DE19603704B4

DE19603704B4 - Optisch gepumpter Laser mit polarisationsabhängiger Absorption

Info

Publication number: DE19603704B4
Application number: DE19603704A
Authority: DE
Inventors: Robert Maag; Martin Dr. Wiechmann; Heinz Abramowsky
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2016-02-03
Also published as: GB9602716D0; DE19603704A1; GB2298082B; US6137820A; GB2298082A

Abstract

Optischer gepumpter Laser
– mit einem Lasermedium (1), das für die Absorption von Pumplicht und die Emission von Laserlicht eine Polarisations-Vorzugsrichtung hat;
– mit einem Laser-Resonator (100), in dem das Lasermedium (1) angeordnet ist; und;
– mit einer Pumplichtquelle (200), die zum Pumpen des Lasermediums (1) ein Lichtbündel (P) mit unpolarisierter Pumpstrahlung bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Lichtbündel (P) mit unpolarisierter Pumpstrahlung mittels Strahlteiler (2) in ein erstes Teilbündel (T1) und ein zweites Teilbündel (T2) aufgespalten wird, die dem Lasermedium (1) getrennt zugeführt werden;
– wobei im Strahlengang eines Teilbündels (T2) ein die Polarisationsrichtung drehendes optisches Element (3) vorgesehen ist; und wobei
– der Strahlteiler (2) und das die Polarisationsrichtung drehende optische Element (3) bewirken, dass das erste Teilbündel (T1) und das zweite Teilbündel (T2) dem Lasermedium (1) mit einer der Polarisations-Vorzugsrichtung des Lasermediums (1) wenigstens teilweise entsprechenden Polarisation zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Laser nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Solche Laser gibt es in vielen Variationen. Häufig sind Maßnahmen vorgesehen, mit denen Licht mehrerer Pumplichtquellen in das Lasermedium eingekoppelt wird, da damit die Leistung erhöht werde kann.
Ein optisch gepumpter Laser des eingangs genannten Art ist aus der US Re 34 729 bekannt. Dort ist ein durch Laserdioden-Arrays beidseitig axial endgepumpter Festkörperlaser, u. a. mit Nd:YLF-Kristall, bekannt. Zwei Pumplichtquellen können durch einen polarisierenden Strahlteiler überlagert werden. Ein dichroitischer Ablenkspiegel ist zur Trennung der Strahlengänge des Laserlichts und des Pumplichts außerhalb des Laser-Resonators vorgesehen. Lichtleiter sind nicht vorgesehen.
In der US 5 170 406 ist ein durch Laserdioden-Arrays beidseitig schief und außeraxial endgepumpter Festkörperlaser offenbart. Zu jeder Pumplichtquelle gehört ein separater Strahlengang ohne Lichtleiter. Der Laserstrahlengang wird von optischen Elementen zum Pumpen nicht berührt.
In K. Kubodera, J. Noda, Applied Optics 21 (1982), 3466–3469 ist ein Beispiel für einen Laserdioden-endgepumpten Festkörperlaser mit Faserkopplung beschreiben. Jeder Lichtquelle ist eine Lichtleitfaser und eine Fokussierlinse zugeordnet. Eine Faser/Linse-Einheit ist axial, die restlichen sind schräg auf einem Kegel liegend zum Laserstab angeordnet.
Es ist bekannt, daß verschiedene Laserkristalle eine polarisationsabhängige Absorption haben, was Einfluß auf den Wirkungsgrad der Laserlicht-Erzeugung hat, vergleiche zum Beispiel N. P. Barnes et al. IEEE J. Quantum Electronics 26 (1990), S. 558–569, Tab. I. Beispiele sind Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:LSB oder Nd:YAP.
