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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen transversal optisch gepumpten
Festkörperlaser
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Festkörperlaser
eignen sich beispielsweise für
die Spektroskopie zur Detektierung von Spurengasen oder Elementen,
die bei ganz bestimmten Wellenlängen
auf Licht individuell reagieren. Spektrometer können dazu dienen, Brände zu detektieren oder
gesundheitsschädliche
Stoffe in der Luft frühzeitig
zu erkennen. Dies ist insbesondere in Flugzeugen von großer Bedeutung.
Zu diesem Zweck werden in Flugzeugen beispielsweise lonenmobilitätsspektrometer
eingesetzt, wobei die in der Luft enthaltenen Moleküle zunächst mittels
Laserstrahlung ionisiert werden, anschließend über ein Potentialgefälle beschleunigt
werden und schließlich
ihr zeitliches Auftreffen auf einem Kollektor erfasst und ausgewertet wird.
Die Laserstrahlung zur Ionisierung der Moleküle kann dazu mittels optisch
gepumpten Festkörperlasern
erzeugt werden, die im Dauerstrichbetrieb oder gepulst betrieben
werden.
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Kritische
Faktoren beim Flugzeugbau sind die Größe und das Gewicht der Bordsysteme
im Verhältnis
zu dem damit erzielbaren Leistungsergebnis. Demzufolge sind alle
Systeme und ihre Komponenten in Flugzeugen möglichst klein und leicht bei
relativ hoher Leistung auszulegen. Dies betrifft auch die Dimensionierung
eines Festkörperlasers,
der beispielsweise zu den genannten Zwecken in einem Spektrometer
Verwendung findet.
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Zum
optischen Pumpen von Festkörperlasern
werden häufig
Laserdioden in ein- oder zweidimensionaler Arrayanordnung eingesetzt.
Die besonderen Vorteile von Laserdioden liegen in ihrer kompakten
Bauform, ihrer im Vergleich zur geringen Größe extrem hohen Ausgangsleistung,
ihrer Robustheit und ihrer Zuverlässigkeit. Laserdioden emittieren über einen
sehr schmalen Wellenlängenbereich,
der bei gängigen
Laserdioden irgendwo zwischen 0,8 μm und 1,1 μm liegt. Dadurch eignen sie
sich besonders als effiziente optische Pump strahlungsquelle in Festkörperlasern,
zum Beispiel in Nd:YAG-Lasern, da sie exakt auf das Absorptionsband
des dielektrischen Festkörperlaserkristalls
abgestimmt werden können. Der
Festkörperlaser
emittiert dann kohärentes,
fokussiertes, hochenergetisches Licht.
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Problematisch
ist dabei die Einkopplung der stark divergenten Laserdioden-Pumpstrahlung in
das möglichst
klein zu haltende Modenvolumen des in der Regel stabförmigen Festkörperlaserkristalls.
Um eine hohe Effizienz und Strahlqualität der Strahlung des Festkörperlasers
zu erzielen, ist es wesentlich, dass die Pumpstrahlung des Laserdiodenarrays
das Modenvolumen des Laserstabs nicht nur möglichst vollständig sondern über die
Länge des
Laserstabs auch möglichst
gleichmäßig absorbiert
wird.
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Es
ist bekannt, die Pumpstrahlung des Laserdiodenarrays longitudinal über ein
axiales Ende des Laserstabs und/oder transversal über die
Seitenflächen
des Laserstabs einzukoppeln. Eine kompakte Bauform lässt sich
mittels eines den Laserstab koaxial umgebenden Reflektors erreichen, über den
die Pumpstrahlung mehrfach transversal durch den Laserstab hin und
her reflektiert wird. Ein derart aufgebauter Festkörperlaser
ist beispielsweise aus der Veröffentlichung "Virtual Point Source
Clad Pumping of Solid State Lasers" von Ueda und Uehara bekannt, die im
Umdruck zum Advanced Solid-State Lasers Topical Meeting, 07. bis
10. Februar 1994, Salt Lake City, auf Seite 83 ff veröffentlicht
ist (siehe dort 1).
