DE10241984A1 - Optically pumped solid body laser comprises at least one intracavity laser crystal having two spaced regions having different doping material concentrations - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist.The invention relates to a optically pumped solid-state laser with at least one intracavitary arranged laser crystal, which has at least one optical axis, along the one of at least one pump light source continuously or pulsed emitted pump light beam is directed into the laser crystal.
Ferner weist der Laserkristall den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe auf.Furthermore, the laser crystal has the Pump light beam absorbing dopants.
In der
Eine weitere Möglichkeit Laserkristalle mit lichtleistungsstarken Pumplichtquellen optisch anzuregen, ohne dabei den Laserkristall zu zerstören oder die für den optischen Strahlenverlauf nachteilhaften Effekte thermischer Linsenwirkung und hierdurch bedingte induzierte Doppelbrechung hervorzurufen, sieht eine optische Anregung abseits des Absorptionspeaks des Laserkristalls vor. Absorptionspeaks bzw. -banden bekannter Laserkristallmaterialien, wie beispielsweise Nd:YAG sowie Nd: YVO4, liegen im Bereich von 808 nm. Ein alternativer, ebenso häufig verendeter Laserkristall, Nd:YLF, absorbiert beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 792 und 797 nm. Wird eine Pumplichtwellenlänge gerade derart gewählt, dass sie knapp neben den Absorptionspeaks bzw. Absorptionsbanden der jeweiligen Laserkristalle liegt, so führt auch diese Maßnahme zu einem geringeren Absorptionsvermögen innerhalb des Laserkristalles, so dass der Einsatz lichtleistungsstarker Pumplichtquellen ermöglicht wird.Another possibility to optically excite laser crystals with high-power pump light sources without destroying the laser crystal or causing the adverse effects of thermal lens effects and the resulting induced birefringence on the optical beam path is provided by optical excitation apart from the absorption peak of the laser crystal. Absorption peaks or bands of known laser crystal materials, such as Nd: YAG and Nd: YVO 4 , are in the range of 808 nm. An alternative, equally frequently used laser crystal, Nd: YLF, absorbs, for example, in the wavelength range between 792 and 797 nm Pump light wavelength chosen just such that it lies just next to the absorption peaks or absorption bands of the respective laser crystals, this measure also leads to a lower absorption capacity within the laser crystal, so that the use of light-powerful pump light sources is made possible.
Je nach Art der Pumplichtquelle können entsprechend konfektionierte Pumplichtquellen, beispielsweise Diodenlaser, gezielt gewählt werden, deren Emissionspumplichtwellenlängen stark oder weniger stark vom Absorptionspeak des Laserkristalls abweichen. Zudem ist es möglich, die Pumplichtwellenlänge durch Veränderung der Betriebstemperatur der Laserdiode entsprechend zu verändern, zumal sich die Pumpdiodenwellenlänge von der Betriebstemperatur typischerweise mit 0,25 nm pro Grad Kelvin ändert.Depending on the type of pumping light source can be used accordingly Assembled pump light sources, for example diode lasers, targeted chosen whose emission pump light wavelengths are strong or less strong deviate from the absorption peak of the laser crystal. It is also possible to Pump light wavelength through change to change the operating temperature of the laser diode accordingly, especially since the pump diode wavelength of the operating temperature typically changes at 0.25 nm per degree Kelvin.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist, und den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe enthält, derart weiterzubilden, dass der Einsatz leistungsstarker Pumplichtquellen zum Zwecke der Skalierbarkeit der Ausgangslichtleistung zu höheren Werten als es mit den bisherigen Techniken möglich ist, realisierbar ist. Insbesondere gilt es, eine effektivere Pumplichtabsorption innerhalb des Laserkristalls zu schaffen ohne dabei den Laserkristall zu stark zu erwärmen, wodurch die Ausbildung starker thermischer Linsen und die damit verbundene induzierte Doppelbrechung innerhalb des Laserkristalles reduziert werden kann.The invention is based on the object an optically pumped solid-state laser with at least one intracavitary arranged laser crystal, which has at least one optical axis, along the one of at least one pump light source continuously or pulsed emitted pump light beam is directed into the laser crystal, and contains dopants absorbing the pump light beam, such to further develop the use of powerful pump light sources for the purpose of scaling the output light power to higher values than is possible with previous techniques. In particular the aim is to have a more effective pump light absorption within the laser crystal to create without heating the laser crystal too much, thereby the formation of strong thermal lenses and the associated induced birefringence reduced within the laser crystal can be.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution of the basis of the invention Task is specified in claim 1. The idea of the invention advantageous further education features are the subject of the subclaims as well the description with reference to the embodiments.
