DE19502054A1 - Phasengekoppelter Laser mit mehrfach selbstabbildender Resonatorstruktur - Google Patents

Phasengekoppelter Laser mit mehrfach selbstabbildender Resonatorstruktur

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Description

Die Erfindung betrifft eine vorzugsweise optisch end­ gepumpte Laseranordnung mit mehreren segmentierten Resonatorkomponenten sowie Verfahren zur räumlichen Synchronisation mehrerer Laserstrahlungen unterschiedlicher Wellenlängen Spektral unterschiedliche Pump- und Laserstrahlung bzw. mehrere Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen werden in bestimmten Bereichen räumlich zusammengeführt. Der erzeugte Strahl besteht aus einer Matrix oder mehreren Matrizen von Einzelstrahlen, die untereinander jeweils in festen Phasenbeziehungen stehen.
Die vorgeschlagene erfindungsgemäße Anordnung sowie die Verfahren dienen zur Erzeugung von untereinander phasengekoppelten matrixförmigen Laserstrahlen einer oder gleichzeitig mehrerer Wellenlängen. Aus diesen spezifischen Strahleigenschaften ergeben sich neuartige Anwendungen in den Einsatzgebieten Laserspektroskopie, Meßtechnik, Materialbearbeitung, Lasermedizin, Werkstoff-Forschung, Photonik und Optik. Insbesondere können kohärente Strahlmatrizen mit simultaner Emission mehrerer Wellenlängen für Laserradar, Interferometrie, Plasmaerzeugung und Oberflächenprüfung eingesetzt werden. Die durch die Strahlstruktur bedingte Koppelbarkeit mit aktiven oder passiven Faserarrays bietet dafür günstige Voraussetzungen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich Laser realisieren lassen, die sich durch höhere Wirkungsgrade und die Option der Mehrwellenlängenemission auszeichnen. Erfindungsgemäß werden mehrere selbstabbildende Resonatoren unterschiedlicher Länge in eine gemeinsame Laseranordnung derart integriert, daß die periodischen Teil strahlen aller Subresonatoren sowie die ebenfalls über Selbstabbildung modifizierte pumpende Strahlung mindestens auf einem gemeinsamen Spiegel und in dessen Nähe überlappen. Als segmentierte Einkoppler, Resonatorspiegel und Auskoppler fungieren refraktiv­ reflektive mikro-optische Arrays mit wellenlängenspezifischen Eigenschaften.
Aus der Literatur bekannt sind mehrere technische Lösungen zur Phasenkopplung räumlich separierter Teile von Lasern mittels des sogenannten Talbot-Effekts. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß infolge konstruktiver Interferenz periodische Muster eines Lichtfeldes in charakteristischen Distanzen hinsichtlich Phase und Amplitude reproduziert werden (Selbstabbildung). Diese Distanzen sind bevorzugt ganzzahlige Vielfache (oder rationale Bruchteile) einer auch Talbot-Distanz genannten charakteristischen Entfernung dT, welche sich aus der räumlichen Periode p, dem mittleren Brechungsindex n der im Resonator befindlichen Medien sowie der Wellenlänge λ ergibt zu
dT = n p²/λ (1)
Wird die Resonatorumlauflänge einer Laseranordnung dementsprechend als ganzzahliges Vielfaches (oder rationaler Bruchteil) von dT gewählt, kann mit Hilfe der Selbstabbildung periodischer Resonatorkomponenten eine Supermode großen Modenvolumens zur Oszillation angeregt werden, die räumlich separierte Gebiete eines einzigen Gainmediums oder mehrere räumlich separierte Gainmedien erfaßt und in eine feste Phasenbeziehung zueinander bringt.