Bei dem daraus bekannten Aufbau wird die Pumpstrahlung in einem
koaxial zum Laserstab angeordneten Laserdiodenarray erzeugt. Die
Strahlung fällt
zunächst
parallel zur optischen Achse des Laserstabs auf einen den Laserstab
umgebenden konischen Spiegel und wird von diesem unter einem Winkel
zur optischen Achse durch den Laserstab hindurch abgelenkt. Im weiteren
Verlauf wird die Pumpstrahlung in einem zylindrischen, den Laserstab
koaxial umschließenden
Reflektor unter Beibehaltung des Strahlungswinkels entlang der Laserstabachse hin
und her reflektiert, wodurch die Pumpstrahlung nach und nach im
Lasermodenvolumen absorbiert wird. Da die Pumpstrahlungsintensität am entfernt liegenden
axialen Ende des Laserstabs nur noch einen Bruchteil der am Eingangsende
eingestrahlten Pumpstrahlungsintensität beträgt, ist die optische Anregung
des Festkörperlasermaterials
nicht über die
gesamte Laserstablänge
homogen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen transversal gepumpten
Festkörperlaser entlang
dessen optischer Achse möglichst
homogen optisch anzuregen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch den transversal optisch gepumpten Festkörperlaser gemäß Patentanspruch
1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung.
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Der
erfindungsgemäße, transversal
optisch gepumpte Festkörperlaser
umfasst ein Festkörperlasermaterial
mit einer optischen Achse, eine Strahlungsquelle zur Anregung des
Festkörperlasermaterials
mittels Pumpstrahlung und einen Reflektor mit Reflektorflächen, die
zur optischen Achse des Festkörpers
versetzt derart angeordnet sind, dass sie die Pumpstrahlung durch
Reflexion mehrfach transversal durch das Festkörperlasermaterial entlang der optischen
Achse leiten, wobei bedingt durch die Anordnung der Reflektorflächen der
Winkel der mehrfach reflektierten Pumpstrahlung bezogen auf die
optische Achse zumindest entlang einem Teil der optischen Achse
steiler wird.
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Durch
die besondere Anordnung der Reflektorflächen wird der Winkel, mit dem
die Pumpstrahlung, entlang der optischen Achse zwischen den Reflektorflächen hin
und her reflektiert wird, zunehmend steiler. Berücksichtigt man die exponentiell
abfallende Intensität
der Pumplichtstrahlung bei Mehrfachkreuzung des Lasermaterials d.h.,
in der Regel ein Laserstab, so wird durch den steileren Einfallswinkel das
von der Pumpstrahlung überstrichene
Raumsegment des Laserstabs zunehmend kürzer, so dass die pro Volumen
absorbierte Pumpstrahlungsleistung trotz abnehmender Pumpstrahlungsintensität dennoch
nahezu konstant gehalten werden kann. Aufgrund des dadurch erzielten
geringeren Absorptionsgradienten entlang der optischen Achse des
Laserstabs läßt sich
eine relativ homogene Verteilung der Pumpstrahlungsintensität entlang
der Laserstabachse einstellen. Insgesamt lässt sich dadurch die Strahlqualität des Lasers
verbessern.
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Die
Reflektorflächen
des Reflektors wirken dabei wie ein optischer Trichter. Dieser optische Trichter
ist vorzugsweise als konusförmiger
Wellenleiter ausgebildet, der sich entlang der optischen Achse um
den Laserstab erstreckt. Dadurch wird die Fokussierung der Pumpstrahlung
auf die optische Achse des Laserstabs erreicht.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn der konusförmige Wellenleiter einen ovalen
Querschnitt zumindest entlang einem Teil der optischen Achse besitzt.
Damit wird berücksichtigt,
dass die Pumpstrahlung der Laserdioden normalerweise in ortogonal
zueinander stehenden Richtungen unterschiedlich divergieren. Durch
den ovalen Querschnitt wird die Pumpstrahlung trotz unterschiedlicher
Divergenz auf die optische Achse des Laserstabs reflektiert. Im
weiteren Verlauf des Wellenleiters ändert sich der ovale Querschnitt
dann vorzugsweise zu einem kreisförmigen Querschnitt.