Erfindungsgemäß ist ein optisch gepumpter Festkörperlaser gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass der Laserkristall wenigstens zwei räumlich in Richtung der optischen Achse zueinander beabstandete Bereiche aufweist, die über unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen verfügen.According to the invention is an optically pumped solid-state laser according to the characteristics of claim 1 designed such that the laser crystal at least two spatially Regions spaced apart from one another in the direction of the optical axis which has about have different dopant concentrations.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten, dotierten Laserkristallen, in denen die Dotierstoffkonzentration gleichmäßig innerhalb des gesamten Laserkristallvolumens verteilt ist, sieht die erfindungsgemäße Idee eine bei der Herstellung des Laserkristalles gezielte Ungleichverteilung in der Dotierstoffkonzentration zumindest längs zur optischen Achse des Laserkristalls vor. Auf diese Weise ist es möglich, das räumliche Absorptionsverhalten des Laserkristalles individuell einzustellen und auf die jeweilige Pumplichtleistung anzupassen.In contrast to the previously known, doped laser crystals in which the dopant concentration evenly within of the entire laser crystal volume is distributed, sees the idea of the invention a targeted uneven distribution in the manufacture of the laser crystal in the dopant concentration at least along the optical axis of the Laser crystal. In this way it is possible to do the spatial Adjust the absorption behavior of the laser crystal individually and adapt to the respective pump light output.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sieht der optisch gepumpte Festkörperlaser einen longitudinal gepumpten Laserkristall vor, der bezogen auf den Pumplichtstrahl eine erste Seitenfläche aufweist, über die der Pumplichtstrahl in den Laserkristall eintritt, sowie eine zweite Seitenfläche vorsieht, über die der Pumplichtstrahl längs zur optischen Achse aus dem Laserkristall austritt. Innerhalb des Laserkristalls ist im Wege der Laserkristallherstellung ein Dotierstoffkonzentrationsprofil derart eingebracht, dass die Dotierstoffkonzentration von Seiten der ersten Seitenfläche längs zur optischen Achse in Richtung der zweiten Seitenfläche ansteigt. Das Dotierstoffkonzentrationsprofil kann grundsätzlich graduell oder stufenweise ausgebildet sein, die Höhe der Dotierstoffkonzentration sowie deren Verlauf hängt vorzugsweise von der tatsächlich innerhalb des Laserkristall applizierten Pumplichtleistung ab. Bei geeigneter Abstimmung auf die tatsächlich in dem Laserkristall längs der optischen Achse eingebrachten Pumplichtleistung wird bei geeigneter Auslegung der Dotierung die Absorption der Pumplichtstrahlung und damit auch die eingebrachte Wärme innerhalb des Laserkristalls gleichmäßig über die Kristalllänge oder Teile der Kristalllänge verteilt.In a particularly preferred embodiment, the optically pumped solid-state laser provides a longitudinally pumped laser crystal, which is a first in relation to the pump light beam ten surface over which the pump light beam enters the laser crystal, and provides a second side surface over which the pump light beam exits the laser crystal along the optical axis. A dopant concentration profile is introduced within the laser crystal by way of laser crystal production in such a way that the dopant concentration increases from the side of the first side surface along the optical axis in the direction of the second side surface. The dopant concentration profile can in principle be gradual or step-wise; the level of the dopant concentration and its course preferably depend on the pump light power actually applied within the laser crystal. With a suitable adjustment to the pump light power actually introduced into the laser crystal along the optical axis, with a suitable design of the doping, the absorption of the pump light radiation and thus also the heat introduced within the laser crystal is distributed uniformly over the crystal length or parts of the crystal length.
So wird der Pumplichtstrahl auf dem Weg längs durch den Laserkristall hindurch in Abhängigkeit der Konzentration der Dotierstoffatome durch Absorption geschwächt, so dass ausgehend von einer maximalen Eingangspumplichtleistung und einer im Bereich der ersten Seitenfläche vorgesehenen minimalen Dotierstoffkonzentration die Dotierstoffkonzentration in Richtung des Bereiches der zweiten Seitenfläche auf einen Maximalwert ansteigt, zumal der Pumplichtstrahl kurz vor Austritt aus dem Laserkristall durch die zweite Seitenfläche durch Absorption auf eine minimale Lichtleistung abgefallen ist. In bevorzugter Weise ist die lokale Dotierstoffkonzentration innerhalb des Laserkristalles gerade so gewählt, dass die absorbierte Pumplichtleistung pro Volumenelement innerhalb des Kristalls weitgehend konstant ist.So the pump light beam on the Way along through the laser crystal depending on the concentration of the dopant atoms weakened by absorption, so that starting from a maximum input pump light output and one in the range of first side surface provided minimum dopant concentration the dopant concentration increases to a maximum value in the direction of the region of the second side face, especially since the pump light beam just before it emerges from the laser crystal through the second side surface has dropped to a minimum light output due to absorption. The local dopant concentration is preferably within of the laser crystal just chosen so that the absorbed pump light power per volume element within the crystal is largely constant.