Lichtleiter, speziell Lichtleitfasern und Bündel davon, sind vorteilhaft zur Kopplung von Pumplichtquelle und Lasermedium, insbesondere wegen ihrer Flexibilität und der geometrischen Gestaltungsmöglichkeiten. In der Regel depolarisieren sie jedoch das transmittierte Licht.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer neuen Anordnung zum Übertragen des Pumplichts von einer Pumplichtquelle – die aus beliebig vielen Elementen zusammengesetzt sein kann – zum Lasermedium, die insbesondere bei polarisationsempfindlichen Lasermedien einen erhöhten Wirkungsgrad in Verbindung mit der Verwendung von Lichtleitern ermöglicht, und die insgesamt erweiterte Möglichkeiten zur Pumpanordnung eröffnet.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt für einen gattungsgemäßen Laser mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Besondere Vorteile der Erfindung kommen in den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen zum Tragen: Nach Anspruch 2 erfolgt die Aufspaltung des Lichtbündels durch physikalische Strahlteilung, insbesondere durch einen Polarisations-Strahlteiler, was in Verbindung mit Anspruch 3, wonach die zwei Teilbündel mit gleicher Polarisations-Richtung, und zwar angepaßt an die polarisationsabhängigen Absorptionseigenschaften des Lasermediums, dem Lasermedium zugeführt werden, einen optimalen Wirkungsgrad ergibt.
Wegen der bekannten Vorteile beim Wirkungsgrad usw. wird gemäß Anspruch 4 das Endpumpen bevorzugt, und zwar in den Varianten nach Anspruch 5 – beidseitig, bevorzugt symmetrisch axial, aber auch schiefwinklig –, nach Anspruch 6 einseitig mit beiden Teilbündeln, und dabei nach Anspruch 7 so schiefwinklig, daß die Pumpoptik nicht das Laserlicht stört, also keine dementsprechenden dichroitischen Elemente, Strahlteiler usw. benötigt werden.
Wegen der Flexibilität in Konstruktion und Handhabung werden gemäß Anspruch 8 bevorzugt Pumplichtquellen mit Lichtleiter, insbesondere einzelnen Lichtleitfasern oder Lichtleitfaser-Bündeln verwendet. Gerade hierbei, wo die Lichtleiter depolarisierend wirken, ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Ausführung eine deutliche Verbesserung, da ohne diese bei polarisationsempfindlichen Lasermedien die Hälfte des aus dem Lichtleiter austretenden depolarisierten Lichts deutlich geringere Pumpwirkung hätte.
Laserdioden und für höhere Leistungen Laserdioden-Arrays als eigentliche Lichterzeuger in der Pumplichtquelle sind gemäß Anspruch 9 bevorzugt.
Als Lasermedium wird gemäß Anspruch 10 ein Festkörper bevorzugt, insbesondere ein Kristall aus Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:LSB oder Nd:YAP. Diese Kristalle weisen Doppelbrechung auf und haben für das optische Pumpen eine polarisationsabhängige Absorption. Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Lasers mit einem dieser Kristalle als Lasermedium ermöglicht daher eine Verbesserung des Wirkungsgrads.
Gemäß Anspruch 11 wird im Resonator ein schrägstehender dichroitischer Einkoppelspiegel für einen Teilstrahl vorgesehen. Vorteilhaft ist diese Anordnung besonders dann, wenn nach Anspruch 12 eine Frequenzverschiebung vorgesehen ist, etwa eine Intracavity-Frequenzverdopplung oder eine andere Frequenzverschiebung mit nichtlinearen optischen Elementen vorgesehen ist. Dabei ist es günstig, wenn der dichroitische Spiegel, wie in Anspruch 13 angegeben, zugleich das frequenzverschobene Licht aus dem Laser-Resonator auskoppelt.
Vorteilhaft ist auch die Verwendung eines schrägstehenden Spiegels gemäß Anspruch 14 mit Loch im Bereich des Laserstrahls, so daß dieser nicht beeinträchtigt wird.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung:
1 zeigt einen beidseitig endgepumpten Festkörperlaser mit einer Pumplichtquelle mit Laserdioden-Array und Faserkopplung, erfindungsgemäßer Polarisationsteilung und Polarisationsdrehelement in einem Teilstrahl;
2 zeigt eine Abwandlung mit einem Laser mit SHG-Kristall und schrägstehendem Spiegel im Resonator, der auf einer Seite Pumplicht einkoppelt und auf der anderen das frequenzverdoppelte Licht auskoppelt;
3 ist ein Ausschnitt aus 2 mit gelochtem Einkoppelspiegel;
4 zeigt eine Abwandlung mit einseitigem Pumpen.