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Gemäß einer
besonders einfachen Ausführungsform
der Erfindung kann der Reflektor auch aus zwei oder mehr Reflektorplatten
gebildet sein, die bezogen auf die optische Achse des Laserstabs
einander gegenüberliegen
und entlang der optischen Achse aufeinander zulaufen. Zumindest
quer zur optischen Achse des Laserstabs sollten die einander gegenüberliegenden
Reflektorflächen
parallel zueinander verlaufen, so dass die Pumpstrahlung bei ihrer Ausdehnung
entlang der optischen Achse mehrfach zwischen den Reflektorflächen reflektiert
wird. Der Querschnitt des Reflektors senkrecht zur optischen Achse
des Laserstabs kann insbesondere polygonförmig sein, so dass die Pumpstrahlung
in jedem Fall wieder zum zentral angeordneten Laserstab zurückgeworfen
wird.
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Vorzugsweise
wird die Pumpstrahlung dem Reflektor in einer Richtung parallel
zur optischen Achse des Laserstabs zugeführt. Das heißt, die Hauptstrahlungsrichtung
der divergent strahlenden Strahlungsquelle liegt parallel und vorzugsweise
koaxial zur optischen Achse des Laserstabs. Dadurch ist eine raumsparende
Anordnung der Strahlungsquelle und optimale Einkopplung der Pumpstrahlung in
den Reflektor möglich.
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Andererseits
ist die Erfindung auch in solchen Fällen anwendbar, bei denen die
Strahlungsquelle bauartbedingt seitlich an den Reflektor angekoppelt
werden muss. In diesem Fall erfolgt die Einkopplung der Pumpstrahlung
unter einem Winkel zur optischen Achse des Laserstabs. Zu diesem
Zweck besitzt der Reflektor vorzugsweise einen für die Pumpstrahlung transparenten
Bereich, durch den hindurch die Pumpstrahlung in den Reflektor eingekoppelt
werden kann.
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Wenn
der Einkoppelwinkel der Pumpstrahlung zu den Reflektorflächen des
Reflektors derart flach ist, dass die Reflexion der Pumpstrahlung
an den Reflektorflächen
auf Grenzflächen-Totalreflexion basiert,
kann der Reflektor auch vollständig
oder zumindest über
eine längere
Strecke entlang der optischen Achse des Laserstabs für die Pumpstrahlung transparent
sein. Soweit im weiteren Verlauf der optischen Achse der Einfallswinkel
der Pumpstrahlung aufgrund der mehrfachen Reflexion an den Reflektorflächen derart
steil wird, dass es zu einer Grenzflächen-Totalreflexion nicht mehr
kommt, wird es bevorzugt, den entsprechenden Bereich der Reflektorflächen mit
einer optisch reflektierenden Beschichtung zu versehen. Die optisch
reflektierende Beschichtung kann sich auch über die gesamte Reflektorfläche erstrecken.
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Der
Reflektor selbst ist vorzugsweise ein Vollkörper mit einer Aussparung zur
Aufnahme des Laserstabs. Die im Laserstab erzeugte Wärme kann über das
Reflektormaterial nach außen
abgeleitet werden. Dies ist gegenüber einem zwischen dem Laserstab
und dem Reflektor verbleibenden Luftspalt effektiver, weil ein solcher
Luftspalt wärmeisolierend wirken
würde.
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Andererseits
sieht eine alternative Ausführungsform
einen als Hohlkörper
ausgebildeten Reflektor vor, in dem der Laserstab und ein den Laserstab
um gebendes Kühlmedium
aufgenommen sind. Durch diese Bauweise lässt sich eine besonders effektive
Kühlung
des Laserstabs erreichen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben,
in denen
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1 den
generellen Aufbau einer Laseranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung schematisch in einer Schnittansicht zeigt;
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2 einen
kegelförmigen
Reflektor aus Vollmaterial mit darin eingesetztem Laserstab zeigt;
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3 den
Reflektor gemäß 2,
jedoch mit polygonförmigem
Querschnitt zeigt;
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4 den
Reflektor gemäß 2,
jedoch als mit Kühlflüssigkeit
gefüllten
Hohlkörper
zeigt; und
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5 den
Reflektor aus 2 mit für die Pumpstrahlung transparentem
seitlichen Einkoppelbereich zeigt.
