DE19536880A1 - Laseranordnung und Verfahren zur Skalierung von frequenzverdoppelten Lasern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit mindestens zwei einzel­ nen Laseroszillatoren, wobei die Laserstrahlung der Oszillatoren mittels optischer Komponenten gebündelt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfah­ ren zur Leistungsskalierung von frequenzverdoppelten Lasern.

Der Einsatz von Laseranordnungen und Laserstrahlquellen in Bezug auf die unter­ schiedlichsten Anwendungen erfordert zum einen eine Skalierung der Laserlei­ stung, zum anderen eine Anpassung der Frequenz gemäß den Spezifikationen.

In Bezug auf die Laserskalierung der Laseranordnung zu höheren Leistungen hin ist zu beachten, daß eine hohe Strahlqualität beibehalten wird. Es besteht zum einen die Möglichkeit, die Laserleistung durch Skalierung des Oszillatorvolumens vorzu­ nehmen. Eine Randbedingung, die hierbei beachtet werden muß, ist die Relation zwischen den axialen Dimensionen (Resonatorlänge) und der radialen Dimensio­ nen, die, um eine hohe Strahlqualität zu erzielen, derart in Relation stehen müssen, daß die Fresnell-Zahl des Oszillators nicht wesentlich größer als 1 wird. Werden diese Randbedingungen nicht erfüllt, so wird dadurch die Strahlqualität von Hochlei­ stungslasern erheblich beeinträchtigt. Eine andere Maßnahme, um die Laserstrahl­ leistung zu skalieren, ist der Einsatz von Oszillator-Verstärkern. Diese Verstärker werden dazu verwendet, die Strahlung eines Laseroszillators mit geringer Leistung und hoher Strahlqualität zu einer hohen Leistung zu verstärken. Dieses Vorgehen besitzt jedoch seine Grenzen insbesondere in Verbindung mit kontinuierlich betrie­ benen Lasern. Schließlich werden, um eine Laserstrahlquelle zu skalieren, Laser- Arrays bzw. -Feldanordnungen aufgebaut. In solchen Arrays werden mehrere La­ seroszillatoren räumlich nebeneinander angeordnet und parallel betrieben. Die Lei­ stung der einzelnen Laseroszillatoren summiert sich zu einer Gesamtlaserleistung eines solchen Laser-Arrays. Ein Problem, das einem solchen Laser-Array anhaftet, ist die kohärente Kopplung der Oszillatoren miteinander. Um die Strahlen der Ein­ zelstrahlquellen des Arrays in einem gemeinsamen Fokussierungspunkt zu bündeln, müssen entsprechende optische Maßnahmen zur Strahlführung vorgenommen wer­ den. Weiterhin führen Abbildungsfehler bei freier Ausbreitung der Strahlung der La­ seroszillatoren zu Verlusten, was sich wiederum durch einen geringen Wirkungs­ grad auswirkt. Um darüberhinaus die Frequenz der Laseroszillatoren zu konvertie­ ren und sie so den bestimmten Anwendungsgebieten und den Spezifikationen anzu­ passen, müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, die die vorstehend kurz erläuterte Problematik der Leistungsskalierung von Laseranordnungen noch kompli­ zierter gestaltet.

Ausgehend von der vorstehend geschilderten Problematik und den nach dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufga­ be zugrunde, eine Laseranordnung sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem die Leistung von mindestens zwei einzelnen Laseroszillatoren skaliert und die Fre­ quenz geändert werden kann, und zwar mit einfachem optischen Aufbau unter Er­ zielung einer hohen Strahlqualität.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen Oszillatoren, dadurch gelöst, daß die Grundwellenstrahlung des jeweili­ gen Oszillators durch ein nichtlineares Kristall in der Frequenz verdoppelt wird und daß die jeweilige Strahlung mittels einer optischen, dichroitischen Komponenten sich koaxial überlagernd zusammengeführt wird. Verfahrensgemäß wird eine Lei­ stungsskalierung von frequenzverdoppelnden Lasern dadurch vorgenommen, daß mindestens zwei Laseroszillatoren nebeneinander angeordnet werden und deren Grundwelle jeweils in der Frequenz verdoppelt wird und daß die verdoppelte Strah­ lung koaxial zusammengeführt wird. Um eine solche Laseranordnung in der Lei­ stung zu skalieren, sind im wesentlichen zwei Komponenten erforderlich, d. h. zum einen ein nichtlineare(s) oder mehrere Kristall(e), das (die) zur Frequenzverdopp­ lung der Grundwelle, die von dem einzelnen Laseroszillator abgegeben wird, dient (dienen), während das zweite Element in Form einer optischen, dichroitischen Kom­ ponenten die Strahlung der jeweiligen Laseroszillatoren koaxial überlagert, so daß aufgrund dieser Oberlagerung die Leistungen der einzelnen Laseroszillatoren ad­ diert werden. Mit einem solchen Aufbau kann die Leistung beliebig zu höheren Lei­ stungen hin skaliert werden, indem weitere Komponenten in Form von einzelnen La­ seroszillatoren zu dem System hinzugefügt werden. Dies gilt insbesondere auch für kontinuierlich betriebene Laser.

