DE10338417B3 - Laser mit Laserverstärker mit einem scheibenförmigen aktiven Medium - Google Patents

Laser mit Laserverstärker mit einem scheibenförmigen aktiven Medium Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laser, umfassend einen Laserverstärker 2 und einen Laserresonator 10, wobei der Laserverstärker 2 ein scheibenförmiges aktives Medium 3 mit einem Reflektor aufweist, wobei das aktive Medium 3 auf einer Kühlvorrichtung 4 zum Kühlen des aktiven Mediums und des Reflektors sitzt und der Reflektor einen Spiegel des Laserresonators 10 verkörpert. Erfindungsgemäß ist der Laserresonator 10 als Ringresonator ausgebildet, in welchem sich zwei in unterschiedliche Richtungen umlaufende Wellen ausbreiten können, wobei ein optisches Selektionsmittel 17 vorgesehen ist, um eine Ausbreitung von einer der beiden umlaufenden Wellen zu bevorzugen, die als Ausgangs-Laserstrahl 19 auskoppelbar ist. DOLLAR A Eine als Parabolspiegel ausgebildete Refokussierungsoptik 7 ist vorgesehen, um Pumplicht mehrfach umzulenken und auf das aktive Medium erneut zu fokussieren, um einen Mehrfachdurchgang des Pumplichts durch das aktive Medium zu bewirken. Der Parabolspiegel weist eine Öffnung auf, durch die hindurch sich die eine der beiden umlaufenden Wellen in dem Laserresonator ausbreitet. Der Ringresonator 10 ist bevorzugt z-förmig gefaltet. DOLLAR A Der Laser zeichnet sich durch einen sehr breiten Stabilitätsbereich aus. Eine Frequenzvervielfachung kann intra-cavity mit hoher Effizienz bewirkt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Die 1 zeigt einen derartigen Festkörper-Laser gemäß dem Stand der Technik, der von der Anmelderin unter der Bezeichnung „VersaDisk" vertrieben wird. Der Laser 100 umfasst einen Laserverstärker 2 und einen linearen Laserresonator 101. Der Laserverstärker 2 umfasst ein scheibenförmiges, aktives Medium 3 mit einem Reflektor, der entweder auf eine Rückseite des aktiven Mediums 3 als hochreflektierende Beschichtung aufgebracht ist oder als gesonderter Spiegel ausgebildet und mit dem aktiven Medium 3 verbunden ist. Das aktive Medium 3 mit dem Reflektor sitzt auf einer als Kühlfinger ausgebildeten Kühlvorrichtung 4, welche Wärme von dem aktiven Medium im Wesentlichen senkrecht zu dessen Oberfläche abführt.
  • Der lineare Laserresonator 101 wird gebildet von dem Reflektor und dem Hohlspiegel 11, der als Auskoppelspiegel zum Auskoppeln des Ausgangs-Laserstrahls 19 dient. In dem Laserresonator 101 sind ein Etalon 14, eine Brewster-Scheibe 15 oder wahlweise ein Lyot-Filter 16 angeordnet, die zur Wellenlängen-, Polarisations- und Modenselektion im dem Laserresonator 101 dienen. Das aktive Medium 3 ist in dem Brennpunkt eines als Pumplicht-Refokussierungsoptik dienenden Parabol- bzw. Hohlspiegels 7 angeordnet. Pumplicht wird über die Glasfaser 5 und den seitlich angeordneten Einkoppelspiegel 6 auf ein Spiegelsegment des Hohlspiegels 7 abgebildet, der das Pumplicht auf das aktive Medium 3 abbildet und fokussiert. Das von dem Reflektor des aktiven Mediums 3 reflektierte Pumplicht 9b wird auf eine andere Stelle bzw. ein anderes Segment des Hohlspiegels 7 zurück reflektiert, wo das Pumplicht auf eine andere Stelle bzw. ein anderes Segment des Hohlspiegels 7 umgelenkt und von dort erneut auf das aktive Medium 3 abgebildet und fokussiert wird. Insgesamt wird das Pumplicht somit von dem Hohlspiegel 7 mehrfach umgelenkt und erneut auf das aktive Medium 3 fokussiert, sodass ein Mehrfachdurchgang des Pumplichts durch das aktive Medium 3 bewirkt wird. Somit kann die effektive Absorptionslänge in dem aktiven Medium erheblich größer sein als die Dicke des aktiven Mediums 3. Zu weiteren Einzelheiten der Pumpgeometrie sei auf die DE 198 35 107 A1 und die DE 100 05 195 A1 verwiesen, deren gesamter Inhalt hiermit ausdrücklich im Wege der Bezugnahme zur Offenbarung in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen sei. In dem Laserresonator 101 bildet sich eine optische Stehwelle aus, die durch eine Öffnung 8 des Hohlspiegels 7 hindurch verläuft.
