DE10393167T5

DE10393167T5 - Verfahren und Vorrichtung zum polarisations- und wellenlängenunempfindlichen Pumpen von Festkörperlasern

Info

Publication number: DE10393167T5
Application number: DE10393167T
Authority: DE
Inventors: Dirk Sutter; James D. Palo Alto Kafka
Original assignee: Spectra Physics Inc
Current assignee: Newport Corp USA
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-08-25
Also published as: AU2003278707A8; AU2003259753A8; WO2004021334A2; AU2003259753A1; AU2003278707A1; DE10393190T5; WO2004021334A3; WO2004021526A3; CN1685576A; CN1685577A; WO2004021526A2

Abstract

Optisches System, das aufweist:
eine Diodenpumpquelle;
ein Verstärkungsmedium aus einem Material mit einer anisotropen Absorption, wobei das Verstärkungsmedium in einem Winkel geschnitten ist, um eine im wesentlichen polarisationsunabhängige Absorption eines Pumpstrahls zu erzeugen; und einen Optokoppler, der zwischen der Diodenpumpquelle und dem Verstärkungsmedium angeordnet ist, wobei der Optokoppler einen Pumpstrahl erzeugt, der entlang zwei beliebigen orthogonalen Achsen, die orthogonal zu dem Pumpstrahl in dem Verstärkungsmedium sind, im wesentlichen gleiche Pumpleistungsbeträge hat.

Description

Hintergrund der Erfindung
Fachgebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft endgepumpte Festkörperlaser und Verstärker und insbesondere ein optisches System, das eine Leistung hat, die im wesentlichen unabhängig von der Polarisation oder der Wellenlänge des Pumpstrahls ist.
Beschreibung der verwandten Technik
Lasertätigkeit erfordert im allgemeinen ein laseraktives Material und Einrichtungen zum Pumpen dieses Mediums. Von besonderer Bedeutung sind Festkörperlaser, deren Verstärkungsmedium fest ist; typischerweise ein Kristall oder ein Glas, die mit laseraktiven Ionen dotiert sind, und das Material wird mit Licht einer geeigneten Wellenlänge optisch gepumpt.

Festkörper-Verstärkungsmaterialien zeigen häufig eine polarisationsunabhängige Absorption des Pumplichts, was insbesondere für polarisierte Pumpstrahlen wie die wichtig ist, die von anderen Lasern, z.B. Laserdioden, erzielt werden. Häufig kann die Zuführungsoptik für den Pumpstrahl vereinfacht werden, wenn erlaubt ist, daß das in den Kristall eintretende Licht unpolarisiert ist. Ein Beispiel dafür ist lichtwellenleitergekoppeltes Pumpen unter Verwendung langer Lichtwellenleiter für die Pumpstrahl-Zuführung. Außerdem ist Polarisationsmultiplexen ein attraktiver Ansatz, um die Helligkeit eines Pumpstrahls zu erhöhen, indem zwei orthogonal polarisierte Pumpstrahlen in einem kombiniert werden. In einigen Fällen, einschließlich den meisten Dünnscheibenlasersystemen, wird das Pumplicht nicht in einem einzigen Durchlauf absorbiert, sondern es durchläuft den Laserkristall mehrere Male, so daß die Polarisation des Pumplichts zwischen einzelnen Durchläufen gedreht wird. Die integrierte Polarisation des auf den Kristall einfallenden Pumplichts kann daher im wesentlichen unpolarisiert sein.

Dennoch sind Festkörperlaser häufig derart konstruiert, daß sie, z.B weil der Laserkristall im Brewsterwinkel geschnitten ist oder weil sein Absorptionsspektrum stark von der Polarisation abhängt, linear polarisiertes Pumplicht benötigen. Der letztere Fall entspringt gewöhnlich dem Wunsch, die Wellenlänge und die Polarisation mit der stärksten Absorption des Verstärkungsmaterials zu verwenden. Für praktische Laser erfordert dies jedoch oft eine sehr strenge Steuerung der Wellenlänge des Pumplichts, was einen Steuerungsmechanismus zur Einstellung der Temperatur der Pumplaserdioden voraussetzt.