Um die Anordnung weiterhin in Bezug auf die Anzahl der erforderlichen Komponen­ ten zu vereinfachen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform die dichroitische Komponente so ausgebildet, daß sie auch die Funktion des frequenzverdoppelnden Kristalls übernimmt. Aus dem gleichen Grund der Reduzierung der Anzahl der ein­ zelnen Bauteile und damit der Vereinfachung des Aufbaus wird den Laseroszillato­ ren ein gemeinsames, nichtlineares Kristall zugeordnet, in das die Grundwellen­ strahlung der jeweiligen Oszillatoren eingestrahlt wird.

Insbesondere dann, wenn die einzelnen Laseroszillatoren derart in einer Anordnung angeordnet werden, daß die Achsen deren Strahlung parallel zueinander verlaufen, wird ein nichtlineares Kristall eingesetzt, das zwei parallele Flächen aufweist, die die Eintritts-, Austritts- und/oder Reflexionsflächen für die Strahlung bilden. Mit ei­ nem solchen Kristall werden zur Zusammenführung der Strahlung gleiche Versätze der jeweiligen benachbarten Strahlen zueinander erzielt, so daß sich eine einfache Geometrie ergibt.

Um hohe Stabilitäten zu erzielen, können die einzelnen Laseroszillatoren als Rin­ gresonatoren aufgebaut werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, in den einzel­ nen Faltungsstrecken der Laseroszillatoren zum einen die aktiven Medien zu posi­ tionieren oder auch aufzuteilen, zum anderen besteht die Möglichkeit, in die einzel­ nen Faltungsstrecken das nichtlineare Kristall und die dichroitische Komponente einzubauen. Ein weiterer, bevorzugter Aufbau kann dann erzielt werden, wenn dem Kristallin den Ringresonatoren eine die Strahlung umlenkende Funktion zugeordnet wird. Hierbei sollte das Kristall eine Eintritts- und eine Reflexionsfläche aufweisen, wobei die Eintrittsfläche für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet ist und wobei die Re­ flexionsfläche für die Grundwelle (ω) und die zweite Harmonische (2ω) hochreflek­ tierend ist. Mit einer solchen Beschichtung wird erreicht, daß die jeweiligen Grund­ wellen (ω) an der Reflexionsfläche reflektiert bzw. zu dem nächsten Element des Ringresonators umgelenkt werden, während die zweite Harmonische (2ω) an den gegenüberliegenden Flächen reflektiert und mit einem Versatz zu dem Eintrittsstrahl aus der ersten Fläche wieder austritt. Der Versatz wird dann so gewählt, daß sich die zweite Harmonische (2ω) mit der zweiten Harmonischen (2ω) des benachbarten Oszillators überlagert.

Innerhalb der Eintrittsfläche oder der Reflexionsfläche des nichtlinearen Kristalls wird eine Auskoppelfläche für die zweite Harmonische (2ω) vorgesehen, um diesen Strahlungsanteil aus dem nichtlinearen Kristall nach Zusammenführung sämtlicher Einzeloszillatoren als Ausgangsstrahl auszukoppeln.

Der Aufbau der Laseranordnung, wie er vorstehend angegeben ist, ist insbesondere in Bezug auf Festkörperlaser bevorzugt, darüberhinaus für solche Festkörperlaser, die mittels Diodenlaserstrahlung longitudinal gepumpt werden. In Verbindung mit Festkörperlasern besteht die Möglichkeit, die einzelnen Festkörpermedien der ein­ zelnen Laseroszillatoren voneinander zu trennen; bevorzugt ist allerdings eine Aus­ gestaltung, bei der den Laseroszillatoren ein gemeinsames Festköpermedium zuge­ ordnet wird, so daß für eine solche Laseranordnung aus Festkörperlasern ein mini­ males Volumen für das aktive Medium in Anspruch genommen wird. Darüberhinaus ergibt sich ein kompakter Aufbau in Bezug auf Festkörperlaser mit Ringresonatoren dann, wenn das Festkörpermedium als Prisma ausgebildet ist, wobei mindestens zwei Flächen Reflexionsflächen des Ringresonators bilden. Alternativ kann das Festkörpermedium als Etalon ausgebildet werden, wobei eine Fläche eine antire­ flektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) aufweist und die andere Fläche ei­ ne hochreflektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) aufweist. Mit diesem Aufbau wird in dem Festkörpermedium selbst, als Etalon ausgebildet, eine Zusam­ menführung der jeweiligen Resonatorstrahlung erzielt, wobei die hochreflektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) des Festkörpermediums in dieser Anordnung gleichzeitig im Rahmen eines Ringresonators als Faltungselement eingesetzt wird.

Falls die thermische Belastung des Festkörpermediums zu hoch wird, gerade im Hinblick auf eine Skalierung des Lasers zu relativ hohen Leistungen, sollte aller­ dings jedem Laseroszillator ein separates Festkörpermedium zugeordnet werden.

Während vorstehend bevorzugte Aufbauten der Laseranordnung in Form von Rin­ gresonatoren angegeben sind, ist, basierend auf dem erfindungsgemäßen Prinzip, auch der Aufbau einer Laseranordnung mit parallel zueinander angeordneten La­ seroszillatoren möglich.

Die Laseranordnung in Form von einzelnen Ringresonatoren unter Zusammenfüh­ rung der jeweiligen Strahlung der Einzeloszillatoren mittels einer optischen, dichroi­ tischen Komponenten derart, daß sie koaxial überlagert werden, ist immer dann zu bevorzugen, wenn Stabilität und ein Monomode-Betrieb erforderlich ist.