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1 zeigt
schematisch im Schnitt beispielhaft die Anordnung eines transversal
optisch gepumpten Festkörperlasers.
Diese Anordnung umfasst als Festkörperlasermaterial einen zylindrischen Laserstab 1 mit
einer optischen Achse 2 und zwei auf der optischen Achse 2 liegende
Resonatorspiegel 3 und 4. Das Festkörperlasermaterial 1 wird
mittels den Laserstab transversal durchdringender Pumpstrahlung 5 zur
Eigenstrahlung angeregt. Als Strahlungsquelle für die Pumpstrahlung 5 dient
ein zweidimensionales Laserdiodenarray 6, dessen Hauptstrahlungsrichtung
parallel zur optischen Achse 2 liegt. Ein in Richtung der
optischen Achse (in 1 nach rechts) kegelförmig zulaufender
Reflektor 7 umschließt
den Laserstab 1 koaxial zur optischen Achse 2.
Die Pumpstrahlung 5 des Laserdiodenarrays 6 wird,
sofern sie nicht unmittelbar in longitudinaler Richtung in das stirnseitige
Ende des Laserstabs 1 eintritt, von den Reflektorflächen 8 des
Reflektors 7 derart reflektiert, dass sie den Laserstab 1 in
einer transversalen Richtung schräg zur optischen Achse 2 durchläuft. Durch
Mehrfachreflexion der Pumpstrahlung 5 an den Reflektorflächen 8 wird
erreicht, dass die Pumpstrahlung 5 so häufig durch den Laserstab 1 reflektiert
wird, bis sie vollständig
im Laserstab 1 absorbiert worden ist.
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Das
Laserdiodenarray kann beispielsweise ein typischer Hochleistungsdiodenlaser-Stapel
mit 1 kW Leistung sein, und das Festkörperlasermaterial des Laserstabs 1 kann
ein typischer Laserkristall sein. Auf der optischen Achse sind noch
ein passiver Cr:YAG-Güteschalter 9 und
eine Modenblende 10 vorgesehen. Zwischen dem Eintrittsresonatorspiegel 3 und
dem Laserdiodenarray 6 können zusätzlich ein oder mehrere Kollimatorlinsen
vorgesehen sein, um die divergente Laserdiodenstrahlung vor Eintritt
in den Reflektor 7 zu einem parallelen Strahlenbündel zu
kollimieren. Die Diodenstrahlung kann auch mittels eines Bündels von
Lichtwellenleitern als kollimierte Strahlung durch den Resonatorspiegel 3 in den
Reflektor 7 eingekoppelt werden.
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1 zeigt
beispielhaft die divergent aus einer Laserdiode des Laserdiodenarrays 6 austretende Strahlung,
wobei der mehrfach an den Reflektorflächen 8 reflektierte
Verlauf nur eines der divergenten Strahlen dargestellt ist. Aufgrund
des sich entlang der optischen Achse 2 konisch verjüngenden
Querschnitts des Reflektors 7 wird der Winkel des Pumpstrahls 5 relativ
zur optischen Achse 2 mit jeder Reflexion an den Reflektorflächen 8 steiler.
Dies kann sogar zur Umkehrung der Pumpstrahlung führen, sofern
die Pumpstrahlung bis zu diesem Zeitpunkt nicht vollständig im
Laserstab 1 absorbiert worden ist. Zwar nimmt die Pumpstrahlungsintensität aufgrund der
Absorption im Laserstab 1 mit jeder Reflexion ab. Da aber
der Abstand zwischen den Durchtrittsstellen des Pumpstrahls 5 durch
den Laserstab 1 mit jeder Reflexion abnimmt, gleicht sich
dieser Effekt zumindest teilweise aus. Im Ergebnis wird dadurch
erreicht, dass der Laserstab 1 trotz der entlang der optischen Achse 2 abnehmenden
Pumpstrahlungsintensität
homogen gepumpt wird, da die Pumpstrahlung 5 den Laserstab 1 in
Richtung der optischen Achse 2 in immer kürzeren Abständen durchdringt.