  • Der Laser gemäß der 1 zeichnet sich durch eine hohe Pumpeffizienz aus. Aufgrund des homogenen und im Wesentlichen kollinear zu der optischen Achse des Laserresonators 101 verlaufenden Wärmeflusses in dem als Wärmesenke dienenden Kühlfinger 4 sind thermische Linsenbildungseffekte (thermal lensing) praktisch vernachlässigbar. Der Ausgangs-Laserstrahl 19 weist in sämtlichen Leistungsbereichen ein nahezu perfektes gaußförmiges Strahlungsprofil auf, sodass der Ausgangs-Laserstrahl 19 auf geringe Strahlfleckgrößen fokussiert werden kann. Mit einem Yb:YAG-Kristall als aktives Medium 3 lassen sich Ausgangsleistungen von 10 W bis 100 W bei einer Ausgangswellenlänge von 1030 nm realisieren. Der Lyot-Filter 16 sorgt für eine Verstimmbarkeit der Wellenlänge von etwa 1000 nm bis etwa 1060 nm. Das Etalon 14 sorgt für einen longitudinalen Einmodenbetrieb. Der Laser gemäß der 1 kann im perfekten TEM00-Betrieb betrieben werden.
  • Bei dem Laser gemäß der 1 ist jedoch ein Stabilitätsbereich, in welchem ein Laserbetrieb zuverlässig aufrechterhalten werden kann, vergleichsweise schmal. Insbesondere ist der Laserresonator 101 relativ anfällig auf eine relative Verkippung der beiden Endspiegel des linearen Laserresonators und ist eine Justierung des Lasers für einen stabilen Laserbetrieb vergleichsweise kritisch auf die Positionen und Winkelstellungen der optischen Elemente des Laserresonators. Ferner ist die Integration eines Frequenzvervielfacher-Kristalls in einen Stehwellenresonator gemäß der 1 vergleichsweise schwierig, weil die Bedingungen zur Frequenzvervielfachung sehr empfindlich auf Instabilitäten des linearen Stehwellenresonators sind.
  • US 2002/0172253 A1 offenbart einen Festkörperlaser mit mehreren Scheibenlaser-Verstärkermodulen, die in einer sog. Aktivspiegel-Konfiguration angeordnet sind, mit einem Verstärkermedium, einer Kühlvorrichtung zum Kühlen des Verstärkermediums und einer Halterung für das Verstärkermedium. Die Kühlvorrichtung wird von einem Kühlmedium durchströmt. Eine Pumplicht-Refokussierungsoptik ist nicht offenbart.
  • Dieser Laser ist für sehr hohe Laserausgangsleistungen bestimmt, eignet sich jedoch nicht zum Verstimmen einer Ausgangs-Wellenlänge. Zwar ist ein Ringresonator offenbart, in welchem die mehrere Verstärkermodule angeordnet sind, dieser ist jedoch instabil. Zur Unterdrückung höherer TEM-Lasermoden ist ein Strahlaufweitungsteleskop mit zwei konkaven Hohlspiegeln vorgesehen, in deren Brennpunkt eine Blende angeordnet ist.
  • DE 100 54 289 A1 offenbart einen Festkörperlaser mit einem resonatorexternen Laserverstärker. Ein Ausgangsstrahl des Festkörperlasers fällt durch eine Öffnung eines Parabolspiegels in den externen Laserverstärker ein, der von einer Kristallscheibe gebildet wird, die auf einen Kühlfinger montiert ist und von einem Pumplichtstrahl optisch gepumpt wird. Der Pumplichtstrahl wird von dem Parabolspiegel mehrfach auf die Kristallscheibe abgebildet, um die Pumpeffizienz des externen Laserverstärkers zu erhöhen.
  • Die gattungsbildende DE 198 35 107 A1 ( US 6,577,666 B2 ) offenbart ein Laserverstärkungssystem mit einem Festkörperlaser und einer Pumplichtquelle, deren Pumplichtstrahl von einer Refokussierungsoptik mehrfach das Verstärkermedium des Festkörperlasers durchläuft. Der Festkörper liegt mit der rückseitigen Flachseite auf einem Reflektor auf, der seinerseits auf einer Stirnfläche eines Kühlfingers sitzt. Ein unterhalb einer Öffnung der Refokussierungsoptik vorgesehener Spiegel bildet einen Endspiegel eines linearen Laserresonators. Dieser Laser unterliegt aufgrund seines vergleichbaren Aufbaus ähnlichen Beschränkungen, wie diese im Zusammenhang mit der 1 vorstehend diskutiert wurden.
  • US 5,856,996 offenbart ein endgepumptes Lasersystem mit einem linearen Resonator oder einem doppelten Z-Resonator.
  • DE 197 22 943 A1 offenbart einen nicht-planaren Ringlaser.