Der Aufbau der Laseranordnung derart, daß die Laseroszillatoren jeweils einen li­ nearen Resonator bilden, deren Strahlung mittels einer optischen, dichroitischen Komponenten sich koaxial überlagernd zusammengeführt wird, unter Verdopplung der Grundwellenstrahlung des jeweiligen Oszillators durch ein nichtlineares Kristall, ist dann zu bevorzugen, wenn eine flexible Gestaltung der Laseranordnung und ei­ ne effektive Kühlung Vorrang hat.

Eine bevorzugte Ausführung in Bezug auf den linearen Aufbau ergibt sich dann, wenn das nichtlineare, die Grundwellenstrahlung jedes Oszillators verdoppelnde Kristall eine erste Fläche und eine gegenüberliegende zweite Fläche aufweist, die beide für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet sind und für zweite Har­ monische (2ω) hochreflektierend beschichtet sind, so daß die Grundwellenstrah­ lung (2ω) jeweils von beiden außenflächen des nichtlinearen Kristalls in dieses ein­ treten kann, während die zweite Harmonische (2ω) innerhalb des Kristalls durch Re­ flexionen und zu einem entsprechenden Auskoppelbereich, der für die zweite Har­ monische (2ω) antireflektierend ausgebildet ist, geführt wird, um die zweite Harmo­ nische (2ω) aus dem nichtlinearen Kristall auszukoppeln. Es wird verständlich wer­ den, daß das lineare Kristall in den Strahlengang der einzelnen Laseroszillatoren so unter einem Einfallswinkel der Strahlung angeordnet wird, daß innerhalb des Kri­ stalls die Strahlungsanteile gebrochen und so geführt werdend daß sich die verdop­ pelte Strahlung (zweite Harmonische (2ω)) der einzelnen Laseroszillatoren addiert und als zusammengeführte Gesamtstrahlung (2ω) aus dem nichtlinearen Verdopp­ ler-Kristall ausgeblendet wird.

Aufgrund der mechanischen Komponenten, die zum Aufbau, und insbesondere zur Justage, der einzelnen Laseroszillatoren erforderlich sind, können die Abstände der Strahlungen benachbarter Oszillatoren eingangsseitig der dichroitischen Kompo­ nenten relativ groß sein. Um die Abmessungen der dichroitischen Komponenten ge­ ring zu halten, ist eine optische Anordnung von Vorteil, die eingangsseitig der dichroitischen Komponenten in den Strahlengang eingesetzt wird. Mit dieser opti­ schen Anordnung wird, vorzugsweise über Reflexionsflächen, der Abstand der Strahlen der einzelnen Laseroszillatoren in gewünschter Weise angenähert. Für ei­ nen einfachen Aufbau sind treppenstufenartige Spiegelelemente von Vorteil, die mindestens einmal den Strahl umlenken und somit die Strahlen zueinander annä­ hern. Außerdem kann mit solchen treppenstufenartigen Elementen durch geeignete Neigung der Reflexionsflächen auch eine nicht gegebene Parallelität der Strahlung der einzelnen Laseroszillatoren erreicht werden.

Weitere bevorzugte, verfahrensgemäße Maßnahmen sind in den Unteransprüchen 33 und 35 angegeben.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laseranordnung mit drei einzelnen Laseroszillatoren mit Ringresonator unter Einsatz eines Etalons zur Zusammenführung bzw. koaxialen Überlagerung der zweiten Harmonischen,

Fig. 2 eine Laseranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, ähnlich der Fig. 1, wobei das Etalon gleichzeitig die Funktion eines Verdoppler-Kristalls übernimmt,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform mit einem gegenüber Fig. 2 zusätzlichen Etalon, das mittels Diodenlaser gepumpt wird und als aktives Medium wirkt,

Fig. 4 eine gegenüber Fig. 3 geänderte, vierte Ausführungsform, bei der anstelle des etalonförmigen, aktiven Mediums der Fig. 3 ein prismenförmiges, aktives Medium eingesetzt wird,

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform mit einem viereckigen Prisma als Lasermedium,

Fig. 6 und 7 eine siebte Ausführungsform einer Laseranordnung, die beispielhaft zwei lineare Resonatoren mit ethalonförmigem Verdoppler zeigen, wobei die Ausführungsform 7 gegenüber der Ausführungsform der Fig. 6 zwei zusätzli­ che λ/4-Platten beidseitig des aktiven Mediums aufweist,

Fig. 8 einen weiteren, linearen Resonator, bei dem das Verdoppler-Kristall, wie es in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist, in einzelne Segmente unterteilt ist, wobei die Segmente zueinander versetzt sind,

Fig. 9 ein einzelnes Segment des Verdopplers der Fig. 8, wobei die Austrittsfläche gekrümmt ist, und

Fig. 10 schematisch einen Aufbau eines linearen Oszillators mit einer optischen Anord­ nung zur Strahlungsabstandsannäherung zweier benachbarter Laseroszillatoren.