Beispielsweise konnten mit Hilfe einer in einen Festkörperlaser mit stabförmigem Medium eingebrachten absorbierenden Loch-Matrix Supermoden angeregt werden (S. De Silvestri, V. Magni, O. Svelto: "Modes of resonators with mirror reflectivity modulated by absorbing masks", Appl. Opt. Vol. 28, 3684-3690, 1989). Der dabei auftretende Nachteil hoher interner Verluste infolge der Absorption an den Masken konnte in einer verbesserten Anordnung vermieden werden, bei der Mikro- Spiegel-Arrays anstelle der Lochmaske verwendet werden (R. Grunwald, U. Griebner, D. Schäfer: "Graded reflectivity micro-mirror arrays", 16th Congr. of the Int. Commission for Optics, Budapest 1993, poster WIP 1.21, in: SPIE Proc. Vol. 1983, 49-50, 1993; sowie R. Grunwald, U. Griebner, R. Koch: "Phase-coupled multiple-beam solid-state laser with Talbot-resonator", - CLEO ′94, Anaheim, USA, May 8-13, 1994, paper CFE2, Technical Digest, 410). Jedoch erlaubt die verwendete Anordnung nur den Betrieb auf jeweils einer einzigen Laserwellenlänge. Dies gilt auch für andere Varianten, die matrixförmige Arrayoptiken durch arrayförmige Anordnungen von Pumpquellen ersetzt oder das Pumplicht transmittierende passive Lichtwellenleiter verwenden (M. Oka, H. Masuda, Y. Kaneda, S. Kubota: "Laser-diode­ pumSped phase-locked Nd:YAG laser arrays", IEEE J.QE Vol. 28, 1142-1147, 1992; J. Xu, L. Shiqun, K. K. Lee, Y. C. Chen: "Phase locking in a two-element laser array: a test of the coupled-oscillator model", Opt. Lett. Vol. 18, 513-515, 1993). Bekannt ist ferner die Phasenkopplung arrayförmiger Anordnungen von Einzel-La­ sern, vor allem von CO₂- und Halbleiterlasern, ebenfalls mit Hilfe des Talbot-Effekts (A. M. Hornby, H. J. Baker, D. R. Hall "Combined array / slab waveguide CO₂-lasers", Opt. Commun. Vol. 108, 97-103, 1994; G. Lescroart, R. Muller, G. L. Bourdet: "Phase coupling of a linear array of 9 square CO₂ cw wave guide lasers by intra-cavity spatial filtering", Opt. Commun. Vol. 108, 289-296, 1994; S. Sanders, R. Waarts, D. Nam, D. Welch, D. Scifres, J. C. Ehlert, W. Cassarly, J. M. Finlan, K. M. Flood: "High power coherent two-dimensional semiconductor laser array", Appl. Phys. Lett. Vol. 64, 1478-1480, 1994). Die Kombination von diffraktiven Linsenarrays mit teilreflektierenden Spiegeln in der Talbot-Distanz als Vorrichtung zur Phasenkopplung von Wellenleitern wurde in einer Patentschrift beschrieben (J. R. Leger, W. Veldkamp, M. Scott, MIT: "Coherent beam combining of lasers using microlenses and diffractive coupling", US-PS 88-154898, 880211, G02B027/44). Die Kopplung von Faserarray-Lasern an einen elektrooptischen Schalter mittels Mikrolinsen-Arrays ist in einer weiteren Patentschrift beschrieben (J. L. Hughes, Australian Electro Optics Pty. Ltd.: "Scaleable fibre laser bundle regenerative amplifier system", AU-PS 89-6578, 890927, M01S003/08). Nachteilig bei den bisher bekannten Verfahren und Anordnungen ist, daß sie sich wegen der wellenlängenabhängigen Talbot-Distanz nicht ohne weiteres auf den Fall mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen anwenden lassen. Eine optimale Überlagerung von Pumpstrahlung und Lasermoden, die zur Erreichung einer möglichst hohen Ausgangseffizienz bei gleichzeitig kohärentem (Ein-Moden-) Betrieb anzustreben ist, war nach bisherigem Stand der Technik ebenfalls nicht möglich. Ferner müssen bislang im Falle dioden-gepumpter Festkörperlaser externe Array-Optiken zur Einkopplung der Pumpstrahlung sowie zur Fokussierung und zur Ankopplung externer Faserbündel eingesetzt werden, was die Kompaktheit solcher Systeme beeinträchtigt und wegen des erforderlichen Justieraufwandes die Zuverlässigkeit und Robustheit beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer kompakten, optisch gepumpten Laseranordnung auf mehreren Wellenlängen simultan eine effiziente Emission phasengekoppelter Matrizen von mehreren fokussierten Einzelstrahlen zu erzeugen und eine gute Überlappung von Pumpstrahlung und Lasermoden zu erreichen.