Festkörperlaser werden gewöhnlich bei oder nahe der Wellenlänge der Spitzenabsorption gepumpt. Da die Absorptionsspitze spektral relativ schmal ist, hat eine Wellenlängenschwankung der Pumpe gewöhnlich eine erhebliche Auswirkung auf die Ausgangsleistung des Lasers. Selbst wenn der Kristall dick genug gewählt werden kann, um das gesamte Pumplicht zu absorbieren, was für 4-Niveau-Laser und sogar 3- oder Quasi-3-Niveau-Laser, vorausgesetzt, daß der Kristall von beiden Seiten gepumpt wird, möglich ist, haben Änderungen der Wellenlänge des Pumplichts gewöhnlich eine erhebliche Auswirkung auf die Stelle, wo das Licht in dem Kristall absorbiert wird. Dies verändert die pumpeninduzierte Erhitzung des Kristalls, und die thermisch induzierte Linsenbildung kann sich drastisch ändern. Eine derartige Änderung der Linsenbildung bewirkt, daß der Ausgangsstrahl von einem Verstärker seine Größe und Divergenz ändert. Das Problem ist in einem Oszillator schwerwiegender, wo die Linsenbildung bewirken kann, daß der Hohlraum geometrisch instabil wird.

Es besteht ein Bedarf für einen diodengepumpten Laser, der mit unpolarisiertem Pumplicht arbeiten kann. Es besteht ferner ein Bedarf für einen diodengepumpten Laser, der über einen großen Bereich von Pumpwellenlängen arbeiten kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes diodengepumptes optisches System und seine Anwendungsverfahren zur Verfügung zu stellen.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen diodengepumpten Laser mit einer Leistung, die im wesentlichen unabhängig von der Polarisation des Pumpstrahls ist, und seine Anwendungsverfahren zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen diodengepumpten Laser, der einen vergrößerten Wellenlängenbereich hat, über den die Absorption des Pumpstrahls konstant ist, und seine Anwendungsverfahren zur Verfügung zu stellen.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden in einem optischen System gelöst, das eine Diodenpumpquelle und ein aus einem Material mit anisotroper Absorption gefertigtes Verstärkungsmedium hat. Das Verstärkungsmedium ist in einem Winkel geschnitten, um eine im wesentlichen polarisationsunabhängige Absorption eines Pumpstrahls zu erzeugen. Ein Optokoppler ist zwischen der Diodenpumpquelle und dem Verstärkungsmedium angeordnet. Der Optokoppler erzeugt einen Pumpstrahl, der im wesentlichen gleiche Beträge an Pumpleistung entlang zwei beliebigen orthogonalen Achsen hat, die orthogonal zu dem Pumpstrahl in dem Verstärkungsmedium sind.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wählt ein Verfahren zur Verbreiterung eines Absorptionsbands in einem Verstärkungsmedium einen Polarisationszustand eines Pumpstrahls aus. Der Pumpstrahl wird durch das Verstärkungsmedium in eine Richtung geleitet, um einen Wellenlängenbereich zu vergrößern, über den eine Absorption des Pumpstrahls konstant ist.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optisches System ein Verstärkungsmedium und eine Diodenpumpquelle. Ein Optokoppler ist zwischen dem Verstärkungsmedium und der Diodenpumpquelle angeordnet. Der Optokoppler erzeugt einen Pumpstrahl mit einem Polarisationszustand, der einen Wellenlängenbereich, über den eine Absorption des Pumpstrahls konstant ist, vergrößert.

Kurze Beschreibung der Figuren

1(a) und 1(b) sind schematische Darstellungen von Ausführungsformen eines optischen Systems der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine schematische Darstellung, die den Schnitt des Verstärkungsmediums von 1 darstellt.

3(a) und 3(b) sind schematische Darstellungen von Ausführungsformen eines Laseroszillators der vorliegenden Erfindung.

4 zeigt den Absorptionskoeffizient für einen KYW-Kristall mit 5% Yb-Dotierungskonzentration.

5 zeigt die mit den in 3 gezeigten Daten berechnete Gesamtabsorption für verschiedene Kristallängen.