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung aus drei einzelnen Laseroszillatoren 1 mit einem aktiven Medium 2, die mittels Diodenlaserstrahlung 3, durch Pfeile angedeutet, lon­ gitudinal gepumpt werden. Bei den aktiven Medien handelt es sich vorzugsweise um Festkörper, die, wie in der Fig. 1 angedeutet ist, zu einem gemeinsamen Fest­ körper zusammengefaßt werden können. Die einzelnen Laseroszillatoren 1 weisen einen Ringresonator auf mit drei Umlenkspiegeln 4, 5 und 6 sowie einer ersten Flä­ che 7 eines Etalons 8, das als dichroitische Komponente zur axialen Überlagerung der Strahlung der einzelnen Laseroszillatoren 1 dient. Die Umlenkspiegel 4, 5 und 6 sind jeweils für die Grundwelle (ω) sowie für die zweite Harmonische (2ω) hoch­ transparent beschichtet. Darüberhinaus ist der Umlenkspiegel 4 für die Pumpstrah­ lung (Grundwelle (ω)) hochtransparent bzw. antireflektierend. Das Etalon 8 ist an seiner ersten Fläche 7 für die Grundwelle (ω) hochreflektierend beschichtet, wäh­ rend die Beschichtung der ersten Fläche 7 für die zweite Harmonische (2ω) hoch­ transparent ist. Die gegenüberliegende, zweite, zu der ersten Fläche 7 parallele Fläche 9 des Etalons ist für die zweite Harmonische mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen. Die von den Lasermedien abgegebenen Grundwellen durch die Diodenlaser-Pumpstrahlung angeregt, werden mittels eines nichtlinearen Verdoppler-Kristalls 10, das zwischen dem Umlenkspiegel 6 und dem Etalon 8 in den Strahlengang eingefügt ist, resonatorintern frequenzverdoppelt (zweite Harmo­ nische 2ω). Aufgrund dieses Aufbaus ergeben sich drei Ringoszillatoren, die jeweils durch die Strahlenverläufe a₁-a₂-a₃-a₄-a₁, b₁-b₂-b₃-b₄-b₁ und c₁-c₂-c₃-c₄-c₁ für die Grundwelle gegeben sind. Die Buchstaben a, b, c sind den jeweiligen Oszillatoren zugeordnet, während die Indizes 1, 2, 3, 4 den jeweiligen Umlenkspiegeln 4, 5, 6 sowie dem Etalon 8 zugeordnet sind, wobei die Angaben die jeweiligen Umlenk­ punkte an den jeweiligen Elementen für die Strahlung des jeweiligen Ringoszillators angeben. Die im Ringoszillator a₁ . . . a₃ . . . a₁ im Verdoppler-Kristall erzeugte zweite Harmonische (2ω) tritt an dem Punkt a₄ ausgangsseitig des Verdoppler-Kristalls 10 über die erste Fläche 7, für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend beschich­ tet, in das Etalon 8 ein und folgt dort dem Weg a₅-b₄, tritt aus der ersten Fläche 7 des Etalons 8 aus und nimmt den weiteren Weg b₁-b₂-b₃-b₄, tritt an der ersten Flä­ che 7 des Etalons 8 wieder in das Etalon ein, folgt dem Weg b₅-c₄ und dann ent­ sprechend weiter dem Weg c₁-c₂-c₃-c₄-c₆-d₁ und wird dann an der Stelle d₁ ausgekoppelt und zu einem Umlenkspiegel 11, der für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist, hin geführt und an einem Punkt d₂ umgelenkt. Ähnlich verlau­ fen die in den weiteren zwei Ringoszillatoren 1 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) und werden an der Stelle d₁ aus dem Etalon 8 ausgekoppelt. Auf diese Weise werden die in den verschiedenen Ringoszillatoren erzeugen zweiten Harmonischen (2ω) mittels des Etalons zusammengeführt und derart ausgekoppelt, daß sich die zweiten Harmonischen (2ω) koaxial überlagern, so daß ein frequenzverdoppelter Ausgangsstrahl 12 erzeugt wird, dessen Leistung sich aus den Einzelleistungen der drei Ringoszillatoren additiv zusammensetzt. Es wird ersichtlich, daß die Leistung in Bezug auf die zweite Harmonische (2ω) dieser Laseranordnung durch die Anzahl der Ringoszillatoren in einfacher Weise skaliert werden kann. Um die Leistung zu erhöhen, werden weitere Ringoszillatoren der Anordnung hinzugefügt.

Soweit in den Figuren das Zeichen "ω" aufgeführt ist, so deutet dieses auf die Grundwelle (ω) hin, während das Zeichen "2ω" auf die zweite Harmonische (2ω) hin­ weist. Weiterhin bedeutet der Hinweis an Flächen "HRω" hochreflektierend für die Grundwelle (ω), "HR2ω" hochreflektierend für die zweite Harmonische (2ω) und "HTω" hochtransmittierend bzw. antireflektierend für die Grundwelle (ω) und "HTω" hochtransmittierend für die Pumpstrahlung (ω).