  • US 5,206,868 offenbart einen resonanten nichtlinearen Laserstrahlwandler. Offenbart werden ferner diverse Resonatorgeometrien.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den vorstehend beschriebenen, gattungsbildenden Laser dahingehend weiter zu bilden, dass sich ein stabiler Dauerbetrieb bei leichter Justierbarkeit und Abstimmbarkeit des Lasers ohne weiteres erzielen lässt. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung soll bei einem solchen Laser auch eine Frequenzvervielfachung in einfacher Weise realisiert werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Laser mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
  • Ein Laser gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Laserverstärker und einen Laserresonator, wobei der Laserverstärker ein scheibenförmiges aktives Medium mit einem Reflektor aufweist, wobei das aktive Medium auf einer Kühlvorrichtung zum Kühlen des aktiven Mediums und des Reflektors sitzt und der Reflektor einen Endspiegel des Laserresonators verkörpert. Der erfindungsgemäße Laser zeichnet sich dadurch aus, dass der Laserresonator als Ringresonator ausgebildet ist, in welchem sich zwei in unterschiedliche Richtungen umlaufende Wellen ausbreiten können, wobei ein optisches Selektionsmittel vorgesehen ist, um eine Ausbreitung von einer der beiden umlaufenden Wellen zu bevorzugen, die als Ausgangs-Laserstrahl auskoppelbar ist.
  • Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich der Laserresonator trotz des üblicherweise eine vergleichsweise komplizierte Pumpgeometrie erfordernden Aufbaus des Laserverstärkers mit im Wesentlichen axialer Ableitung von Wärme von dem aktiven Medium als Ringresonator realisieren lässt, der einen vergleichsweise breiten Stabilitätsbereich aufweist und der insbesondere relativ unanfällig auf eine relative Verkippung bzw. Dejustierung von Spiegeln des Ringresonators ist und sich somit relativ einfach justieren lässt. Bekanntermaßen weisen Ringresonatoren zumindest zwei Strahltaillen (beam waist) auf, sodass erfindungsgemäß zugleich eine Strahltaille mit erhöhter Energiedichte für eine Frequenzvervielfachung der Grundwellenlänge des Lasers in dem Laserresonator (intra cavity) genutzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist der Ringresonator so ausgelegt, dass sich in diesem zwei in unterschiedliche Richtung umlaufende Wellen ausbreiten können. Dabei sorgt ein optisches Selektionsmittel, beispielsweise eine in dem Ringresonator angeordnete optische Diode, dafür, dass die Ausbreitung von einer der beiden umlaufenden Wellen bevorzugt und dementsprechend die Ausbreitung der anderen der beiden umlaufenden Wellen unterdrückt wird, sodass die eine der beiden umlaufenden Wellen als Ausgangs-Laserstrahl auskoppelbar ist. Weil sich in dem Ringresonator keine optische Stehwelle ausbildet, kann ein räumliches Lochbrennen (spatial hole-burning) in dem aktiven Medium vermieden werden. Der erfindungsgemäße Laser zeichnet sich deshalb durch einen vorteilhaft hohen Pumpwirkungsgrad aus. Gleichzeitig ermöglicht der Laser den Betrieb mit nur einer longitudinalen Lasermode (single-frequency). Gleichzeitig können erfindungsgemäß die Vorteile, die sich bei einem Laser mit einem scheibenförmigen aktiven Medium, das auf einem Kühlfinger zur im Wesentlichen axialen Ableitung von entstehender Wärme sitzt, erzielen lassen, auch bei einem Ringresonator erzielen. Insbesondere lassen sich ein praktisch nahezu gaußförmiges Strahlprofil, eine Veränderbarkeit der Pumpleistung ohne Beeinträchtigung der Strahlcharakteristik und der vorstehend beschriebene Einmodenbetrieb ohne weiteres realisieren.
  • Bevorzugt ist das aktive Medium ein dotierter Festkörper-Laserkristall, insbesondere ein mit Seltenerd-Ionen dotierter Wirtskristall, der optisch gepumpt wird. Das aktive Medium weist einen Reflektor auf, der bevorzugt auf eine Rückseite des aktiven Mediums als hochreflektierende Beschichtung aufgebracht ist oder als gesonderter oder mit dem aktiven Medium verbundener Spiegel ausgebildet ist. Der Reflektor kann auch als planer Spiegel ausgebildet sein, oder auch als konkav gewölbter Hohlspiegel, welcher gemeinsam mit dem bevorzugt ebenfalls konkav gewölbten Auskoppelspiegel, der dem Reflektor gegenüberliegt, einen Resonatorabschnitt des Ringresonators ausbildet.
  • Die Kühlvorrichtung ist bevorzugt als Kühlfinger aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet, um als Wärmesenke für in dem aktiven Medium dissipierte Pumplaserleistung zu dienen. An dem dem aktiven Medium abgewandten Ende des Kühlfingers sitzt eine Kühlvorrichtung, um das aktive Medium und den Reflektor durch Ableiten von Wärme im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des aktiven Mediums zu kühlen. Bevorzugt umfasst die Kühlvorrichtung ein thermoelektrisches Kühlelement, beispielsweise ein Peltier-Element.