Die in 1 gezeigte Anordnung umfaßt einen Laser-Resonator 100 und eine Pumplichtquelle 200 in bekannter Ausführung neben den erfindungsgemäß vorgesehenen Teilen.
Der Laser-Resonator 100 besteht aus dem Lasermedium 1, einem Festkörper, vorzugsweise einem Kristall aus Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:LSB oder Nd:YAP. Diese Kristalle sind mit dem Licht von GaAlAs-Laserdioden gut zu pumpen und emittieren im nahen Infrarot, was für Lichtleiter-Nachrichtentechnik usw. brauchbar ist, bzw. ergeben mit Frequenzverdopplung sichtbares Licht. Die angegebenen Kristalle haben alle für die Absorption von Pumplicht wie für die Emission von Laserlicht eine Vorzugsrichtung der Polarisation. Sie eignen sich daher besonders für die Erzeugung von polarisiertem Laserlicht, zeigen andererseits einen guten Wirkungsgrad nur beim Pumpen kurzer Laserkristalle mit geeignet polarisiertem Licht.
Ein Ende des Lasermediums 1 trägt unmittelbar den Auskoppelspiegel 12 in Form dünner Schichten. Der zweite Resonator-Spiegel 11 ist konkav und hier als separates Teil eingesetzt. Beide Spiegel 11, 12 sind dichroitisch, sie sind für das Pumplicht durchlässig und entspiegelt, wie auch das freie Ende des Lasermediums 1. Der Laser-Resonator 100 kann also von beiden Enden optisch gepumpt werden.
Die Pumplichtquelle 200 entspricht ebenfalls bekannten Ausführungen mit Laserdioden-Array 14, Fokussierlinse 13, Lichtleiter 4 und Kondensorlinse 5. Das Laserdioden-Array 14 kann auch aus mehreren handelsüblichen Laserdioden-Array-Chips zusammengesetzt sein, um Leistungen in der Größenordnung von 10¹ W zu erreichen. Die Fokussierlinse 13 kann dann auch ein Linsenarray sein.
Als Lichtleiter 4 kommen Lichtleitfasern und, besonders für höhere Leistungen, Lichtleitfaserbündel in Frage. Die Kollimatorlinse 5 kann auch durch eine Anordnung zur Anpassung des Pumplichtbündel-Querschnitts an die folgende Optik ersetzt sein.
Durch die Anpassung der Zusammensetzung der Laserdioden, sowie die Einstellung und Stabilisierung von Strom und Temperatur, wird in bekannter Weise die Emissionswellenlänge des Laserdioden-Arrays 14 an die Pumpcharakteristik des Lasermediums 1 angepaßt.
Einziger Nachteil einer solchen Pumplichtquelle 200 zur Verwendung mit polarisationsempfindlichen Lasermedien 1 ist, daß durch den Lichtleiter 4 die Polarisation des Pumplichts, soweit sie bei dem Laserdioden-Array 14 vorhanden ist, aufgehoben wird, und das bereitgestellte Pumplichtbündel P im wesentlichen unpolarisiert ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird nun erreicht, daß dieses unpolarisierte Pumplichtbündel P im wesentlichen vollständig, d. h. ohne Verlust eines von zwei orthogonal linear polarisierten Anteilen, linear polarisiert dem Lasermedium 1 zugeführt wird. Natürlich ist es auch möglich und je nach den Gegebenheiten sinnvoll, daß die Teilbündel T1, T2 teilweise polarisiert sind, z. B. ausgeprägt elliptisch.
