DE10241654B4 - Laseranordnung mit einem Resonator, in dem zwei Lasermaterialien mit unterschiedlicher Laseremissionswellenlänge angeordnet sind - Google Patents

Abstract

Laseranordnung mit einem Resonator, in dem zwei Lasermaterialien mit unterschiedlicher Laseremissionswellenlänge angeordnet sind, wobei das erste Lasermaterial zur Erzeugung von Pumplicht für das zweite Lasermaterial und das zweite Lasermaterial zur Erzeugung von Laserlicht, das aus der Laseranordnung ausgekoppelt wird, dient und wobei die beiden Laseremissionslichtwellenlängen sich um weniger als 20 % bezogen auf die größere Wellenlänge unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass für das Laserlicht des zweiten Lasermaterials (6) ein zweiter Resonator (11) vorgesehen ist, der quer zu dem ersten Resonator (10) angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung mit dem Merkmal des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
• STAND DER TECHNIK
• Es besteht ein Bedürfnis nach Laseranordnungen, die einen Laserstrahl im Wellenlängenbereich etwas oberhalb 2 μm emittieren, weil derartige Laserstrahlen auch bei höheren Energien aufgrund ihrer starken Absorption durch Wasser als augensicher gelten. Laserstrahlen dieses Wellenlängenbereichs bieten sich daher für alle Anwendungen an, in denen Augensicherheit ein wichtiger Aspekt ist, wie beispielsweise bei Laserradareinrichtungen für Wind- und Turbulenzmessungen. Alle Lasermessungen mit großer räumlicher Reichweite stellen darüber hinaus hohe Anforderungen an die Strahlqualität des verwendeten Laserstrahls. Die Erfindung ist auf der Suche nach einer Laseranordnung entstanden, die einen Laserstrahl im Wellenlängenbereich etwas oberhalb 2 μm mit hoher Strahlqualität emittiert.
• Als Lasermaterial, das zur Emission eines Laserstrahls im Wellenlängenbereich knapp oberhalb 2 μm in der Lage ist, sind Holmium dotierte Kristalle bekannt. Genauer handelt es sich um Kristalle, die mit Ho³⁺-Ionen dotiert sind. Ein Ho:YAG-Kristall emittiert beispielsweise Laserlicht mit einer Wellenlänge von 2,1 μm.
• Aus der US 5,315,608 A ist es bekannt, einen Ho-dotierten YAG- oder YLF-Kristall mit Pumplicht aus Laserdioden zu pumpen, die Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1,9 μm emittieren. Die Laserdioden sind dabei außerhalb des Resonators angeordnet, der für den Holmium-dotierten Kristall vorgesehen ist. Pumplicht mit der Wellenlänge von etwa 1,9 μm hat den Vorteil, dass es zu dem in dem Ho-dotierten Kristall anzuregenden Übergang nur einen minimalen Quantendefekt aufweist. Hierdurch ist die Wärmeentwicklung in dem Ho-dotierten Kristall gering. Die Strahlqualität des Laserstrahls kann deshalb von thermischen Einflüssen weitgehend freigehalten werden. Die Wellenlänge des Pumplichts von 1,9 μm hat aber auch Nachteile. Zum einen ist die Absorption des Pumplichts dieser Wellenlänge relativ gering. D.h., der Wirkungsgrad einer entsprechenden Laseranordnung ist nicht besonders hoch. Außerdem ist es relativ aufwändig, das Pumplicht, dessen Wellenlänge sich um weniger als 10 % von der Wellenlänge des von dem Ho-dotierten Kristalls emittierten Laserlichts unterscheidet, von dem gewünschten Laserstrahl abzutrennen.
• Aus der US 5,289,482 ist eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt, bei der ein mit Holmium dotierter YAG-Kristall zusammen mit einem weiteren mit Thulium dotierten YAG-Kristall in ein und demselben Resonator angeordnet ist. Von außerhalb des Resonators wird der Tm-dotierte Kristall longitudinal mit Pumplicht einer Wellenlänge von 0,785 μm von einer Laserdiode gepumpt. Der Tm:YAG-Kristall emittiert Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 2,0 μm, das in dem Resonator hin- und herläuft: Es dient dabei als Pumplicht für den Ho:YAG-Kristall, der das gewünschte Laserlicht mit der Wellenlänge von 2,1 μm emittiert. Der Laserstrahl aus diesem Laserlicht wird mit Hilfe desselben Resonators erzeugt, der auch das Pumplicht führt. Der Vorteil dieser Pumpanordnung für den Holmium-dotierten Kristall, die auch als "Intracavity" bezeichnet wird, besteht darin, dass die geringe Absorptionsrate des Pumplichts durch den Holmium-dotierten Kristall durch das wiederholte Hindurchtreten des Pumplichts durch den Kristall kompensiert wird. Der oben angesprochene weitere Nachteil der aufwändigen Abtrennung des Pumplichts von dem Laserstrahl bleibt aber erhalten. Selbst wenn dichroitische