  • Wie vorstehend ausgeführt, bedingt das scheibenförmige aktive Medium mit dem Reflektor, das auf einer Kühlvorrichtung zum Kühlen des laseraktiven Mediums und des Reflektors sitzt, eine vergleichsweise komplizierte Pumpgeometrie, um einen Pumplichtstrahl dergestalt in das aktive Medium einzukoppeln, dass ein von dem aktiven Medium abgestrahlter Laserstrahl von Elementen der verwendeten Pumpgeometrie nicht beeinträchtigt wird. Besonders bevorzugt ist eine Pumplicht-Refokussierungsoptik vorgesehen, die ausgelegt ist, um ein Pumplicht mehrfach umzulenken und erneut auf das aktive Medium zu fokussieren, um so einen Mehrfachdurchgang des Pumplichts durch das aktive Medium zu bewirken und so die effektive Absorptionslänge in dem aktiven Medium zu vervielfachen. Bevorzugt durchsetzt das umgelenkte und erneut in das aktive Medium fokussierte Pumplicht das aktive Medium im Wesentlichen kollinear oder unter einem vergleichsweise kleinen Winkel zu dem Laserstrahl in dem entsprechenden Resonatorabschnitt des Ringresonators.
  • Bevorzugt umfasst die Pumplicht-Refokussierungsoptik einen das Pumplicht abbildenden bzw. fokussierenden Parabolspiegel, in dessen Brennpunkt bzw. Brennebene das aktive Medium sitzt. Bevorzugt wird das Pumplicht axial versetzt zu dem Laserstrahl in dem entsprechenden Resonatorabschnitt des Ringresonators und unter einem spitzen Winkel zu dem Laserstrahl in den Parabolspiegel eingekoppelt. Prinzipiell kann das Pumplicht unmittelbar auf den Parabolspiegel abgestrahlt werden. Bevorzugt wird das Pumplicht durch eine Glasfaser zu dem Laser geleitet und von dort über einen seitlich versetzt zu dem aktiven Medium angeordneten Einkoppelspiegel in den Parabolspiegel eingekoppelt.
  • Zweckmäßig ist der Parabolspiegel als Hohlspiegel ausgelegt, welcher das aktive Medium im Wesentlichen halbraumförmig umgibt, wobei das aktive Medium in dem Brennpunkt bzw. in der Brennebene des Hohlspiegels angeordnet ist. Der Hohlspiegel kann einstückig ausgebildet sein. Bevorzugt weist der Hohlspiegel eine Mehrzahl von einander diametral gegenüberliegenden Spiegelsegmenten auf, denen jeweils ein Strahlumlenkungsmittel, beispielsweise ein Prismenpaar, zugeordnet ist, um das Pumplicht nach einem Durchgang durch das aktive Medium auf ein anderes Spiegelsegment umzulenken, von wo aus es in der Weise, wie beispielsweise in DE 198 35 107 A1 oder DE 100 05 195 A1 beschrieben, erneut auf das aktive Medium abgebildet und fokussiert wird.
  • Bevorzugt weist der Parabol- bzw. Hohlspiegel eine Öffnung in einem Mittenbereich auf, durch die hindurch sich die eine der beiden umlaufenden Wellen in dem Laserresonator ausbreitet. Position und Öffnungsweite der Öffnung in dem Hohlspiegel sind so ausgelegt, dass die in dem Ringresonator umlaufende Welle unbeeinträchtigt durch die Öffnung hindurchlaufen kann. Die Stehwelle wird an dem Reflektor des aktiven Mediums unter einem bevorzugt spitzen Winkel reflektiert, wobei die Öffnungsweite der unter einem vorgegebenen Abstand zu der Oberfläche des aktiven Mediums befindlichen Öffnung des Hohlspiegels im Wesentlichen zumindest dem Zweifachen der dem Reflexionswinkel entsprechenden Kreisbogenlänge entspricht.
  • Ganz besonders bevorzugt ist der Ringresonator als z-förmig gefalteter Ringresonator ausgelegt, der zwei bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander sich längs erstreckende Resonatorabschnitte umfasst, zwischen denen sich Strahlengänge der in den Ringresonator umlaufenden Welle kreuzen. Vorteilhaft ist, dass die Strahlpropagation in dem Ringresonator mithilfe des bekannten ABCD-Matrizen-Formalismus in einfacher Weise berechnet werden kann, sodass der Laserstrahl in dem Ringresonator nach einem Umlauf wieder auf sich selbst abgebildet werden kann. Z-förmig gefaltete Ringresonatoren zeichen sich durch einen vergleichsweise breiten Stabilitätsbereich aus und sind insbesondere wenig anfällig auf ein Verkippen der Spiegel des Ringresonators, sodass dieser in einfacher Weise justiert werden kann.