Wie aus Fig. 1 ersichtlich wird, ist in die Ringoszillatoren zwischen den Umlenk­ spiegeln 5 und 6 ein Faraday-Rotator 13 für den unidirektionellen Betrieb eingefügt. Die Laseranordnung der ersten Ausführungsform, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, kann dadurch vereinfacht werden, daß das in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnete Etalon aus einem nichtlinearen Material besteht und somit neben der Zusammenführung der Strahlung der einzelnen Laseroszillatoren 1 dazu dient, die Grundwellenstrahlung (ω) zu verdoppeln (2ω). In diesem Fall werden die Ringreso­ natoren a₁-a₂-a₃-a₄-a₅-a₆-a₁, b₁-b₂-b₃-b₄-b₅-b₆b₁ und c₁-c₂-c₃-c₄-c₅-c₆-c₁ nebeneinan­ der angeordnet. Innerhalb des als Etalon ausgebildeten Verdopplers 19 wird die zweite Harmonische (2ω) erzeugt. Die innerhalb des Oszillators a₁ . . . a₄ . . . a₁ generier­ te zweite Harmonische (2ω) wird innerhalb des Etalons 19 durch Mehrfachoszillation zu der Auskoppelstelle d geführt, die in dem dargestellten zweiten Ausführungs­ beispiel der Fig. 2 im Bereich der zweiten Fläche 8 vorgesehen ist, indem dieser Flächenbereich 14 für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend beschichtet ist. Ähnliches gilt für die von den beiden anderen Ringoszillatoren 1 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω), die ebenfalls innerhalb des Verdoppler-Etalons 19 zu der Aus­ koppelstelle d geführt werden, so daß die jeweiligen Strahlungsanteile der drei La­ seroszillatoren 1 zu einem gemeinsamen Ausgangsstrahl 12 koaxial überlagert wer­ den. Somit setzt sich die Leistung dieses Ausgangsstrahls 12 aus den Einzelleistun­ gen der Laseroszillatoren 3 additiv zusammen. Wie sich anhand des Aufbaus, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ergibt, läuft die zweite Harmonische (2ω) nicht durch das aktive Lasermedium 2. Aus diesem Grund müssen die Umlenkspiegel 4, 5 und 6 nur für die Grundwelle (ω) hochreflektierend beschichtet sein.

Soweit in Fig. 2 Bauteile mit den entsprechenden Bezugsziffern und Bezugszei­ chen bezeichnet sind, die auch bei der ersten Ausführungsform der Fig. 1 verwen­ det sind, können die entsprechenden Ausführungen, die in Bezug auf die Fig. 1 vorgenommen wurden, auf die zweite Ausführungsform der Fig. 2 übertragen wer­ den. Entsprechendes gilt für die nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 9 erläuterten Ausführungsformen.

In der dritten Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt ist, wird neben dem fre­ quenzverdoppelnden Etalon 19 ein weiteres Etalon 22 eingesetzt, wobei das Etalon 19, das Etalon 22 sowie die Umlenkspiegel 5 und 6 den Resonator festlegen. Das weitere Etalon 22, das gleichzeitig das aktive Medium ist, wird mittels Diodenlaser­ strahlung 3 über seine äußere Oberfläche 17, die für die Grundwelle (ω) hochreflek­ tierend ist, gepumpt. Aufgrund der Pumpstrahlungen ergeben sich drei nebeneinan­ derstehende Ringoszillatoren mit den gezeigten Verläufen. Die zweite Harmonische (2ω) wird resonatorintern und innerhalb des Verdoppler-Etalons 19 erzeugt und zur Auskoppelstelle d (Flächenbereich 14) geführt. Sowohl das Verdoppler-Etalon 19 als auch das Festkörper-Etalon 22 führen die Strahlen jeweils zusammen. Wie an­ hand der Fig. 3 dargestellt ist, verbleibt die zweite Harmonische (2ω) bis zur Aus­ koppelstelle d nur innerhalb des Verdoppler-Etalons 19. Weiterhin hat der Aufbau gemäß der dritten Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt ist, den Vorteil, daß beispielsweise nur ein Festkörpermedium benötigt wird.

Eine vierte Ausführungsform ist in der Fig. 4 dargestellt, die als Abwandlung der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 angesehen werden kann. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der Fig. 3 wird anstelle des etalonförmigen, aktiven Mediums 22 ein Laserprisma 32 als aktives Medium verwendet, das wiederum mittels drei Di­ odenlasern, durch die Strahlungspfeile 3 angedeutet, von der Außenseite gepumpt wird. Der Basisfläche 33 des Laserprismas 32 ist ein weiteres, für die Grundwellen­ strahlung (ω) transparentes Strahlungsführungsprisma 34 zugeordnet, dessen in Fig. 4 rechts liegender Fläche ein Verdoppler-Etalon 19, vergleichbar mit dem Ver­ doppler-Etalon der Fig. 3, zugeordnet ist. Sowohl die Basisfläche 33 des Laser­ prismas 32 als auch die Basisfläche 35 des Strahlungsführungsprismas 34 sind für die Grundwellenstrahlung (ω) antireflektierend ausgebildet. Innerhalb des aktiven Mediums 32 und des Strahlungsführungsprismas 34 entstehen, angeregt durch die Diodenlaserstrahlung 3, drei Ringoszillatoren 1. Auch in diesem Fall wird an der in­ nenliegenden, ersten Fläche 7 des Verdoppler-Etalons 19 die Grundwelle (ω) hin­ durchgelassen, die verdoppelt wird (zweite Harmonische (2ω)), wobei dann auf­ grund der hochreflektierenden Beschichtung der ersten Fläche 7 und der zweiten Fläche 8 des Etalons 19 die zweite Harmonische (2ω) zu dem für die zweite Harmo­ nische transparenten Flächenbereich 14 geführt wird. Dieser Aufbau besitzt den be­ sonderen Vorteil, daß die extrem hohe Reflektivität der internen Totalreflexion ge­ nutzt werden kann.