6 stellt den Absorptionskoeffizient dar, wenn der Polarisationszustand so gewählt wird, daß der Wellenlängenbereich, über den die Absorption des Pumpstrahls konstant ist, vergrößert wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1(a), 1(b) und 2 dargestellt ist, umfaßt ein optisches System 10, eine Diodenpumpquelle 12 und ein Verstärkungsmedium 14. Das Verstärkungsmedium ist aus einem Material mit einer anisotropen Absorption gefertigt und hat eine Pumpstrahl-Einfalloberfläche 16, die in einem Winkel geschnitten ist, um eine im wesentlichen polarisationsunabhängige Absorption eines Pumpstrahls 18 zu erzeugen.
Das Verstärkungsmedium 14 ist geschnitten, um den Absorptionskoeffizienten für die zwei Hauptpolarisationen des Pumpstrahls 18 im wesentlichen gleich zu machen. Auf diese Weise ändert eine Änderung des Polarisationszustands des Pumpstrahls 18 nicht die Art, auf welche der Pumpstrahl 18 in dem Verstärkungsmedium 14 absorbiert wird. Wenn die Absorptionsspektren für die zwei Hauptpolarisationen des Pumpstrahls 18 sich in dem Wellenlängenbereich schneiden, in dem die Pumpquelle 12 vermutlich arbeitet, verringert eine Wellenlängenverschiebung, welche die Absorption für eine Polarisation vergrößert, außerdem die Absorption für die andere und wird in erster Ordnung die Gesamtabsorption für den Pumpstrahl 18 mit im wesentlichen gleicher Leistung entlang beider Hauptpolarisationsachsen nicht ändern. Dies schließt einen Pumpstrahl 18, der relativ zu den Hauptachsen 45° polarisiert ist, oder einen zirkular polarisierten Pumpstrahl ein. Es schließt auch einen unpolarisierten Pumpstrahl 18 ein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn die zwei Absorptionsspektren sich nicht schneiden, sondern immer noch verschobene Absorptionsspitzen zeigen, kann das Leistungsverhältnis entlang der zwei Hauptpolarisationsachsen verändert werden, um den gleichen gewünschten Wellenlängenbereich zu erreichen, über den die Pumpquelle sich verschieben kann, ohne die Gesamtabsorption wesentlich zu verändern.
Ein Optokoppler 20 ist zwischen der Diodenpumpquelle 12 und dem Verstärkungsmedium 14 angeordnet. Der Optokoppler 20 erzeugt einen Pumpstrahl 18, der entlang zwei beliebigen orthogonalen Achsen, die orthogonal zu dem Pumpstrahl 18 in dem Verstärkungsmedium 14 sind, im wesentlichen gleiche Pumpleistungsbeträge hat.
In einer anderen Ausführungsform erzeugt ein Optokoppler 20 einen Pumpstrahl 18 mit einem Polarisationszustand, der einen Wellenlängenbereich, über den eine Absorption eines Pumpstrahls 18 konstant ist, vergrößert. Wenn sich die Wellenlänge des Pumpstrahls aufgrund von Temperaturänderungen in der Diodenpumpquelle ändert, bleibt die Absorption des Pumpstrahls 18 konstant. Als ein Ergebnis bleiben die thermische Linse in dem Verstärkungsmedium und die Leistung des optischen Systems ebenfalls konstant.
Das Verstärkungsmedium 14 kann eine dünne Scheibe sein, wie in der noch nicht übertragenen gleichzeitig einge reichten US-Patentanmeldungsseriennummer, die als Attorney Docket Nr. 18120-0010 identifiziert wird, offenbart, oder es kann eine Anzahl verschiedener geometrischer Aufbauten haben, die eine Platte, einen Stab, ein Polygon und ähnliches einschließen, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Verstärkungsmaterial 14 kann aus einer Vielfalt an Materialien, einschließlich einem mit Ytterbium dotierten Doppel-Wolframat-Kristall, Yb : KGW, YB : KYW, Yb : S-FAP, Nd : KGW, Nd : KYW, Nd : YVO₄, Cr : LiSAF, Cr : Forsterit, einem Halbleiterverstärkungsmedium und ähnlichem, gefertigt werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
Der Pumpstrahl 18 kann im wesentlichen unpolarisiert sein. Die meisten Diodenpumpquellen sind linear polarisiert, unpolarisierte Pumpquellen können sich jedoch aus der Lichtwellenleiterkopplung des Pumpstrahls, Kombinieren von Pumpquellen mit verschiedenen Polarisationen und ähnlichem ergeben. Die Pumpquelle 12 kann eine lichtwellenleitergekoppelte Diode, ein Diodenstab, ein oder mehrere Stapel von Dioden und ähnliches sein. In einer Ausführungsform hat der Pumpstrahl 18 eine Wellenlänge im Bereich von 931 bis 952 nm.
Der Koppler 20 kann einen Polarisationsstrahlkombinator umfassen. Der Polarisationsstrahlkombinator kann ein polarisierender Würfel, ein Plattenpolarisator oder ähnliches sein und kombiniert das Licht von zwei orthogonal polarisierten Dioden oder Diodenstapeln miteinander. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Koppler 20 ein abbildender Koppler, ein nicht-abbildender Koppler, ein Trichter und ähnliches. Ein Beispiel für einen geeigneten Trichter ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/401 146, eingereicht am 22. September 1999, offenbart.