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur räumlichen Synchronisation mehrerer Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu schaffen und eine Anordnung anzugeben, die bei möglichst kompakter Bauweise, d. h. mit möglichst wenig externen optischen Komponenten, Matrizen untereinander phasengekoppelter Teilstrahlen für mehrere Wellenlängen gleichzeitig emittiert und/oder die Pumpstrahlung in ausgewählten Bereichen mit den angeregten Lasermoden möglichst gut in Deckung bringt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 14 und 17 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff dieser Ansprüche.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Entsprechend der Anzahl der beteiligten Wellenlängen werden mehrere, mindestens jedoch zwei selbstabbildende Resonatorstrukturen in einen gemeinsamen Resonator integriert und die verschiedenen Teilresonatoren durch spektral selektive Komponenten (z. B. dichroitische Spiegel und ggf. Strahlteiler) teilweise entkoppelt. Selbstabbildung wird hierbei durch Einsatz arrayförmiger optischer Elemente, vorzugsweise teilreflektierender Arrays aus Mikro-Spiegeln, realisiert. Diese Elemente besitzen abbildende und spektral selektive Eigenschaften und dienen zugleich zur Einkopplung der Pumpstrahlung wie zur Auskopplung und Fokussierung der Laserstrahlung. Die mehrfache Selbstabbildung erfolgt so, daß Pump- und Laserstrahlung und/oder Laserstrahlung mehrerer Wellenlängen auf einem gemeinsamen Spiegel zusammen­ treffen. Bei der Anpassung von Pump- und Laserstrahlung wird das Medium vorzugsweise in der Nähe dieses Spiegels positioniert, wo eine gute Überlappung zwischen Pumpstrahl und Lasermode ("mode matching") erreicht wird.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand von teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Die schematische Darstellung einer kompakten Laseranordnung zur räumlichen Anpassung von zwei unterschiedlichen Wellenlängen, in diesem Fall einer Pump- sowie einer Laserwellenlänge.
Fig. 2 Die schematische Darstellung einer weiteren Laseranordnung mit Umlenkung am Strahlteiler.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die Strahlung eines Laserdioden-Arrays (LDA) durch ein Mikro-Linsen-Array (MAP) der Periode p (Abstand Mitte-Mitte der Einzelelemente) eingekoppelt, welches einen hohen Füllfaktor (Verhältnis der von Mikrolinsen erfüllten Fläche zur Gesamtfläche) aufweist und auf einem hochtransmittierenden Glasblock G des Brechungsindex n aufgebracht ist. Das Pumplicht wird an den Mikrolinsen zugleich gebeugt und gelangt in diskreten Entfernungen, die durch ganzzahlige Vielfache der Talbot-Distanz
dTP = n p²/λP (2)
bei der Pumpwellenlänge λP gegeben sind, zur konstruktiven Interferenz und damit zur Selbstabbildung. Auf seinem Weg passiert das Pumplicht einen dünnen dichroitischen, die Pumpwellenlänge transmittierenden Mehrschicht-Spiegel (DM), der den Glasblock G vom Lasermedium LM trennt und dessen Schicht-Brechungsindizes nur unwesentlich auf die Lage der Talbot-Distanzen wirken. Die Länge LG des Glasblocks G und seine Absorption auf der Laserwellenlänge sind derart gewählt, daß die erste Talbot-Entfernung dTP der Pumpstrahlung direkt mit dem dichroitischen Mehrschichtspiegel DM zusammenfällt (LG = dTP).