Je nach Wahl der Pumplichtintensität und Ausbildung des Pumplichtstrahlprofils können innerhalb des Laserkristalls individuelle Dotierstoffkonzentrationsprofile vorgesehen werden.Depending on the choice of pump light intensity and training of the pump light beam profile individual dopant concentration profiles within the laser crystal be provided.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht ein Dotierstoffkonzentrationsprofil vor, das von einer Minimaldotierung im Bereich der ersten Seitenfläche bis etwa mittig zum Laserkristall ein Maximalwert an Dotierstoffkonzentration erreicht wird, der zur zweiten Seitenfläche längs zur optischen Achse konstant bleibt.A further advantageous embodiment provides a dopant concentration profile from minimal doping in the area of the first side surface a maximum value of dopant concentration up to approximately in the middle of the laser crystal is reached, which is constant to the second side surface along the optical axis remains.
Beide vorstehend erläuterten Laserkristall-Dotierungen eignen sich für eine unidirektionale Durchstrahlung mit Pumplicht, d.h. der Pumplichtstrahl durchläuft den Laserkristall von der ersten zur zweiten Seitenfläche und tritt anschließend durch einen entsprechenden Resonator-Endspiegel aus dem Festkörperlaser aus.Both explained above Laser crystal doping is suitable for unidirectional radiation with pump light, i.e. the pump light beam passes through the laser crystal from the first to second side surface and then kicks through a corresponding resonator end mirror from the solid-state laser out.
Ebenso sind optisch gepumpte Festkörperlaser-Systeme bekannt, deren Pumplichtstrahlen vielfach innerhalb des Resonators hin- und herreflektiert werden und somit den Laserkristall mehrfach längs zu seiner optischen Achse durchlaufen. Zudem sind optisch gepumpte Festkörperlaser bekannt, deren Laserkristalle beidseitig mit Pumplichtstrahlen beaufschlagt werden. In der Regel sind hierzu zwei getrennte Pumplichtquellen vorgesehen, deren Pumplichtstrahlen mittels geeigneten Lichtleitfaseroptiken longitudinal jeweils durch die erste sowie zweite Seitenfläche des Laserkristalls eingekoppelt werden. Für eine derartige beidseitige optische Pumpanlichtanordnung eignet sich ein Laserkristall, vorzugsweise mit einem zur Laserkristallmitte symmetrisch verlaufenden Dotierstoffkonzentrationsprofil dergestalt, dass jeweils von Seiten der ersten und zweiten Seitenfläche des Laserkristalls die Dotierstoffkonzentration von einem Minimum zu einem mittig zum Laserkristall vorherrschenden Maximalwert ansteigt. Auch in diesem Fall kann durch individuelles Abstimmen des Dotierstoffkonzentrationsprofils in Bezug auf die in den Laserkristall eingebrachte Pumplichtintensität dafür Sorge getragen werden, dass die Absorptionseffizienz und die damit verbundene Erwärmung des Laserkristalls längs zur gesamten optischen Achse weitgehend gleich verteilt bleibt, wodurch die thermische Belastung des Laserkristalls in Grenzen und die Ausbildung einer durch die Kristallerwärmung verbundenen thermischen Linsenwirkung und einer damit induzierten Doppelbrechung weitgehend vermieden werden kann.Optically pumped solid-state laser systems are also known, the pump light beams often within the resonator are reflected back and forth and thus the laser crystal several times lengthways traverse its optical axis. They are also optically pumped Solid-state lasers known whose laser crystals act on both sides with pump light beams become. As a rule, there are two separate pump light sources for this provided, the pump light beams by means of suitable optical fiber optics longitudinally through the first and second side surface of the Laser crystal are coupled. For such a bilateral A laser crystal is preferably suitable for optical pump light arrangement with a dopant concentration profile that runs symmetrically to the center of the laser crystal, that from the side of the first and second side surface of the Laser crystal the dopant concentration from a minimum to a maximum value prevailing in the center of the laser crystal. In this case, too, by individually adjusting the dopant concentration profile with regard to the pump light intensity introduced into the laser crystal that the absorption efficiency and the associated warming of the laser crystal along remains largely evenly distributed over the entire optical axis, whereby the thermal load of the laser crystal within limits and the training one through crystal warming associated thermal lens effect and an induced Birefringence can be largely avoided.