Spiegel verfügbar sind, die diese Wellenlängenunterschiede auflösen, gibt es bei ihnen ein erhebliches Problem bezüglich der Dauerstandfestigkeit. Hinzu kommt als weiterer Nachteil der aus der US 5,289,482 bekannten Laseranordnung, dass der Thuliumdotierte Kristall in dem Resonator, welcher auch von dem gewünschten Laserlicht durchlaufen wird, aufgrund seines Pumpvorgangs nicht unerheblich aufgeheizt wird und sich damit thermische Effekte des Thulium-dotierten Kristalls in erheblichem Ausmaß auch auf das gewünschte Laserlicht und damit die Strahlqualität des Laserstrahls auswirken. Aus D. Anthon et al., "Erbium and Holmium Lasers pumped with Nd:YAG", Conference Proceedings, IEEE Lasers and Electro-Optics Society 1990 Annual Meeting (IEEE, New York, 1990), Seiten 519 und 520 ist eine Laseranordnung mit zwei Resonatoren bekannt, die sich im Bereich von Erbium-dotiertem Glas überlappen. In dem ersten Resonator ist ein Nd:YAG-Kristall neben dem Er:Glas angeordnet. Der Nd:YAG-Kristall wird von außerhalb des Resonators mit Pumplicht gepumpt und emittiert seinerseits Pumplicht für das Er:Glas mit einer Wellenlänge von 1,06 μm. Der Resonator für dieses Pumplicht erstreckt sich von der Rückseite des Nd:YAG-Kristalls bis zu der Vorderseite des Er:Glas-Kristalls. Der zweite Resonator für das gewünschte Laserlicht von 1,54 μm erstreckt sich von der Rückseite des Erbium-dotierten Glas-Kristalls zu einem vor dem Er:Glas-Kristall liegenden Resonatorspiegel, durch den der gewünschte Laserstrahl ausgekoppelt wird. Die Trennung der beiden hier koaxial angeordneten Resonatoren ist bei dem relativ großen Wellenlängenunterschied des Pumplichts von 1,06 μm und des Laserlichts von 1,54 μm durch unterschiedliche dichroitische Beschichtungen des Er:Glas-Kristalls an seiner Vor- und Rückseite relativ problemlos.
• AUFGABE DER ERFINDUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die die Schwierigkeiten des Trennens des Pumplichts von dem gewünschten Laserstrahl beim Intracavity-Pumpen des das gewünschte Laserlicht emittierenden Lasermaterials beseitigt.
• LÖSUNG
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der neuen Laseranordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis beschrieben.
• BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Bei der neuen Laseranordnung ist für das Laserlicht des zweiten Lasermaterials, mit dem der gewünschte Laserstrahl ausgebildet wird, ein zweiter Resonator vorgesehen, der quer und damit insbesondere senkrecht zu dem ersten Resonator angeordnet ist. D.h., die Trennung des Pumplichts von dem gewünschten Laserlicht ist allein durch die andere räumliche Orientierung des zweiten Resonators gegeben.
• Wenn die beiden Lasermaterialien der neuen Laseranordnung zwei separate Kristalle mit unterschiedlicher Dotierung sind, also nicht etwa ein einziger mit zwei verschiedenen Dotierungen versehener Kristall vorgesehen ist, ergibt sich der weitere Vorteil, dass in dem Resonator für das interessierende Laserlicht nur das zweite Lasermaterial angeordnet ist, welches dieses interessierende Laserlicht emittiert. Der gewünschte Laserstrahl ist damit von thermischen Einflüssen durch das erste Lasermaterial frei, mit dessen Hilfe das Pumplicht für das zweite Lasermaterial erzeugt wird.
• Die neue Laseranordnung ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die beiden Laseremissionslichtwellenlängen einen Unterschied von weniger als 10 % bezogen auf die größere Wellenlänge aufweisen, so dass eine Trennung des Pumplichts von dem Laserlicht an sich besonders schwierig ist. Auch bei so geringen Wellenlängenunterschieden trennt die Laseranordnung allein aufgrund ihrer Geometrie das gewünschte Laserlicht von dem Pumplicht.
• Ein konkreter Fall, in dem die beiden Laseremissionslichtwellenlängen eine Differenz von weniger als 10 % aufweisen, liegt vor, wenn das erste Lasermaterial ein Tm-dotierter YLF-, YALO- oder YAG-Kristall ist und das zweite Lasermaterial ein Ho-dotierter YAG-Kristall. Die neue Laseranordnung ist also vorteilhaft zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge knapp oberhalb 2 μm, also von sogenanntem augensicheren Laserlicht geeignet. Neben einem Ho-dotiertem YAG-Kristall kommen für das zweite Lasermaterial auch Ho-dotierte YGG-, YSAG-, YSGG-, GGG-, GSAG-, GSGG- und LLGG-Kristalle in Frage. Diese haben zwar in der Regel eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Ho:YAG, aber bestimmte vorteilhafte spektroskopische Eigenschaften. Die geringere Wärmeleitfähigkeit spielt aufgrund des geringen Wärmeeintrags in das zweite Lasermaterial bei der neuen Laseranordnung zudem nur eine untergeordnete Rolle.