Am Ausgang der Pumplichtquelle 200 ist dazu ein Polarisations-Strahlteiler 2 angeordnet, der zwei zueinander senkrecht linear polarisierte Teilstrahlen T1 und T2 erzeugt. Der erste Teilstrahl T1 wird konventionell über eine Fokussierlinse 6 und einen Umlenkspiegel 9 durch den Resonatorspiegel 11 in ein Ende des Lasermediums 1 fokussiert. Der zweite Teilstrahl T2 wird einem die Polarisationsrichtung drehenden optischen Element 3 (Lambda/2-Platte) zugeführt und dort um 90° in die Polarisationsrichtung des ersten Teilstrahls T1 gedreht. Ein Umlenkspiegel 8 und eine Fokussierlinse 7 folgen. Ein Spiegel 10 lenkt das zweite Pumplichtbündel T2 schließlich auf das zweite Ende des Lasermediums 1. Der Spiegel 10 ist dichroitisch, so daß der Laserstrahl LS ungehindert durchtreten kann.
Eine Alternative dazu zeigt 2, wo das zweite Teilbündel T2 durch einen dichroitischen Spiegel 101 eingekoppelt wird, der für das Laserlicht LS transparent ist. Im Beispiel ist der Spiegel 101 innerhalb des Laser-Resonators angeordnet, der hier auch einen Frequenzverdoppler-Kristall 15 und einen separaten zweiten Resonatorspiegel 121 aufweist.
Die Rückseite des Spiegels 101 ist ebenfalls dichroitisch beschichtet, in der Weise, daß das Laserlicht LS ebenfalls durchgelassen wird und das frequenzverdoppelte Licht SH aus dem Laser-Resonator ausgekoppelt wird.
Natürlich kann der dichroitische Einkoppelspiegel auch ohne diesen Zusatznutzen vorgesehen werden.
3 zeigt, daß der Spiegel 102 auch mittig gelocht werden kann, so daß der Laserstrahl LS ungehindert durchtreten kann. 3 ist ansonsten ein Ausschnitt aus 2 mit gleichen Teilen. Der Verlustanteil vom Pumplichtbündel durch dieses Loch im Spiegel 102 ist bei nicht zu großem Durchmesser des Laserstrahls LS gering. Er kann jedoch bei Bedarf weiter reduziert werden, indem ein Axicon zur Formung eines ringförmigen Bündels eingesetzt wird.
Eine Variante mit einseitigem Pumpen des Lasermediums 1 zeigt 4.
Von der Pumplichtquelle 203, die unten näher beschrieben wird, gelangt das Pumplicht zum Polarisations-Strahlteiler 2. Das erste Teilbündel T1 wird direkt einer Linse 731 zugeführt, das zweite Teilbündel T2 wird über einen Umlenkspiegel 82 und das die Polarisation drehende Element 3 der Linse 732 zugeführt. Die Linsen 731 und 732 sind gleiche Segmente einer normalen Sammellinse, von der ein zentraler Bereich frei bleibt für den Laserstrahl LS zwischen dem Resonatorspiegel 11 und dem Lasermedium 1, welches auf der gegenüberliegenden Seite den Auskoppelspiegel 12 trägt. Gleich bezeichnete Teile entsprechen in ihrer Ausführung den bei den 1 und 2 beschriebenen Teilen.
Die beiden Teilstrahlen T1 und T2 werden durch die Linsen 731 und 732 auf das Ende des Lasermediums 1 schräg von seitlich gerichtet und im Endbereich fokussiert. Das Ende ist für das Laserlicht LS und das Pumplicht T1, T2 entspiegelt. Es ist möglich, die Teilbündel T1, T2 neben den im Laser-Resonator zirkulierenden Laserstrahl LS auf das Ende treffen zu lassen, dann können getrennte Bereiche des Endes des Lasermediums 1 für die beiden Wellenlängen entspiegelt sein.
Die beiden Linsen 731, 732 können, wenn das fertigungstechnisch vorteilhaft ist, auch zu einer hohlgebohrten Linse vereinigt sein.
Zur Leistungssteigerung des Lasers kann eine solche Pumpanordnung auch zusätzlich am zweiten Ende des Lasermediums 1 angeordnet werden. Ein Vorteil ist, daß der Bereich des Laserstrahls LS nicht von der Pumpanordnung berührt wird.