  • Einer der beiden Resonatorabschnitte des Ringresonators wird von zwei einander gegenüberliegenden Hohlspiegeln gebildet, zwischen denen sich in bekannter Weise eine Strahltaille ausbildet. Lage und Durchmesser der Strahltaille in dem entsprechenden Resonatorabschnitt können in bekannter Weise durch Wahl des Abstands zwischen den beiden Hohlspiegeln und deren Krümmungsradien vorgegeben werden. Durch entsprechende Fokussierung lassen sich in dem Bereich der Strahltaille hohe Energiedichten erzielen, die für eine effiziente Frequenzvervielfachung in dem Ringresonator verwendet werden können. Zu diesem Zweck ist in dem Bereich der Strahltaille bevorzugt ein Frequenzvervielfacher-Kristall angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind der Reflektor des aktiven Mediums und/oder die den Laserresonator ausbildenden Spiegel mit einer hochreflektierenden Beschichtung bei der Grundwellenlänge des aktiven Mediums und einer frequenzvervielfachten Harmonischen dieser Grundwellenlänge versehen. Somit läuft eine Welle bei der Grundwellenlänge in dem Ringresonator um und wird die frequenzverdoppelte bzw. frequenzvervielfachte Welle von dem Auskoppelspiegel in Entsprechung zu dem durch die Reflektivität des Auskoppelspiegels vorgegebenen Auskopplungsgrad aus dem Ringresonator ausgekoppelt.
  • Diese Auskopplung kann durch einen der beiden die Strahltaille zur Frequenzvervielfachung ausbildenden Hohlspiegel bewerkstelligt werden. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Grundwellenlänge und die Harmonische der Grundwellenlänge an unterschiedlichen Spiegeln des Ringresonators ausgekoppelt. Ganz besonders bevorzugt wird die Grundwellenlänge an einem der beiden die Strahltaille umgebenden Hohlspiegel ausgekoppelt, während die Harmonische der Grundwellenlänge an einem dem Reflektor des aktiven Mediums gegen überliegenden Umlenkspiegel ausgekoppelt. Ganz besonders bevorzugt ist der Ringresonator dergestalt z-förmig gefaltet, dass an dem Hohlspiegel und dem Endspiegel zwei Ausgangs-Laserstrahlen im Wesentlichen parallel zueinander versetzt abgestrahlt bzw. ausgekoppelt werden.
    •
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben für den Fachmann erkennbar ergeben werden und worin:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Lasers mit linearem Laserresonator gemäß dem Stand der Technik darstellt;
  • 2 in einem Blockdiagramm einen Laser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 in einem Blockdiagramm einen Laser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 4 eine Durchstimmkurve eines erfindungsgemäßen Lasers bei der Grundwellenlänge darstellt; und
  • 5 in einem Blockdiagramm einen Laser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.
  • Die 2 zeigt in einem Blockdiagramm einen Laser mit Ringresonator gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der insgesamt mit 1 bezeichnete Laser umfasst einen Laserverstärker 2 und einen Ringresonator 10. Der Laserverstärker 2 wird in der in Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Weise von dem auf einem Kühlfinger 4 sitzenden aktiven Medium 3 mit dem Reflektor (nicht dargestellt) und dem Parabol- bzw. Hohlspiegel 7 gebildet, der das von der Glasfaser 5 abgestrahlte Pumplicht, das über den seitlich versetzt zu dem aktiven Medium 3 sitzenden Einkoppelspiegel 6 eingekoppelt wird, mehrfach umlenkt und erneut auf das aktive Medium 3 fokussiert. In der 2 sind schematisch nur zwei Pumplicht-Strahlzweige 9a, 9b dargestellt, wenngleich mithilfe des Hohlspiegels 7 und nicht dargestellter Umlenkeinrichtungen, beispielsweise Umlenkprismen, ein 24-facher Durchgang des Pumplichts durch das aktive Medium 3 bewirkt wird.
  • Wie in der 2 dargestellt, bilden das aktive Medium 3 mit dem Reflektor einen Teilabschnitt eines insgesamt z-förmig gefalteten Ringresonators 10. Der Ringresonator 10 umfasst den ersten Resonatorabschnitt 21 zwischen dem Reflektor des aktiven Mediums 3 und dem planen Umlenkspiegel 13 sowie den zweiten Resonatorabschnitt 22 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden konkav gewölbten Hohlspiegeln 11, 12. Zwischen den beiden Hohlspiegeln 11, 12 wird in bekannter Weise eine Strahltaille 23 ausgebildet. Wie in der 2 dargestellt, verlaufen die beiden Resonatorabschnitte 21, 22 im Wesentlichen parallel zueinander. Von dem Hohlspiegel 11 reflektiertes Laserlicht wird zurück auf das aktive Medium 3 und den Reflektor abgebildet. Eine als optisches Selektionsmittel dienende optische Diode 17, die in dem ersten Resonatorabschnitt 21 angeordnet ist, unterdrückt die Ausbreitung einer im Gegenuhrzeigersinn in dem Ringresonator 10 umlaufenden Welle und bevorzugt die Ausbreitung einer im Uhrzeigersinn in dem Ringresonator 10 umlaufenden Welle. Der als Auskoppelspiegel dienende Hohlspiegel 11 ist teildurchlässig für die Grundwellenlänge des Laserverstärkers 2, um den mit 19 bezeichneten Ausgangs-Laserstrahl bei der Grundwellenlänge auszukoppeln.