• Das erste Lasermaterial, mit dem das Pumplicht für das zweite Lasermaterial erzeugt wird, kann seinerseits longitudinal diodengepumpt sein, d.h. von außerhalb des ersten Resonators mit einer Laserdiode bzw. einem Laserdiodenstack gepumpt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der neuen Laseranordnung ist der Kristall des ersten Lasermaterial für die Erzeugung des Pumplichts flach quaderförmig, wobei seine Stirnfläche in der Resonatorrichtung auf eine Längsschnittfläche des Kristalls des zweiten Lasermaterials für die Erzeugung des gewünschten Laserlichts abgestimmt ist. Ein inhärenter Vorteil der neuen Laseranordnung besteht darin, dass auf die Strahlbeeinflussung in dem ersten Resonator keine besondere Rücksicht genommen werden muss, weil sie nur das Pumplicht betrifft, an das keine hohen Strahlqualitätsanforderungen gestellt werden. Es ist vielmehr ausreichend, wenn das Pumplicht in dem Resonator gehalten wird. So kann eine Konzentration darauf erfolgen, die Verteilung des Pumplichts für das Pumpen des zweiten Lasermaterials zu optimieren. Dies kann durch die oben angesprochene Quaderform des Kristalls des ersten Lasermaterials erfolgen, der auch als Slab bezeichnet wird. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Zylinderlinsen innerhalb des ersten Resonators in Verbindung mit einem solchen Slab-Kristall. Das erste Lasermaterial kann aber auch als stabförmiger Kristall vorliegen, wobei das Pumplicht beispielsweise mit einer Zylinderlinse über die Länge des zweiten Lasermaterials verteilt wird.
• Die geometrische Form des Kristalls des zweiten Lasermaterials für die Emission des gewünschten Laserlichts ist ebenfalls für das gewünschte Pumpen zu optimieren. Andererseits ist darauf zu achten, dass seine Form eine hohe Strahlqualität des gewünschten Laserstrahls unterstützt. Zusätzlich ist bei der Form des Kristalls des zweiten Lasermaterials darauf zu achten, dass sie die Richtung des zweiten Resonators für das gewünschte Laserlicht bevorzugt. Ein zusätzliches Schwingen des ersten Resonators mit Laserlicht der für den gewünschten Laserstrahl vorgesehenen Wellenlänge führt zu einer unerwünschten Verlustleistung. Ein solches Schwingen kann allein durch das dort vorliegende Pumplicht, welches eine sehr ähnliche Wellenlänge aufweist, angeregt werden. Die Geometrie des Kristalls des zweiten Lasermaterials kann daher bereits eine Dämpfung derartiger Schwingungen implizieren. Zusätzlich können weitere Dämpfungsmittel in dem ersten Resonator vorgesehen werden, um sein Schwingen mit Laserlicht der für den Laserstrahl gewünschten Wellenlänge zu verhindern. Im Allgemeinen ist der Kristall des zweiten Lasermaterials vorzugsweise stabförmig mit rechteckigem Querschnitt, wobei er seine geringste Ausdehnung in Richtung des ersten Resonators aufweist. Seine Geometrie sorgt dann dafür, dass er in seiner Querrichtung, die mit der Richtung des ersten Resonators zusammenfällt, am wenigsten leicht anregbar ist. Der Kristall des zweiten Lasermaterials kann jedoch auch eine andere Verteilung seiner Abmessungen aufweisen, wenn dies aus anderen Gründen geboten ist.
• Der zweite Resonator kann auf sehr unterschiedliche Weisen ausgebildet sein. In besonders bevorzugten Ausführungsformen der neuen Laseranordnung ist der zweite Resonator pulsbar, um einen Pulslaser mit sehr hoher Pulsenergie auszubilden. Die Pulsbarkeit kann passiv oder aktiv realisiert sein.
• In einer weiteren besonderen Ausführungsform der neuen Laseranordnung ist der zweite Resonator ein Ringresonator. Dabei wird ausgenutzt, dass der zweite Resonator bei der neuen Laseranordnung weitgehend unabhängig von dem ersten Resonator ausgebildet sein kann. Bei den bekannten Laseranordnungen mit Intracavity-gepumptem Lasermaterial ist ein Ringresonator kaum realisierbar.
• Dasselbe gilt für die Anordnung eines Seed-Lasers, der bei der neuen Laseranordnung dem zweiten Resonator problemlos zugeordnet werden kann.
• KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben, dabei zeigt:
• 1 den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform der neuen Laseranordnung,
• 2 die Pumpanordnung des ersten Resonators der Laseranordnung gemäß 1 in einer zu 1 senkrechten Ansicht und