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In
den 2 bis 5 sind verschiedene Bauformen
des Reflektors 7 gezeigt. 2 zeigt
einen kegelförmigen
Reflektor 7 aus einem für
die Pumpstrahlung transparenten Vollmaterial mit einer Aussparung 11,
in der der Laserstab 1 passgenau eingesetzt ist, so dass
die im Laserstab erzeugte Wärme
leitend auf das Material des Reflektors 7 übertragen
und abgelenkt wird.
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3 zeigt
einen ebenfalls in Richtung der optischen Achse zulaufenden Reflektor 7,
der jedoch einen polygonförmigen
Querschnitt mit einander gegenüberliegenden
Reflektorflächen
besitzt. Der Reflektor 7 kann in diesem Fall aus keilförmig angeordneten
ebenen Platten gebildet sein. Die Platten können aber auch in Richtung
der optischen Achse 2 gekrümmt sein, um den Reflexionswinkel
der Pumpstrahlung entlang der optischen Achse 2 in bestimmter
Weise zu beeinflussen.
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4 zeigt
einen als Hohlkörper
ausgebildeten Reflektor 7, in dem der Laserstab 1 umgeben
von einem Kühlfluid,
wie beispielsweise H2O, in zentraler Lage
angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen der Reflektorfläche 8 und
dem Laserstab 1 kann mit dem Kühlmedium gefüllt sein,
wird vorzugsweise aber mit dem Kühlmedium
durchspült,
um eine möglichst
effiziente Kühlung
des Laserstabs 1 zu erzielen.
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Während die
bisher beschriebene Laseranordnung eine quasi-longitudinale Pumpstrahlungseinkopplung
betraf, bei der die Hauptstrahlungsrichtung der Pumpquelle parallel
zur optischen Achse 2 des Laserstabs 1 liegt und
der größte Teil
der Pumpstrahlung 5 dennoch mittels des Reflektors 7 transversal
durch den Laserstab 1 geleitet wird, ist es auch möglich, die
Pumpstrahlung in einem Winkel zur optischen Achse 2 in
den Reflektor einzukoppeln. Ein Beispiel dazu zeigt 5.
Ein Bereich 12 des Reflektors 7 ist für die Pumpstrahlung 5 transparent,
so dass die Pumpstrahlung 5 durch diesen Bereich 12 in den
Reflektor 7 einkoppelbar ist. Im übrigen weist die Oberfläche des
Reflek tors 7 eine die Pumpstrahlung 5 reflektierende
Beschichtung auf. Auch die Ausführungsbeispiele
gemäß den 1 bis 4 weisen vorzugsweise
eine solche Reflexionsbeschichtung auf. Auf eine optische Reflexionsbeschichtung
kann jedoch verzichtet werden, soweit durch Grenzflächen-Totalreflexion
ein Austritt der Pumpstrahlung aus dem Reflektor 7 ausgeschlossen
werden kann.
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Die
beschriebene Laseranordnung ist sowohl für den Dauerstrichbetrieb als
auch für
den gepulsten Betrieb geeignet. Sie eignet sich auch für den Einsatz
in Oszillator-Verstärker-Systemen
(MOPA = Master Oscillator Power Amplifier), die ein Oszillatorsegment
und ein Leistungsverstärkersegment
besitzen. Während
das Oszillatorsegment einen vergleichsweise kurzen Laserresonator
umfasst, der in der Regel longitudinal gepumpt wird und einen Laserstrahl
mit geringer spektraler Linienbreite erzeugt, kann das nachgeordnete
Verstärkersegment
diesen Laserstrahl ohne Änderung
des spektralen Verhaltens verstärken.
Diese Verstärkung
ist notwendig, weil der Laserresonator nur eine geringe Ausgangsleistung
im Miniwattbereich liefert. Das Verstärkersegment wird wiederum durch
ein Festkörperlasermaterial
gebildet, welches aber anders als das Oszillatorsegment nicht longitudinal
sondern vorzugsweise transversal gepumpt wird, dies wiederum vorzugsweise
mittels eines konisch zulaufenden Reflektors, wie zuvor beschrieben,
um ein über
die Länge
des Verstärkersegments
möglichst
homogenes Pumpen zu erreichen.