  • Wie in der 2 gezeigt, wird zwischen dem von dem Hohlspiegel 11 auf das aktive Medium 3 reflektierten Strahl und dem ersten Resonatorabschnitt 21 ein spitzer Winkel eingeschlossen. Das aktive Medium 3 mit dem Reflektor und der Hohlspiegel 7 sind um den halben spitzen Winkel relativ zu dem ersten Resonatorabschnitt 21 verkippt. Zum Erzielen eines möglichst kleinen Astigmatismus wird der Winkel, welchen der von dem Hohlspiegel 11 auf das aktive Medium 3 reflektierte Strahl und der erste Resonatorabschnitt 21 miteinander einschließen, gering gewählt, beispielsweise im Bereich von etwa 2 bis 10°.
  • Wie in der 2 gezeigt, ist die Öffnungsweite der in dem Hohlspiegel 7 ausgebildeten Öffnung 8 zumindest so groß wie die durch die entsprechende Faltung des Ringresonators 10 in dem Bereich des Hohlspiegels 7 festgelegte Kreisbogenlänge. Somit können Beugungsverluste der in dem Ringresonator 10 umlaufenden Laserwelle durch die Öffnung 8 vermieden werden.
  • Weil sich in dem Ringresonator 10 keine optische Stehwelle ausbilden kann, kann ein räumliches Lochbrennen in dem aktiven Medium 3 wirksam unterdrückt werden. Der Ringresonator 10 zeichnet sich durch einen weiten Stabilitätsbereich aus, sodass der Laser 1 in einfacher Weise justiert werden kann und insbesondere relativ unanfällig gegen ein Verkippen der den Ringresonator 10 ausbildenden Spiegel 11 bis 13 und des Reflektors (nicht dargestellt) des aktiven Mediums 3 ist. Der Ringresonator 10 ist auch wenig anfällig gegen eine thermische Ausdehnung. Zum Reduzieren der thermischen Ausdehnung können die den Ringresonator 10 festlegenden optischen Elemente, insbesondere die Spiegel 11 bis 13 und das aktive Medium 3 mit dem Reflektor, auf einem Block aus einem Nullausdehnungsmaterial, beispielsweise aus Invar, montiert sein. Eine Längenstabilisierung des Ringresonators 10 ist grundsätzlich nicht erforderlich, kann aber auch vorgesehen sein, beispielsweise durch Montage des Hohlspiegels 11 auf eine Spiegelhalterung mit einem in Längsrichtung des zweiten Resonatorabschnittes 22 längs verschiebbaren Piezo-Aktuators.
  • Zur Wellenlängen- und Modenselektion können weitere optische Elemente in dem Ringresonator 10 angeordnet sein. Dies ist beispielhaft in der 3 dargestellt, die einen Laser gemäß einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß der 3 sind in dem ersten Resonatorabschnitt 21 ein Etalon 14 zur Selektion einer der longitudinalen Moden des Ringresonators 10 in dem Verstärkungsbereich des aktiven Mediums 3 und ein verstellbarer Lyot-Filter 16 zum Durchstimmen der Laserwellenlänge des Lasers 1 angeordnet. In dem Bereich der Strahltaille 23 in dem zweiten Resonatorabschnitt 22 ist ein Frequenzvervielfacher-Kristall 18 angeordnet. Zur Phasenanpassung zwischen der Grundwellenlänge des Ringresonators 10 und der Harmonischen, insbesondere der zweiten Harmonischen, der Grundwellenlänge wird der Kristall mittels einer Temperaturregelung auf eine geeignete Temperatur beheizt. Selbstverständlich kann auch eine Phasenanpassung durch Kühlung des Kristalls 18 oder durch Winkelverstellung desselben erzielt werden.
  • Das Verhältnis der ausgekoppelten Leistung bei der Grundwellenlänge und der Leistung bei der Harmonischen der Grundwellenlänge wird durch die Reflektivität des als Auskoppelspiegel dienenden Hohlspiegels 11 festgelegt und kann durch geeignete Variation der Reflektivität des Hohlspiegels 11 bei der Grundwellenlänge und bei der Harmonischen der Grundwellenlänge geeignet variiert werden. Somit können beispielsweise durch den Hohlspiegel 11 zwei kollinear zueinander verlaufende Ausgangs-Laserstrahlen 19, 20 bei der Grundwellenlänge und der Harmonischen der Grundwellenlänge ausgekoppelt werden. Wird die Reflektivität des Hohlspiegels 11 bei der Grundwellenlänge jedoch sehr hoch gewählt, so wird praktisch kein Laserlicht bei der Grundwellenlänge ausgekoppelt, sondern nur Licht bei der Harmonischen der Grundwellenlänge.