Eine fünfte Ausführungsform zeigt die Fig. 5′ bei der das aktive Lasermedium in Form eines viereckigen Prismas 42 gebildet ist. Das aktive Medium 42 wird durch die Strahlung 3 von drei Diodenlasern angeregt, so daß drei nebeneinanderliegen­ de Oszillatoren (Grundwelle (ω)) mit linearen Ringresonatoren entstehen. Drei der Flächen des viereckigen Prismas 42 sind hochreflektierend für die Grundwelle (ω) ausgebildet, während die in Fig. 5 untere, rechte Stirnfläche, vergleichbar mit der entsprechenden Stirnfläche des Strahlungsführungsprismas 34 der Fig. 4, für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet ist. Dieser Stirnfläche ist ein Verdopp­ ler-Etalon 19 zugeordnet, dessen erste Fläche 7 für die Grundwelle (ω) antireflek­ tierend beschichtet ist, während sie für die zweite Harmonische (2ω), ebenso wie die gegenüberliegende, parallel verlaufende zweite Fläche 9, hochreflektierend be­ schichtet ist. Die zweite Harmonische (2ω) wird an dem Flächenbereich 14 wieder­ um ausgekoppelt, so daß ein Ausgangsstrahl 12 gebildet wird, dessen Leistung sich aus der Leistung der drei einzelnen Laseroszillatoren 1 zusammensetzt. Im wesent­ lichen sind für diese Anordnung nur zwei Bauteile, neben dem Diodenlaser zum op­ tischen Pumpen, in Form des aktiven Mediums 42 (Laserprisma) und des Verdopp­ ler-Etalons 19 erforderlich. Für eine höhere Skalierung können weitere Oszillatoren mittels weiterer Diodenpumplaser erzeugt werden, deren Strahlung mittels des Ver­ doppler-Etalons 19 der Strahlung der drei in Fig. 5 gezeigten Laseroszillatoren 1 hinzugefügt wird.

Während die Fig. 1 bis 5 fünf Ausführungsformen mit Ringoszillatoren darstel­ len, zeigen die Fig. 6, 7 und 8 Aufbauten verschiedener linearer Oszillatoren, in denen der erfindungsgemäße Aufbau umgesetzt ist.

Die linearen Resonatoren, wie sie die Fig. 6, 7 und 8 zeigen, besitzen zwei Re­ sonatorendspiegel 44, zwischen denen ein aktives Medium 52 angeordnet ist. Wei­ terhin ist zwischen dem aktiven Medium 52 und dem rechtsseitigen Resonatorend­ spiegel 44 ein Verdoppler-Etalon 48 in dem Strahlengang positioniert. Über den lin­ ken Resonatorendspiegel 44, der für die Grundwelle (ω) hochreflektierend ist, wird mittels Pumpstrahlen, bei denen es sich wiederum um Diodenlaserstrahlung 3 han­ delt, gepumpt. Das mittels der Punktstrahlung 3 angeregte aktive Medium gibt drei Grundwellen (ω) ab, so daß drei lineare Oszillatoren 11 zwischen den Resonato­ rendspiegeln 44 nebeneinanderstehen. In dem Verdoppler-Etalon 48, das mit seiner ersten Fläche 7 und seiner zweiten Fläche 9 unter einem geeigneten Winkel zu der Grundwellenstrahlung (ω) positioniert ist, wird die zweite Harmonische (2ω) in den zwei Propagationsrichtungen, durch die jeweiligen Doppelpfeile innerhalb des Eta­ lons 48 angedeutet, erzeugt. Das Verdoppler-Etalon 48 ist so ausgebildet, daß die von der links laufenden Grundwelle (ω) erzeugte zweite Harmonische (2ω) in die an­ dere Propagationsrichtung reflektiert wird, so daß in der Fig. 6 im oberen Bereich des Etalons 48 der ersten Fläche 7 an dem Flächenbereich 14, der für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend ausgebildet ist, während die erste und die zweite Fläche 7 und 9 für die Grundwelle (ω) antireflektierend und für die zweite Harmonische hochreflektierend beschichtet sind, als Ausgangsstrahl 12 ausgekop­ pelt wird. Wiederum setzt sich die Leistung des Ausgangsstrahls 12 additiv aus den Leistungen der drei linearen Einzelresonatoren 21 zusammen. Da die zweite Har­ monische (2ω) innerhalb des Verdoppler-Etalons 48 in zwei Richtungen erzeugt wird, ist es von Vorteil, die untere Stirnfläche 49 des Etalons 48 abzuschrägen und so zu der ersten und der zweiten Fläche 7, 9 zu orientieren, daß die zweite Harmo­ nische (2ω), die zu dieser Fläche hin reflektiert wird, mit nur einer Reflexion zurück­ reflektiert wird, um sie zu dem Auskoppel-Flächenbereich 14 hin zu führen. Hier­ durch können die Reflexionen und damit die Reflexionsverluste in diesem Bereich des Etalons 48 gering gehalten werden.

Es wird wiederum deutlich, daß durch einfache Hinzufügung weiterer linearer Oszil­ latoren 21 die Leistung der Laseranordnung, d. h. die Leistung des Ausgangsstrahls 12, der frequenzverdoppelt ist, nach oben skaliert werden kann.