• 3 eine zweite Ausführungsform der Laseranordnung in einer 1 entsprechenden Abbildung.
• FIGURENBESCHREIBUNG
• Die in 1 dargestellte Laseranordnung umfasst einen ersten Resonator 10, der von einem dichroitischen Spiegel 3 bis zu einem Resonatorspiegel 5 reicht. Dazwischen ist ein Lasermaterial 4 angeordnet, bei dem es sich um einen Tm:YLF-Kristall, d.h. einen mit Thulium dotierten Yttrium-Lithium-Fluorid-Kristall handelt. Dieser Kristall ist flach quaderförmig, wie in Verbindung mit 2 ersichtlich ist. Weiterhin ist in dem Resonator 10 ein zweites Lasermaterial 6 in Form eines Ho:YAG-Kristalls angeordnet. Dieser Holmiumdotierte Yttrium-Aluminium-Garnet-Kristall ist stabförmig mit quadratischem Querschnitt, wie wieder in Verbindung mit 2 ersichtlich ist.
• Der dichroitische Spiegel 3 lässt extern mit Hilfe eines Laserdiodenstacks 1 erzeugtes und über eine Pumpoptik 2 fokussiertes Pumplicht in das Lasermaterial 4 eintreten. D.h. der dichroitische Spiegel 3 ist für dieses Pumplicht transmissiv. Das Pumplicht von der Laserdiode 1 pumpt das Lasermaterial 4, und in dem Resonator 10 schwingt Laserlicht, das von dem Lasermaterial 4 emittiert wird, zwischen den Spiegeln 3 und 5. Dieses Laserlicht hat eine Wellenlänge von 1,91 μm. Es dient hier als Pumplicht für das Lasermaterial 6.
• Das von dem Lasermaterial 6 emittierte Laserlicht schwingt nicht in dem Resonator 10 sondern in einem hierzu quer orientierten Resonator 11. Die beiden Resonatoren 10 und 11 überschneiden sich dabei nur im Bereich des Lasermaterials 6, und ihre optischen Achsen sind im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert. D.h. der Resonator 10 hat keine Einflüsse auf die Strahlqualität des mit dem Resonator 11 erzeugten Laserstrahls 16. Der Resonator 11 ist ein Ringresonator, der durch Spiegel 7 und 8 sowie einem halbdurchlässigen Spiegel 9, über den der Laserstrahl 16 ausgekoppelt wird, definiert ist und in dem weitere optische Elemente angeordnet sein können. Hier sind beispielhaft ein wellenlängenselektives Element 12, ein akusto-optischer Modulator 13 sowie ein Piezoversteller 15 für den Spiegel 7 wiedergegeben. Weiterhin kann ein Seed-Laser 14 vorgesehen sein, der über den halbdurchlässigen Spiegel 9 den Ringresonator 11 zu einer definierten Schwingung anregt.
• Die aus 2 näher ersichtliche Pumpgeometrie des Resonators 10 lässt in Verbindung mit 1 erkennen, dass das Lasermaterial 6, d.h. der stabförmige Ho:YAG-Kristall über seine gesamte Länge in Richtung des Resonators 11 gepumpt wird, wobei seine relativ gering Absorption von Pumplicht der Wellenlänge von 1,91 μm durch die wiederholten Durchläufe des Pumplichts durch das Lasermaterial 6 kompensiert wird. In Verbindung mit der relativ langen Lebensdauer des oberen Laserniveaus von Ho:YAG ist damit ein sehr effektives Pumpen des Lasermaterials 6 möglich. Das Lasermaterial 6 kann dabei als sättigbarer Absorber in dem Resonator 10 wirken, womit ein Pulsbetrieb der Laseranordnung gemäß 1 ohne weitere Schaltelemente realisierbar ist.
• Die Ringgeometrie des zweiten Resonators 11 der Laseranordnung gemäß 1 vermeidet auch das sogenannten Spatial Hole Burning, und durch die Ausnutzung des geringen Quantendefekts zwischen dem Pumplicht für das Lasermaterials 6 und des von diesem erzeugten Laserlichts ist insgesamt ein effizienter Laser hoher Brillianz realisiert.
• Das wiederholte Durchlaufen des Pumplichts durch das Lasermaterial 6 ermöglicht es bei der neuen Laseranordnung, statt Tm:YLF auch Tm:YAG für das Lasermaterial 4 zu verwenden, um den Ho:YAG-Kristall zu Pumpen, obwohl die Pumplichtwellenlänge dabei weniger gut auf die Absorptionsbanden von Ho:YAG als Lasermaterial 6 abgestimmt ist.
• Ein aktives Pulsen der Laseranordnung gemäß 1 ist in bekannter Weise auch durch einen hier nicht wiedergegebenen Q-Switch oder einen sogenannten AOM realisierbar. Das wellenlängenselektive Element 12 kann beispielsweise ein Lyot-Filter sein.
• Die Abwandlung der Laseranordnung gemäß 3 betrifft ausschließlich das Lasermaterial 6 und die Führung des Laserlichts durch das Lasermaterial 6 mit Hilfe von Spiegeln 21 auf Teilen der Stirnflächen des Lasermaterials 6 in Richtung des zweiten Resonators 11. Auf diese Weise wird der Weg des Laserlichts durch das Lasermaterial 6 verlängert. Dies ist bei der neuen Anordnung aufgrund der sehr geringen thermischen Effekte im Bereich des Lasermaterials 6 möglich.