Alternativ zu der vorstehend erläuterten einstückigen Ausbildung des Laserkristalls mit einem nicht notwendigerweise symmetrisch zur Mittenachse des Laserkristalles verlaufenden Dotierstoffkonzentrationsprofil, sieht eine weitere Ausführungsmöglichkeit zwei getrennte Laserkristalle vor, die jeweils vergleichbare Absorptionseigenschaften aufweisen. Beide Laserkristalle verfügen jeweils über eine erste und zweite Seitenfläche und sehen ein Dotierstoffkonzentrationsprofil, das von Seiten der ersten Seitenfläche in Richtung zur zweiten Seitenfläche zunimmt. Beide Laserkristalle sind längs ihrer gemeinsamen optischen Achse derart innerhalb des Resonators eingebracht, dass ihre jeweils zweite Seitenflächen mittel- oder unmittelbar gegenüberliegen. Vorzugsweise sind beide Laserkristalle mittels Bonden oder mit entsprechender Ansprengtechnik über jeweils ihre zweite Seitenfläche fest aneinander gefügt. Durch Vorsehen zweier separater Laserkristalle, wie vorstehend erläutert, eröffnet sich zudem die grundsätzliche Möglichkeit zwei unterschiedliche Laserkristalltypen in einen einzigen Festkörperlaser-Resonator zu integrieren.Alternatively to that explained above one-piece Formation of the laser crystal with a not necessarily symmetrical dopant concentration profile running to the center axis of the laser crystal, sees another execution option two separate laser crystals in front, each with comparable absorption properties exhibit. Both laser crystals each have one first and second side surface and see a dopant concentration profile from the side of the first side surface increases towards the second side surface. Both laser crystals are longitudinal their common optical axis within the resonator introduced that their respective second side surfaces are medium or immediate are opposite. Both laser crystals are preferably by means of bonding or with a corresponding one Firing technique over their second side in each case firmly attached to each other. Providing two separate laser crystals, as explained above, opens up also the basic one possibility two different types of laser crystals in a single solid-state laser resonator to integrate.
In besonders vorteilhafter Weise eignen sich als Laserkristalle mit Neodym-Atomen dotierte YAG- oder YVOa-Kristalle (Vanadat). Alternativ stehen darüber hinaus noch weitere Dotierstoff-Atome zur Verfügung: Yb, Cr, Tm, Ho oder Er.In a particularly advantageous manner are suitable as YAG or laser crystals doped with neodymium atoms YVOa crystals (vanadate). Alternatively, there are other dopant atoms to disposal: Yb, Cr, Tm, Ho or Er.
Je nach Konzeption und Leistungsbereich bieten sich für die Realisierung von Festkörperlaser folgende dotierte Laserkristalle der nachstehenden Art an: Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:GVO4, Nd:YPO4, Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er:YLF oder Er:GSGG.Depending on the concept and performance range, the following doped laser crystals of the following types are available for the implementation of solid-state lasers: Nd: YAG, Nd: YVO 4 , Nd: YLF, Nd: GVO 4 , Nd: YPO 4 , Nd: BEL, Nd: YALO, Nd: LSB, Yb: YAG, Yb: FAB, Cr: LiSAF, Cr: LiCAF, Cr: LiSGAF, Cr: YAG, Tm-Ho: YAG, Tm-Ho : YLF, Er: YAG, Er: YLF or Er: GSGG.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is hereinafter without restriction the general inventive concept based on exemplary embodiments described by way of example with reference to the drawing. Show it:
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to Execute the Invention, industrial applicability
In
Das unter dem Laserkristall
Demgegenüber sieht gemäß
Wird hingegen gemäß
Beide Laserkristalle
Typischerweise empfiehlt es sich Dotierstoffkonzentrationen in einem Bereich zwischen 0,1 % und 0,5 % zu wählen, setzt man voraus, dass mit Pumplichtleistungen von wenigstens 10 W gearbeitet wird.It is typically recommended Dopant concentrations in a range between 0.1% and 0.5 % to choose, it is assumed that with pump light outputs of at least 10 W is being worked on.
- 1, 1'1, 1'
- Laserkristalllaser crystal
- 22
- Optische Achseoptical axis
- 3, 3'3, 3 '
- Erste SeitenflächeFirst side surface
- 4, 4'4, 4 '
- Zweite SeitenflächeSecond side surface
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- PumplichtstrahlPumping light beam
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