Die siebte Ausführungsform, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, zeigt den grundsätzli­ chen Aufbau, wie er anhand der Fig. 6 beschrieben wurde. Zusätzlich zu der Aus­ führungsform der Fig. 6 ist beidseitig des aktiven Mediums 52 eine λ/4-Platte 45 eingefügt. Durch diese λ/4-Platten 45 werden die Polarisationen der nach links und nach rechts laufenden Grundwellen (ω) so gelegt, daß die Polarisationen dieser ge­ genläufigen, nach links und nach rechts laufenden Grundwellen (ω) senkrecht zu­ einander stehen. Wenn nun der etalonförmige Verdoppler 48 phasenangepaßt und für die rechtslaufende Welle bestimmt ist, so wird die Phasenanpassungsbedingung für die linkslaufende Welle nicht erfüllt. Damit wird nur durch die rechtslaufende Grundwelle (ω) eine zweite Harmonische (2ω), aber nicht für die linkslaufende Grundwelle (ω), wie dies durch die jeweils in eine Richtung verlaufenden Pfeile in­ nerhalb des Verdoppler-Etalons 48 der Fig. 7 angedeutet ist, erzeugt. Die erzeugte zweite Harmonische (2ω) der einzelnen Laseroszillatoren 21 wird mittels des Eta­ lons 48, dessen erste Fläche 7 und zweite Fläche 9 wiederum für die Grundwelle (ω)antireflektierend, allerdings für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend, beschichtet sind, zusammengeführt und ein Ausgangsstrahl 12 (2ω) über den Flächenbereich 14 ausgekoppelt. Diese Ausführungsform mit sogenanntem "twisted mode" führt weiterhin zur Vermeidung des räumlichen, sogenannten "hole-burning", wodurch die Leistungsstabilität erhöht wird.

Anhand der Ausführungsformen der Fig. 1 bis 7 wurden Verdoppler-Kristalle ge­ zeigt, bei denen es sich jeweils um ein einstückiges Etalon handelt. In der achten Ausführungsform nach der Fig. 8, die im wesentlichen einen linearen Resonator darstellt, wie er auch in der Fig. 7 gezeigt ist, ist jedem linearen Oszillator 21 ein jeweiliges Verdoppler-Kristall 50 zugeordnet. Jedes dieser Verdoppler-Kristalle 50 weist wiederum eine erste Fläche 7 und eine zweite Fläche 8 auf, die jeweils für die Grundwellenstrahlung (ω) antireflektierend und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet sind. Durch geeignete Dimensionierung, Positionie­ rung und Orientierung, wie dies schematisch in Fig. 8 dargestellt ist, werden die in den Verdoppler-Kristallen 50 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) geformt und an der zweiten Fläche 9 jeweils zu dem benachbarten Verdoppler-Kristall 50 hin reflek­ tiert, wo sie aus der seitlichen Stirnfläche 53, die für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend beschichtet ist, austreten und in die entsprechende, seitliche Stirn­ fläche 54 des benachbarten Verdoppler-Kristalls 50, die ebenfalls für die zweite Harmonische antireflektierend beschichtet ist, eintreten, auf die entsprechende er­ ste Fläche 7 auftreffen, von dort zu der zweiten Fläche 9 hin reflektiert werden und von dort wiederum zu der Stirnfläche 53 gerichtet werden, dort austreten und in das jeweils nächste Verdoppler-Kristall 50 eintreten. Im Bereich des letzten Verdoppler- Kristalls 50, in Fig. 8 das obere Verdoppler-Kristall, wird dann der Ausgangsstrahl 12 über die Stirnfläche 53 ausgekoppelt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß gerade dann, wenn jedem Laseroszillator ein aktives Medium 52 zugeordnet wird, wie dies die Fig. 8 zeigt, so daß die einzelnen linearen Resonatoren 21 in ei­ nem größeren Abstand voneinander beabstandet sind, als dies beispielsweise bei der Ausführungsform der Fig. 7 der Fall ist, mittels der einzelnen Verdoppler-Kri­ stalle 50 ein größerer Versatz zueinander erzeugt werden kann, um die Strahlungs­ anteile in Form der zweiten Harmonischen (2ω) der jeweiligen linearen Oszillatoren 21 additiv zusammenzuführen.

In der Fig. 9 ist ein einzelnes Verdoppler-Kristall 50, wie es in der Anordnung der Fig. 8 eingesetzt ist, dargestellt, wobei, im Gegensatz zu der Darstellung der Fig. 8, die austrittsseitige Stirnfläche 53 gewölbt ist. Eine solche Maßnahme kann nicht nur an der Austrittsfläche 53, sondern auch an den jeweiligen Eintrittsflächen 54 von Vorteil sein, um die Kaustiken der in den jeweiligen Laseroszillatoren 21 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) aufeinander anzupassen. Der Einsatz der jedem linea­ ren Oszillator 21 zugeordneten Verdoppler-Kristalle 50 kann in analoger Weise bei den in den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 6 gezeigten und beschriebenen Ringoszillatoren eingesetzt werden.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung, insbesondere anhand der verschie­ denen Ausführungsbeispiele, ergibt, sind mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen die Vorteile einer geringen thermischen Belastung der optischen Komponenten und der einfachen und quasi unbegrenzten Skalierbarkeit der Laseranordnungen in Be­ zug auf frequenzverdoppelte Strahlung gegeben.

Aufgrund mechanischer Aufbauten, die für die einzelnen Laseroszillatoren 1 bzw. die Feldanordnung erforderlich sind, können die Abstände sehr groß sein, wie dies schematisch in Fig. 10 mit dem Abstand "D" dargestellt ist. Um die Strahlen in ih­ rem Abstand näher zueinander zu bringen und das Etalon 48 in seinen Abmessun­ gen auf akzeptablen Maßen halten zu können, wird eine optische Anordnung 60 eingesetzt, die aus einem ersten Umlenkelement 61 und einem zweiten Umlenkele­ ment 61 aufgebaut ist, die jeweils treppenförmige Spiegelflächen 63 besitzen, die so abgestuft sind bzw. in unterschiedlichen Abständen zu den Laseroszillatoren 1 an­ geordnet sind, daß ausgangsseitig des zweiten Umlenkelements 62 der Abstand zwischen den zwei Strahlen, mit "d" bezeichnet, angenähert wird. Die zweifache Umlenkung kann so ausgelegt werden, daß gleiche Resonatorlängen der einzelnen Laserresonatoren bei gleichzeitiger Annäherung (oder Entfernung) erreicht werden.