1

Laserdiodenstack

2

Pumpoptik

3

Spiegel

4

Lasermaterial

5

Resonatorspiegel

6

Lasermaterial

7

Spiegel

8

Spiegel

9

Spiegel

10

Resonator

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

11

Resonator

12

wellenlängenselektives

Element

13

Akusto-optischer Modulator

14

Seed-Laser

15

Piezoversteller

16

Laserstrahl

17

18

19

20

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

Claims (10)

1. Laseranordnung mit einem Resonator, in dem zwei Lasermaterialien mit unterschiedlicher Laseremissionswellenlänge angeordnet sind, wobei das erste Lasermaterial zur Erzeugung von Pumplicht für das zweite Lasermaterial und das zweite Lasermaterial zur Erzeugung von Laserlicht, das aus der Laseranordnung ausgekoppelt wird, dient und wobei die beiden Laseremissionslichtwellenlängen sich um weniger als 20 % bezogen auf die größere Wellenlänge unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass für das Laserlicht des zweiten Lasermaterials (6) ein zweiter Resonator (11) vorgesehen ist, der quer zu dem ersten Resonator (10) angeordnet ist.
2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lasermaterialien (4, 6) zwei separate Kristalle mit unterschiedlichen Dotierungen sind.
3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laseremissionslichtwellenlängen sich um weniger als 10 % bezogen auf die größere Wellenlänge unterscheiden.
4. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lasermaterial (4) ein Tm-dotierter YLF-, YALO- oder YAG-Kristall und das zweite Lasermaterial (6) ein Ho-dotierter YAG-Kristall ist.
5. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lasermaterial (4) longitudinal diodengepumpt ist.
6. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall des ersten Lasermaterials (4) flach quaderförmig ist, wobei seine Stirnfläche in der Resonatorrichtung auf eine Längsschnittfläche des Kristalls des zweiten Lasermaterials (6) abgestimmt ist.
7. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall des zweiten Lasermaterials (6) stabförmig mit rechteckigem Querschnitt ist, wobei er seine geringste Ausdehnung in Richtung des ersten Resonators (10) aufweist.
8. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Resonator (11) passiv oder aktiv pulsbar ist.
9. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Resonator (11) ein Ringresonator ist.
10. Laseranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Resonator (11) ein Seed-Laser (14) zugeordnet ist.