  • Zur einfacheren Justierung des Ringresonators 10 können der Reflektor des aktiven Mediums 3 und die Spiegel 11 bis 13 auch bei der Harmonischen der Grundwellenlänge hochreflektierend sein. Wenngleich eine optische Diode 17 in dem Ringresonator 10 angeordnet ist, wird es bevorzugt, wenn die in dem Ringresonator 10 befindlichen optischen Elemente 17, 14, 16 und 18 bei der Grundwellenlänge antireflexbeschichtet sind. Eine Antireflex-Beschichtung der optischen Elemente 17, 14, 16 und 18 kann auch bei der Harmonischen der Grundwellenlänge vorgesehen sein.
  • Die 4 zeigt schematisch die Durchstimmkurve eines Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung. Als aktives Medium wird ein Yb:YAG-Kristall verwendet, mit einer maximalen Lasereffizienz bei einer Ausgangswellenlänge von etwa 1030 nm. Der Laser wurde mit einem Pumplicht mit einer Leistung von etwa 140 W bei einer Pumpwellenlänge von etwa 940 nm und einer Fokuslänge des Hohlspiegels 7 von etwa 32,5 mm gepumpt, um eine Ausgangsleistung von 50 W bei einer Ausgangswellenlänge von etwa 1030 nm zu erzielen. Die 4 zeigt, dass der erfindungsgemäße Laser über einen Wellenlängenbereich von etwa 60 nm um die Zentralwellenlänge von etwa 1030 nm herum kontinuierlich durchgestimmt werden kann.
  • Die 5 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm einen Laser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß der 5 dient der Endspiegel 13 des ersten Resonatorabschnitts 21 als Auskoppelspiegel für die Grundwellenlänge und dient der Hohlspiegel 11 des zweiten Resonatorabschnitts 22 als Auskoppelspiegel für die Harmonische der Grundwellenlänge, insbesondere die zweite Harmonische der Grundwellenlänge im Bereich von etwa 515 nm bei dem Yb:YAG-Kristall. Wie in der 5 gezeigt, ist der Ringresonator 10 so gefaltet, dass die beiden Ausgangs-Laserstrahlen 19, 20 im Wesentlichen parallel zueinander versetzt von dem Laser 1 abgestrahlt werden. Dies erleichtert eine Justierung des Lasers 1 im Einsatz.
  • Wenngleich vorstehend beschrieben wurde, dass das aktive Medium 3 ein Yb:YAG-Kristall ist, wird dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sein, dass beliebige andere Festkörper-Lasermaterialien zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Laser geeignet sind, beispielsweise Nd:YAG. Die im Wesentlichen z-förmig gefaltete Resonatorgeometrie mit zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Resonatorabschnitten kann um weitere Resonatorabschnitte ergänzt werden.
  • Bevorzugte Laserparameter können beispielhaft wie folgt zusammengefasst werden: das aktive Medium ist als dünne Scheibe bzw. Laserkristall mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einer Dicke von etwa 240 μm ausgebildet und auf einen Kühlfinger aufgesetzt, dessen Temperatur auf einen vorgegebenen Wert mit einer Maximalabweichung von etwa 0,1°C geregelt wird. Eine solche Pumpgeometrie zeichnet sich durch eine geringe Neigung zur thermischen Linsenbildung aus, weil die Wärme homogen und kollinear zu der optischen Achse, d.h. im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des aktiven Mediums, abgeleitet wird. Als Folge weist der ausgekoppelte Laserstrahl eine nahezu perfekte Gauß-Form mit einem M2-Wert von etwa 1,0 bis etwa 1,1 auf, und zwar unabhängig von der tatsächlich verwendeten Pumpleistung. Deshalb kann der ausgekoppelte Laserstrahl auf Strahlflecken mit geringem Durchmesser fokussiert werden.
  • Für einen Yb:YAG-Kristall lässt sich mit einem optischen Etalon und einem Lyot-Filter, der in dem Ringresonator angeordnet ist, eine Abstimmbarkeit der Ausgangswellenlänge in einem Band von mehr als 60 nm um die Zentralwellenlänge von 1030 nm realisieren, und zwar in einem Single-Mode-Betrieb des Lasers. Ausgangs-Laserleistungen im Bereich von etwa 10 W bis etwa 100 W bei einem perfekt gaußförmigen Strahlprofil konnten erzielt werden. Der Laser konnte in einem TEM00-Betrieb betrieben werden. Der Krümmungsradius des Hohlspiegels 12 betrug beispielsweise 200 mm, der Krümmungsradius des Hohlspiegels 11 betrug beispielsweise 200 mm, wobei die beiden Hohlspiegel 11, 12 bevorzugt unter einem Abstand von etwa 210 mm angeordnet waren. Die Länge des ersten Resonatorabschnittes 21 betrug etwa 400 mm, der Öffnungswinkel zwischen dem von dem Hohlspiegel 11 auf das aktive Medium 3 reflektierten Strahl und dem ersten Resonatorabschnitt 21 betrug vorzugsweise etwa 12°.