Eine Relaisoptik kann enthalten sein, um den Pumpstrahl 18, wie in US-A-5 553 088, das hier per Referenz eingebunden ist, offenbart, mehrere Male erneut in das Verstärkungsmedium 14 abzubilden. Der mehrmalige Durchgang des Pumpstrahls 18 durch das Verstärkungsmedium 14 kann eine Drehung eines Polarisationszustands des Pumpstrahls 18 erzeugen.
Das Verstärkungsmedium 14 kann auch als das Verstärkungselement in einem Verstärker verwendet werden. Der Verstärker kann als ein Mehrfach-Durchgangsverstärker aufgebaut werden.
Bezug nehmend auf 3 kann das System 10 einen allgemein als 22 bezeichneten Laserresonator mit einem Ausgangskoppler 24 und einem hochreflektierenden Reflektor 26 umfassen. Eine Mode des Resonators 22 kann auf eine Größe eines gepumpten Volumens in dem Verstärkungsmedium 14 moden-abgestimmt sein. Der Laserresonator 22 kann derart aufgebaut sein, daß er einen Rückkopplungsverstärker bildet.
4 zeigt den Absorptionskoeffizient für einen Yb : KYW-Kristall mit 5% Ytterbium-Dotierungskonzentration, berechnet unter Annahme von Absorptionsquerschnitten von KYbW, die von Pujol et al. in Physical Review B, Bd. 65, S. 165121 (2002) für 100% Dotierung angegeben wurden. Die Absorptionskurven für Licht, das entlang N_m und N_p polarisiert ist, schneiden sich, wie in (a) dargestellt, bei etwa 947 nm. Die Einfügung (b) zeigt die gleichen Daten über einen größeren Bereich.
5 stellt den Wellenlängenbereich, über den die Standardabweichung der Gesamtabsorption eines Yb(5%) : KWY-Kristalls innerhalb von 1,2% der mittleren Absorption über diesen Bereich bleibt, für verschiedene Kristallängen und Polarisationszustände dar. Im allgemeinen ist die Schwankung der Gesamtabsorption weniger ausgeprägt, wenn der Kristall länger ist. Für parallel zu Nm polarisiertes Licht, das einem herkömmlichen Pumpschema entspricht, ist die spektrale Breite der Absorptionsspitze bei 931 nm schmal (für die gezeigten Kristallängen 1,5 bis 3 nm). Für parallel zu Np polarisiertes Licht ist die spektrale Breite der Absorptionsspitze bei 952 nm breiter (für die gezeigten Kristallängen 2,5 bis 5 nm). Für unpolarisiertes Licht mit gleichen Beiträgen zu den Polarisationen parallel zu Nm und Np ist die spektrale Breite, über welche die Absorption konstant bleibt, erheblich vergrößert (für die gezeigten Kristallängen über ein Plateau von 10 bis 11,5 nm Breite).
6 stellt dar, daß durch Verwendung verschiedener Pumpleistungen für die Polarisationen Ng und Nm, deren Absorptionskurven sich nicht schneiden (siehe 4), eine weitere Vergrößerung der Pumpbandbreite erreicht werden kann. Der Absorptionswert ist gegeben durch: A = 1 – p exp(– αNgl) – (1 – p) exp(– αNml).
Die Bandbreite, über welche die Standardabweichung der Gesamtabsorption des Yb(5%) : KYW-Kristalls innerhalb von 1,2% der mittleren Absorption bleibt, wird relativ zu dem Fall gleicher Pumpleistung entlang der Nm- und Np-Achsen um mehr als 70% vergrößert, wobei unpolarisiertes Licht eingeschlossen ist, aber sich nicht darauf beschränkt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann es daher vorteilhaft sein, den Kristall in einem Winkel zu schneiden, so daß die Absorption nicht unabhängig von der Polarisation des Pumplichts ist, und einen Polarisationszustand des Pumplichts derart zu wählen, daß der Wellenlängenbereich, über den die Absorption ähnlich bleibt, zu vergrößern.
Die vorhergehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränken. Offensichtlich sind für in dieser Technik ausgebildete Fachleute viele Modifikationen und Veränderungen ersichtlich. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die folgenden Patentansprüche und ihre Äquivalente definiert sein.
Zusammenfassung
Ein optisches System hat eine Diodenpumpquelle und ein Verstärkungsmedium, das aus einem Material mit einer anisotropen Absorption gefertigt ist. Das Verstärkungsmedium ist in einem Winkel geschnitten, um eine im wesentlichen polarisationsunabhängige Absorption eines Pumpstrahls zu erzeugen. Ein Optokoppler ist zwischen der Diodenpumpquelle und dem Verstärkungsmedium angeordnet. Der Optokoppler erzeugt einen Pumpstrahl, der entlang zwei beliebigen orthogonalen Achsen, die orthogonal zu dem Pumpstrahl in dem Verstärkungsmedium sind, im wesentlichen gleiche Pumpleistungsbeträge hat. Der erlaubte Wellenlängenbereich für die Pumpquelle wird erweitert.

