, 1716 17
Stapelringstacking ring
1919
ZylinderlinsensegmentCylindrical lens segment
20, 2520 25
Trägertischsupport table
2121
HalteplatteRetaining plate
2222
Sockelbase
2323
Stromversorgungpower supply
2424
Trägerrahmensupport frame
2626
Reflektorreflector

Claims (8)

Vorrichtung zur Pumpanregung eines Lasermediums über Laserdioden-Stapel, bei der die Emissionsstrahlung der Laserdioden-Stapel durch optische Elemente kollimiert und auf eine oder mehrere Strahleintrittsöffnungen des Lasermediums fokussiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine die Strahlung (12) des Lasermediums (3) durchlassende Stapelanordnung (10, 11, 15) aus einer Anzahl der Laserdioden-Stapel (1) axial um die Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung des Lasermediums (3) herum vorgesehen ist, deren Emissionsstrahlungen (2) zur Pumpanregung jeweils über zumindest ein optisches Fokussierlinsenarray (13, 14, 18) zur gemeinsamen Abbildung auf die jeweilige Strahleintrittsöffnung des Lasermediums (3) unter einem kleinen Winkel zur Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung in das Lasermedium (3) eingekoppelt werden.Device to focus the pumping excitation of a laser medium via laser diode stack, in which the emission radiation of the laser diode stack collimated by optical elements and one or more inlet openings beam of the laser medium, characterized in that at least one of the radiation ( 12 ) of the laser medium ( 3 ) transmitting stack arrangement ( 10 . 11 . 15 ) from a number of laser diode stacks ( 1 ) axially around the laser beam propagation direction of the laser medium ( 3 ) is provided around, whose emission radiation ( 2 ) for pump excitation via at least one optical focusing lens array ( 13 . 14 . 18 ) for common imaging on the respective beam entry opening of the laser medium ( 3 ) at a small angle to the direction of laser beam propagation into the laser medium ( 3 ) are coupled. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stapelanordnung (10, 11, 15) im Wesentlichen ringförmig axial um die Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung des Lasermediums (3) herum vorgesehen ist.Device according to claim 1, characterized in that the at least one stack arrangement ( 10 . 11 . 15 ) essentially ring-shaped axially around the laser beam propagation direction of the laser medium ( 3 ) is provided around. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stapelanordnung (10, 11) aus einer einzigen Ringanordnung (16, 17) der Laserdioden-Stapel (1) besteht.Device according to claim 2, characterized in that the at least one stack arrangement ( 10 . 11 ) from a single ring arrangement ( 16 . 17 ) the laser diode stack ( 1 ) consists. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stapelanordnung (15) aus mehreren Ringanordnungen (16, 17) der Laserdioden-Stapel (1) besteht, die und vorzugsweise verzahnungsartig ineinandergeschachtelt angeordnet sind.Apparatus according to claim 2, characterized in that the at least one stack on order ( 15 ) from several ring arrangements ( 16 . 17 ) the laser diode stack ( 1 ) exists, which are preferably nested and interlocked. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Stapelanordnungen (10, 11, 15) vorgesehen sind, von den jeweils zumindest eine in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung 12 vor und zumindest eine hinter dem Lasermedium 3 angeordnet ist, wobei die Pumpemissionen der Laserdioden-Stapel (1) jeder der zumindest einen Stapelanordnung (10, 11, 15) über jeweils ein optisches Fokussierlinsenarray (13, 14, 18) in eine separate Strahleintrittsöffnung des Lasermediums (3) eingekoppelt wird.Device according to claim 1, characterized in that at least two stacking arrangements ( 10 . 11 . 15 ) are provided, each of which at least one in the direction of propagation of the laser radiation 12 in front and at least one behind the laser medium 3 is arranged, the pump emissions of the laser diode stack ( 1 ) each of the at least one stack arrangement ( 10 . 11 . 15 ) via an optical focusing lens array ( 13 . 14 . 18 ) in a separate beam entry opening of the laser medium ( 3 ) is coupled. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierlinsenarray (13, 14, 18) aus einer kompakten sowie unmittelbar in der Nähe der Strahleintrittsöffnung des Lasermediums (3) befindlichen, vorzugsweise ringförmigen und die Laserstrahlung des Lasermediums (3) in ihrem Zentrum durchlassende Einheit von baulich vereinten Zylinderlinsensegmenten (19) besteht.Device according to claim 1, characterized in that the focusing lens array ( 13 . 14 . 18 ) from a compact and in the immediate vicinity of the beam entry opening of the laser medium ( 3 ) located, preferably ring-shaped and the laser radiation of the laser medium ( 3 ) unit in its center of structurally combined cylindrical lens segments ( 19 ) consists. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsstrahlung (2) jedes in der wenigstens einen Stapelanordnung (10, 11, 15) befindlichen Laserdioden-Stapels (1) in dessen langsamer Achse jeweils über optische Elemente (4, 5) kollimiert wird.Device according to claim 1, characterized in that the emission radiation ( 2 ) each in the at least one stack arrangement ( 10 . 11 . 15 ) located laser diode stack ( 1 ) in its slow axis via optical elements ( 4 . 5 ) is collimated. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsstrahlung (2) jedes in der wenigstens einen Stapelanordnung (10, 11, 15) befindlichen Laserdioden-Stapels (1) jeweils über mindestens einen Umlenkspiegel (8) in Richtung der Strahleintrittsöffnung des Lasermediums (3) gelenkt wird.Device according to claim 1, characterized in that the emission radiation ( 2 ) each in the at least one stack arrangement ( 10 . 11 . 15 ) located laser diode stack ( 1 ) each with at least one deflecting mirror ( 8th ) in the direction of the beam entry opening of the laser medium ( 3 ) is steered.
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