Im Lasermedium LM wird durch die Pumpstrahlung eine lateral modulierte Verstärkung erzeugt, wobei in der Nähe von DM der größte Modulationskontrast erreicht wird. Eine zweite, ebenfalls mit der Periode p modulierte, die Pumpwellenlänge vollständig und die Laserstrahlung teilweise reflektierende Array-Kom­ ponente MAL bildet gemeinsam mit dem dichroitischen Spiegel DM einen selbstabbildenden Resonator für die erzeugte stimulierte Emission. Die Länge des aktiven Mediums LL entspricht hierbei der ersten Talbot-Ent­ fernung
dTL = n p²/λL (3)
dTL bei der Laserwellenlänge (LL= dTL), so daß die Laserstrahlung ebenfalls am dichroitischen Spiegel DM den größten Modulationskontrast aufweist. Damit fallen die Bereiche maximaler Modulation der Pumpstrahlung und der Verstärkung räumlich zusammen, wodurch ein hochgradiges mode matching im Bereich der höchsten Verstärkung erzielt wird. Da die Pumpwellenlänge kleiner als die Laserwellenlänge ist, gilt wegen (2) und (3) dTP < dTL. In der Nähe der Komponente MAL, welche zugleich zur Ankopplung und Fokussierung der Laserstrahlung dient, ist das mode matching schwächer, jedoch aufgrund der Absorption die wirksame Verstärkung ebenfalls geringer. Vorteilhafterweise wird die Absorptionslänge des Mediums für die Pumpstrahlung (Strecke für Abfall der Strahlungsintensität auf den 1/e² des Anfangswertes) gleich der doppelten Länge des Lasermediums gewählt. Ausgekoppelt wird durch MAL ein fokussierter Laserstrahl guter Strahlqualität mit matrixförmigem Fernfeld.
Das zweite Ausführungsbeispiel umfaßt eine weitere erfindungsgemäße Laseranordnung, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt.
Die Strahlung eines Laserdioden-Arrays (LDA) wird durch ein dichroitisches Mikro-Linsen-Array (DM) eingekoppelt, welches die Laserstrahlung reflektiert. Das kollimierte Pumplicht gelangt nach teilweiser Absorption im Lasermedium und Umlenkung am dichroitischen Strahlteiler (DBS) auf ein für die Pumpstrahlung reflektives Mikrospiegel-Array MAP, das über Beugung an den Kanten seiner Teilspiegel die zur Selbstabbildung führende konstruktive Interferenz verursacht. Die gebeugte und interferierende Strahlung wird an DM reflektiert und kehrt nach wiederholter Absorption im Medium zu MAP zurück, wo das ursprünglich auf MAP vorliegende Intensitäts- und Phasenmuster nach Durchlaufen der an die Pumpwellenlänge λP angepaßten Entfernung
dTP = dTP1 + dTP2 (4)
reproduziert wird, wenn die Eindringtiefe der Pumpstrahlung im Lasermedium (LM) hinreichend groß gewählt ist. Vorteilhafterweise wählt man die Absorptionslänge der Pumpstrahlung gleich der doppelten Länge des aktiven Mediums. Ferner muß die in Gleichung (1) angegebene Bedingung für die Pumpwellenlänge erfüllt sein. Analog fungiert die für die Wellenlänge lL teilreflektierende Komponente MAL als erzeugendes Element für eine zweite Selbstabbildung der durch die Pumpstrahlung angeregten Laserstrahlung. Zugleich dient MAL zur Auskopplung und Fokussierung des emittierten Matrixstrahls.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel findet eine Anordnung wie im ersten Ausführungsbeispiel Anwendung, wobei jedoch die laterale Periode p der Array-Kom­ ponente MAP und die Längen von Glasblock G und Lasermedium LM derart gewählt sind, daß der Ort maximaler Modulationstiefe der Pumpstrahlung auf der ebenfalls mit p modulierten Array-Komponente MAL liegt. Optimale Überlappung von Verstärkung und Lasermoden ergibt sich in diesem Falle auf und in der Nähe von MAL.