  • Wenngleich vorstehend nicht beschrieben, wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass der erfindungsgemäße Laser auch für einen gepulsten bzw. quasi-kontinuierlichen Laserbetrieb geeignet ist, beispielsweise durch Vorsehen einer Güteschaltung (Q-switch) oder eines akustooptischen oder elektrooptischen Modulators zur aktiven Modenkopplung innerhalb des Ringresonators 10.

Claims (17)

  1. Laser, umfassend einen Laserverstärker (2) und einen Laserresonator (10), wobei der Laserverstärker (2) ein scheibenförmiges aktives Medium (3) mit einem Reflektor aufweist, wobei das aktive Medium (3) auf einer Kühlvorrichtung (4) zum Kühlen des aktiven Mediums und des Reflektors sitzt, der Reflektor einen Spiegel des Laserresonators (10) verkörpert, wobei der Laserverstärker (2) eine Pumplicht-Refokussierungsoptik (7) umfasst, die ausgelegt ist, um ein Pumplicht (9a, 9b) mehrfach umzulenken und erneut auf das aktive Medium (3) zu fokussieren, um einen Mehrfachdurchgang des Pumplichts (9a, 9b) durch das aktive Medium (3) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator (10) als Ringresonator ausgebildet ist, in welchem sich zwei in unterschiedliche Richtungen umlaufende Wellen ausbreiten können, wobei ein optisches Selektionsmittel (17) vorgesehen ist, um eine Ausbreitung von einer der beiden umlaufenden Wellen zu bevorzugen, die als Ausgangs-Laserstrahl (19) auskoppelbar ist.
  2. Laser nach Anspruch 1, bei dem die Pumplicht-Refokussierungsoptik einen das Pumplicht (9) abbildenden bzw. fokussierenden Parabolspiegel (7) umfasst.
  3. Laser nach Anspruch 2, bei dem der Parabolspiegel bevorzugt eine Mehrzahl von Spiegelsegmenten umfasst, wobei der Parabolspiegel eine Öffnung (8) aufweist, durch die hindurch sich die eine der beiden umlaufenden Wellen in dem Laserresonator (10) ausbreitet.
  4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Reflektor von einer auf einer Rückseite des aktiven Mediums (3) aufgebrachten Reflexionsbeschichtung gebildet ist.
  5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlvorrichtung (4) ein Kühlfinger ist, um Wärme im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des aktiven Mediums (3) abzuleiten.
  6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das optische Selektionsmittel eine optische Diode (17) ist.
  7. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserresonator (10) ein z-förmig gefalteter Ringresonator ist, umfassend einen ersten (21) und einen zweiten (22) Resonatorabschnitt, wobei sich Strahlengänge der einen umlaufenden Welle zwischen den beiden Resonatorabschnitten (21, 22) kreuzen.
  8. Laser nach Anspruch 7, bei dem der erste Resonatorabschnitt (21) von dem aktiven Medium (3) mit dem Reflektor und einem Umlenkspiegel (13) gebildet wird.
  9. Laser nach Anspruch 7 oder 8, bei dem in dem ersten Resonatorabschnitt (21) wahlweise das optische Selektionsmittel (17) und/oder ein Wellenlängenselektionsmittel (16) und/oder ein Modenselektionsmittel (14) zum Selektieren einer longitudinalen Mode des Laserresonators (10) angeordnet ist.
  10. Laser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der zweite Resonatorabschnitt (22) von zwei einander gegenüber liegenden Hohlspiegeln (11, 12) gebildet wird, zwischen denen eine zweite Strahltaille gebildet wird.
  11. Laser nach Anspruch 10, bei dem in einem Bereich (23) der zweiten Strahltaille ein Frequenzvervielfacher-Kristall (18) angeordnet ist.
  12. Laser nach Anspruch 11, bei dem der Reflektor und/oder die den Laserresonator (10) ausbildenden Spiegel (11-13) mit einer hoch reflektierenden Beschichtung bei einer Grundwellenlängelänge und einer frequenzvervielfachten Harmonischen der Grundwellenlänge versehen sind.
  13. Laser nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem einer (11) der beiden den zweiten Resonatorabschnitt (22) bildenden Hohlspiegel als Auskoppelspiegel für einen Ausgangs-Laserstrahl (19) bei einer Grundwellenlänge ausgelegt ist.
  14. Laser nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der den ersten Resonatorabschnitt (21) bildende Umlenkspiegel (13) als Auskoppelspiegel für einen Ausgangs-Laserstrahl (20) bei einer Harmonischen der Grundwellenlänge ausgelegt ist.
  15. Laser nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem der Laserresonator (10) so gefaltet ist, dass die beiden Ausgangs-Laserstrahlen (19, 20) im Wesentlichen parallel zueinander versetzt abgestrahlt werden.
  16. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das aktive Medium (3) ein Yb:YAG-Kristall ist.
  17. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserresonator (10) aktiv modengekoppelt ist, um Laserimpulse abzustrahlen.
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