Claims

Optisches System, das aufweist: eine Diodenpumpquelle; ein Verstärkungsmedium aus einem Material mit einer anisotropen Absorption, wobei das Verstärkungsmedium in einem Winkel geschnitten ist, um eine im wesentlichen polarisationsunabhängige Absorption eines Pumpstrahls zu erzeugen; und einen Optokoppler, der zwischen der Diodenpumpquelle und dem Verstärkungsmedium angeordnet ist, wobei der Optokoppler einen Pumpstrahl erzeugt, der entlang zwei beliebigen orthogonalen Achsen, die orthogonal zu dem Pumpstrahl in dem Verstärkungsmedium sind, im wesentlichen gleiche Pumpleistungsbeträge hat.
System nach Anspruch 1, wobei der Pumpstrahl im wesentlichen unpolarisiert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium ein Ytterbium-dotierter Doppel-Wolframat-Laserkristall ist.
System nach Anspruch 3, wobei die Wellenlänge des Pumpstrahls zwischen 931 und 952 nm ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium eine dünne Scheibe ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Pumpquelle lichtwellenleitergekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Koppler einen Polarisationsstrahlkombinator umfaßt.
System nach Anspruch 1, wobei der Koppler ein abbildender Koppler ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Koppler ein nicht-abbildender Koppler ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Koppler ein Trichter ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Pumpstrahl mehrmals durch das Verstärkungsmedium läuft.
System nach Anspruch 11, wobei der mehrmalige Durchgang des Pumpstrahls eine Drehung eines Polarisationszustands des Pumpstrahls bewirkt.
System nach Anspruch 11, das ferner aufweist: eine Relaisoptik zum mehrmaligen Neuabbilden des Pumpstrahls in das Verstärkungsmedium.
System nach Anspruch 1, das ferner aufweist: einen Laserresonator, wobei das Verstärkungsmedium in dem Laserresonator angeordnet ist.
Lasersystem nach Anspruch 14, wobei eine Mode des Resonators auf eine Größe eines Pumpvolumens in dem Verstärkungsmedium modenabgestimmt ist.
Lasersystem nach Anspruch 14, wobei der Resonator als Rückkopplungsverstärker konfiguriert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das optische System als Ein- oder Mehrdurchlaufverstärker konfiguriert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium aus einem Material hergestellt ist, das aus Yb : KGW, YB : KYW, Yb : S-FAP, Nd : KGW, Nd : KYW oder Nd : YVO₄, Cr : LiSAF, Cr : Forsterit und einem Halbleitermedium ausgewählt wird.
Verfahren zur Verbreiterung eines Absorptionsbands in einem Verstärkungsmedium, das aufweist: Auswählen eines Polarisationszustands eines Pumpstrahls; und Lenken des Pumpstrahls durch das Verstärkungsmedium in eine Richtung, um einen Wellenlängenbereich, über den eine Absorption des Pumpstrahls konstant ist, zu vergrößern.
Optisches System, das aufweist: ein Verstärkungsmedium; eine Diodenpumpquelle; und einen zwischen dem Verstärkungsmedium und der Diodenpumpquelle angeordneten Optokoppler, der einen Pumpstrahl mit einem Polarisationszustand erzeugt, welcher einen Wellenlängenbereich, über den eine Absorption des Pumpstrahls konstant ist, vergrößert.