Die Pumplichtquelle 203 ist hier in einer Variante gezeigt, die mehrere Chips 141, 142, 143 mit Laserdioden oder Laserdioden-Arrays aufweist, wodurch ihre Leistung skaliert werden kann. Die Chips 141, 142, 143 sind direkt (butt coupling) an die Enden der Zweige 431, 432, 433 des Lichtleitfaser-Bündels 43 gekoppelt.
Natürlich sind die Pumplichtquellen 200, 203 oder andere nach Bedarf mit der sonstigen erfindungsgemäßen Anordnung nach 1–4 zu koppeln.
Die Beispiele sind für polarisationsempfindliche Festkörper als Lasermedium angegeben. Die Erfindung ist aber auch für andere Laser mit anderen optisch gepumpten Lasermedien geeignet.

Claims

Optischer gepumpter Laser – mit einem Lasermedium (1), das für die Absorption von Pumplicht und die Emission von Laserlicht eine Polarisations-Vorzugsrichtung hat; – mit einem Laser-Resonator (100), in dem das Lasermedium (1) angeordnet ist; und; – mit einer Pumplichtquelle (200), die zum Pumpen des Lasermediums (1) ein Lichtbündel (P) mit unpolarisierter Pumpstrahlung bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass – das Lichtbündel (P) mit unpolarisierter Pumpstrahlung mittels Strahlteiler (2) in ein erstes Teilbündel (T1) und ein zweites Teilbündel (T2) aufgespalten wird, die dem Lasermedium (1) getrennt zugeführt werden; – wobei im Strahlengang eines Teilbündels (T2) ein die Polarisationsrichtung drehendes optisches Element (3) vorgesehen ist; und wobei – der Strahlteiler (2) und das die Polarisationsrichtung drehende optische Element (3) bewirken, dass das erste Teilbündel (T1) und das zweite Teilbündel (T2) dem Lasermedium (1) mit einer der Polarisations-Vorzugsrichtung des Lasermediums (1) wenigstens teilweise entsprechenden Polarisation zugeführt werden.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler als Polarisationsstrahlteiler (2) ausgebildet ist.
Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilbündel (T1, T2) dem Lasermedium (1) polarisiert zugeführt werden.
Laser nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Teilbündel (T1, T2) auf die Enden des Lasermediums (1), also die vom emittierten Laserlicht (LS) durchdrungenen Flächen des Lasermediums (1), gerichtet sind.
Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Teilbündel (T1, T2) auf je ein Ende des Lasermediums (1) gerichtet ist, insbesondere symmetrisch zur Achse des emittierten Laserlichts (LS).
Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilbündel (T1, T2) auf das gleiche Ende des Lasermediums (1) gerichtet sind.
Laser nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilbündel (T1, T2) schief auf ein Ende des Laser mediums (1) gerichtet sind, so daß die Teilbündel (T1, T2) außerhalb des Lasermediums (1) die optische Achse des emittierten Laserlichts (LS) nicht berühren.
Laser nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquelle (200) einen Lichtleiter, insbesondere eine Lichtleitfaser oder ein Licht-Leitfaser-Bündel (4) enthält.
Laser nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquelle (200) eine oder mehrere Laserdioden oder Laserdioden-Arrays (14) enthält.
Laser nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (1) ein Festkörper, insbesondere ein Kristall aus Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:LSB oder Nd:YAP ist.
Laser nach der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonator (100) des Lasers ein schrägstehender dichroitischer Spiegel (101) angeordnet ist, durch den ein Teilstrahl (T2) in das Lasermedium (1) eingekoppelt wird.
Laser nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, daß im Laser-Resonator (100) ein nichtlineares optisches Element (13), das aus dem Laserlicht (LS) frequenzverschobenes Licht (SH) erzeugt, angeordnet ist.
Laser nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der dichroitische Spiegel (101) das frequenzverschobene Licht (SH) aus dem Laser-Resonator (100) auskoppelt.
Laser nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, daß ein schrägstehender Spiegel (102) angeordnet ist, welcher einen Teilstrahl in das Lasermedium (1) einkoppelt, und daß der Spiegel (102) ein Loch aufweist, durch das das Laserlicht (LS) durchtritt.