Die Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (18)

1. Laseranordnung für Ein- oder Mehrwellenlängen-Laser­ oszillation mit einer Matrix räumlich separierter, untereinander phasengekoppelter Ausgangsstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere selbstabbildende Resonatorstrukturen unterschiedlicher Länge durch zum Resonator gehörige Array-Optiken in einen gemeinsamen Resonator integriert oder Resonatoren mit externen Array-Optiken kombiniert sind, derart, daß Pumpstrahlung einer oder mehrerer Wellenlängen und Laserstrahlung einer oder mehrerer Wellenlängen auf mindestens einem gemeinsamen Laserspiegel oder in dessen Nähe oder an einem bestimmten Ort im Lasermedium teilweise oder vollständig überlappen.
2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Teilresonatoren zu den Wellenlängen der zugeordneten Strahlungsanteile umgekehrt proportional sind und einem ganzzahligen Vielfachen oder einem rationalen Bruchteil der Talbot-Distanz entsprechen.
3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponenten der selbstabbildenden Teilresonatoren teilreflektierende Mikro-Spiegel-Ar­ rays angeordnet sind.
4. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreflektierenden Mikrospiegel-Arrays spektral selektive Eigenschaften aufweisen.
5. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreflektierenden Mikro-Spiegel-Arrays abbildende Eigenschaften aufweisen und somit zur Einkopplung der Pumpstrahlung und zur Fokussierung der Laserstrahlung dienen.
6. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die teilreflektierenden Mikro-Spiegel-Arrays globale einhüllende Funktionen der Reflexion und/oder Phase aufweisen.
7. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß als Lasermedium dotierte optische Fasern oder Arrays aus solchen Fasern angeordnet sind.
8. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasermedium dotierte Festköper in Form von Stäben, Slabs oder Scheiben oder Arrays aus solchen Stäben, Slabs oder Scheiben angeordnet sind.
9. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumpquelle eine Laserdiode oder ein Array aus Laserdioden angeordnet ist.
10. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonator ein oder mehrere reflektive oder diffraktive Strahlteiler angeordnet sind.
11. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mikro-optische Arraykomponenten auf dünnen Polymersubstraten angeordnet sind oder strukturierte Polymerfolien darstellen.
12. Laseranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Fernfeld eines Arrays optischer Elemente mit einer oder mehreren Talbot-Ebenen einer Resonatorstruktur kombiniert ist.
13. Laseranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Erzeugung eines periodischen Fernfeldes verwendete Array optischer Elemente außerhalb des Laserresonators angeordnet ist.
14. Verfahren zur räumlichen Synchronisation mehrerer Laserstrahlungen unterschiedlicher Wellenlängen mittels einer durch Array-Optiken gebildeten mehrfach selbstabbildenden Resonatorstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Wellenlänge separat in einem zugeordneten Teilresonator konstruktive Interferenz erzeugt wird und mindestens an einem Ort des gemeinsamen Resonators die laterale Raumfrequenz der Interferenzmuster übereinstimmt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Teilresonatoren zu den Wellenlängen der zugeordneten Strahlungsanteile umgekehrt proportional sind und einem ganzzahligen Vielfachen oder einem rationalen Bruchteil der Talbot-Distanz entsprechen.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der zu synchronisierenden Laserstrahlen als optische Pumpe für mindestens einen Laserstrahl einer anderen Wellenlänge dient, wodurch in bestimmten Zonen im Laserresonator eine räumliche Überlagerung von Pump- und Laserstrahlen ("mode matching") erreicht wird.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Arrayoptiken globale einhüllende Funktionen der Reflexion und/oder Phase aufweisen.
18. Verfahren zur räumlichen Synchronisation mehrerer Laserstrahlungen unterschiedlicher Wellenlängen, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Wellenlänge mittels einer externen Array-Optik ein periodisches Fernfeld erzeugt wird und dieses mit einem passenden Interferenzmuster einer selbstabbildenden Resonatorstruktur für eine oder mehrere weitere Wellenlängen so kombiniert wird, daß mindestens an einem Ort des gemeinsamen Resonators die lateralen Raumfrequenzen übereinstimmt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20210296858A1 (en) * 2018-09-13 2021-09-23 Ii-Vi Suwtech, Inc. Laser beam combining device with an unstable resonator cavity

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