Claims (34)

1. Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen Laseroszillatoren, wobei die Strahlung der Laseroszillatoren mittels optischer Komponenten gebündelt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß die Grundwellenstrahlung des jeweiligen Oszillators durch ein nichtlineares Kristall in der Frequenz verdoppelt wird und daß die jeweili­ ge Strahlung mittels einer optischen, dichroitischen Komponenten sich koaxial überlagernd zusammengeführt wird.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dichroitische Komponente das frequenzverdoppelnde Kristall ist.

3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Laseroszillatoren ein gemeinsames, nichtlineares Kristall zugeordnet ist.

4. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Kristall zwei parallele Flächen aufweist, die Eintritts-, Austritts­ und/oder Reflexionsflächen für die Strahlung bilden.

5. Laseranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen La­ seroszillatoren jeweils einen Ringresonator aufweisen.

6. Laseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kristall eine die Strahlung umlenkende Funktion zugeordnet ist.

7. Laseranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristall eine Eintritts- und eine Reflexionsfläche aufweist, wobei die Eintrittsfläche für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist und wobei die Reflexionsfläche für die Grundwelle (ω) und die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist.

8. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche oder die Reflexionsfläche eine Auskoppelfläche für die zweite Harmonische (2ω) aufweist.

9. Laseranordnung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche und die Reflexionsfläche parallel zueinander gebildet sind.

10. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Laseroszillatoren ein gemeinsames Festkörpermedium zugeordnet ist.

11. Laseranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper­ medium als Prisma ausgebildet ist, wobei mindestens zwei Flächen Reflexionsflä­ chen des Ringresonators bilden.

12. Laseranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper­ medium als Etalon ausgebildet ist, wobei die eine Fläche eine antireflektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) aufweist und die andere Fläche eine hochre­ flektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) aufweist.

13. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laseroszillator ein separates Festkörpermedium aufweist.

14. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren jeweils einen linearen Resonator bilden.

15. Laseranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszil­ latoren parallel zueinander angeordnet sind.

16. Laseranordnung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristall eine erste Fläche und eine gegenüberliegende zweite Fläche auf­ weist, wobei beide Flächen für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet sind und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet sind.

17. Laseranordnung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristall eine erste Fläche und eine gegenüberliegende zweite Fläche auf­ weist, wobei die erste Fläche für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet ist und wo­ bei die zweite Fläche für die Grundwelle (ω) und die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet ist.

18. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Flächen eine Auskoppelfläche für die zweite Harmonische (2ω) aufweist.

19. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen parallel zueinander gebildet sind.

20. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß den Laseroszillatoren ein gemeinsames Festkörpermedium zugeordnet ist.

21. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laseroszillator ein separates Festköpermedium aufweist.

22. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Resonators beidseitig des Festkörpermediums jeweils eine λ/4-Platte eingesetzt ist.

23. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristall eine dritte Fläche aufweist, die für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist und die von der nach links laufenden Grundwelle (ω) erzeugte zweite Harmonische (2ω) zurückreflektiert.

24. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dichroitische Komponente eine erste Fläche und eine gegenüberliegende zweite Fläche auf­ weist, wobei die erste Fläche für die Grundwelle (ω) hochreflektierend ist und für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend ist.

25. Laseranordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laseroszillatoren jeweils einen Ringresonator aufweisen.

26. Laseranordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszil­ latoren jeweils einen linearen Resonator bilden.

27. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß den Laseroszillatoren ein gemeinsames, nichtlineares Kristall zugeordnet ist.

28. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß den Laseroszillatoren ein gemeinsames Festkörpermedium zugeordnet ist.

29. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Kristall und/oder die dichroitische Komponente in einzelne Segmente, die mit Abstand zueinander angeordnet sind, unterteilt ist (sind), wobei jedes Segment eine Austrittsfläche und/oder eine Eintrittsfläche aufweist, die für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend sind.

30. Laseranordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und/oder Austrittsfläche(n) eine Krümmung aufweisen derart, daß die Kaustiken der in dem jeweiligen Laseroszillator erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) aufeinan­ der angepaßt werden.

31. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang mindestens eines Laseroszillators im Strahlengang zwi­ schen der dichroitischen Komponenten und dem aktiven Medium eine optische An­ ordnung eingesetzt ist, die die Abstände zwischen dem mindestens einen Laseros­ zillator zu mindestens einem anderen der Laseroszillatoren verändert.

32. Verfahren zur Leistungsskalierung von frequenzverdoppelten Lasern, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei Laseroszillatoren nebeneinander angeordnet werden und deren Grundwelle jeweils in der Frequenz verdoppelt wird und daß die verdoppelte Strahlung koaxial zusammengeführt wird.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren entkoppelt betrieben werden.

34. Verfahren nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laseroszillatoren mit zueinander geringfügig unterschiedlicher Fre­ quenz der Grundwelle betrieben werden.