DE19603827A1 - Blauer resonatorintern frequenzverdoppelter Neodymium-Kristallaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonatoranordnung eines diodengepumpten Neo­ dymiumkristallaser, bevorzugt eines YAlO₃ bzw. eines YLF (LiYF₄) Wirtsgit­ ters mit nicht-linearen Kristallen wie Beta Barium Borat (BBO), Lithium Tribo­ rat (LBO), Kalium Niobat (KNB) oder Lithium-Jodat als resonatorinterne Fre­ quenzverdoppler zur Erzeugung einer blauen Emission im Bereich 455 bis 465 nm mit Drei-Niveau-Laserübergängen bis zum Grundzustand im Wellenlän­ genbereich 910 bis 930 nm.

Ein effizienter, leistungsstarker, kompakter blauer Dauerstrichlaser mit Hilfe der Frequenzverdopplung der Infrarotemission eines diodengepumpten 3- Niveau-Neodymium-Festkörperlasern im Bereich von 910 bis 930 nm z. B. durch den Laserübergang ⁴F_3/2 → ⁴I_9/2 könnte die technisch sehr aufwendi­ gen blauen Argon-Ionenlaser in vielen Anwendungen, wie z. B. in der Display- Technik ersetzen.

Eine bekannte Technik der Frequenzverdopplung von Festkörperlasern ist die sogenannte resonante Verdopplung nicht-linearer Kristalle in einem getrennten Resonator außerhalb des Laserresonators (siehe z. B. E. S. Polzik and H. J. Kimble, "Frequency doubling with KNbO₃ in an external cavity", Optics Letters Vol. 16, No 18, p 1400 (1991)). Diese externe Frequenzverdopplung ist effizient, jedoch technisch sehr aufwendig und damit kostenintensiv.

Die einfachere resonatorinterne Frequenzverdopplung kann vor allem in 4- Niveau-Lasern wegen ihres niedrigen Schwellwerten und hoher interner Ver­ stärkung effizient eingesetzt werden (siehe z. B. L. Y. Liu, M. Oka, W. Wiech­ mann and S. Kubota, "Longitudinally diode-pumped continuous-wave 3.5-W green laser", Optics Letters, Vol. 19, No. 3, p 189 (1994) oder V. Magni, G. Cerullo, S. De Silvestri, O. Svelto, L. J. Qian, and M. Danailov, "Intracavity frequency doubling of a cw high-power TEM₀₀ Nd:YLF laser", Optics Letters, Vol. 18, No. 24, p2111 (1993)).

Aufgrund des technisch einfacheren Aufbaus ist die interne Frequenzverdopp­ lung auch bei 3-Niveau-Lasern der externen vorzuziehen, jedoch wirkt sich der hohe Schwellwert der Laseremission, die Eigenabsorption der Laserstrahlung im Lasermaterial und die Dämpfung des Resonators durch den nicht-linearen Kristall bei der internen Frequenzverdopplung hier störend aus. Es konnten deshalb bisher nur eine relativ geringe blaue Leistung erzeugt werden, z. B. 100 mW bei der frequenzverdoppelten 946 nm Linie des Nd:YAG-Lasers von 473 nm (siehe, G. Hollemann, E. Peik and H. Walther, "Frequency-stabilized diode pumped Nd:YAG laser at 946 nm with harmonics at 473 and 237 nm", Optics Letters, Vol. 19, No. 3, p 192 (1994). Ein Nachteil dieser Linie des Nd:YAG-Lasers ist, daß sie für viele Anwendung wie z. B. für Farb-Display, zu langwellig ist.

Um zu kürzeren Wellenlängen mit dem gleichen Laserübergang zu gelangen, werden mehrere andere mit Neodymium dotierte Wirtskristalle weltweit unter­ sucht. Es kommen vor allem Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:YLF und Nd:YAlO₃ hier in Frage. Bei der Auswahl eines geeigneten Kristalls muß außer der günstigen Lage der Wellenlänge, die erreichbare Leistung der Strahlung, ihre Po­ larisation, die Strahlqualität und die Gesamteffizienz des jeweiligen Systems betrachtet und verglichen werden.

In der Offenlegungsschrift PCT-International Publication Number WO 95/06345 mit dem Titel "Deep Blue Microlaser" von 2. 3. 95 wird ein sogenann­ ter monolithischer diodengepumpter Festkörperlaser beschrieben, wo der La­ serkristall zusammen mit dem Frequenzverdopplerkristall in einem Verbund als Sandwich-Struktur aufgebaut ist, und die parallelen externen Endflächen des Verbundes die Resonatorspiegel bilden und die Strahlachse der Pumpdiode entlang der optischen Achse des Resonators verläuft. Speziell wird vorge­ schlagen als Laserkristalle Nd:YVO₄ und Nd:GdVO₄ mit einem geeigneten nicht-linearen Kristall (z. B. KNbO₃ oder Beta Barium Borat) zu verwenden. Die Emissionswellenlängen sind 457 nm bzw. 456 nm.

Vorteile dieses Aufbaus sind außer den geeigneten Wellenlängen für Display der kompakte, stabile Aufbau und geringe Anzahl von Komponenten. Er hat dagegen mehrere Nachteile, die hier einzeln betrachtet werden sollen.

Die Länge des Resonators ist an die Gesamtlänge des Lasermaterials und des Frequenzverdopplerkristalls gebunden. Es besteht damit keine Möglichkeit die Laserstrahlparameter wie Modenbild, Polarisation, Strahldurchmesser und Strahldivergenz durch Variation des Spiegelabstandes bzw. den Einbau zu­ sätzlicher optischer Bauelemente (wie z. B. Brewsterplatten, Phasenplatten, Umlenkspiegel usw.) zu ändern. Auch ist hier die Möglichkeit verbaut den Strahl beim Durchgang durch den Frequenzverdopplerkristall zusätzlich zu Fo­ kussieren um eine erhöhte Effizienz zu erzielen.

Der Aufbau läßt eine Leistungsskalierung nur bedingt zu, denn es kann in dem Resonator nur ein Laserkristall mit nur einer Diode angeregt werden. Eine Übertragung des Pumplichtes über eine Glasfaser ist nicht vorgesehen.

Wegen der thermischen Besetzung des Grundzustandes des 3-Niveau-Lasers wäre bei einer hohen Leistung der Pumpdiode eine sehr effiziente Kühlung des Laserkristalls notwendig, die in der Beschreibung fehlt. Bei hoher Leistung und ungünstiger Kühlung sind relativ hohe Schwellwerte und starke radiale Tempe­ raturgradienten in dem Material zu erwarten, die zur Eigenfokussierung des Laserstrahles führen und das Strahlprofil des Lasers verzerren. Die meisten Anwendungen wie z. B. für Display setzen aber auch bei höheren Strahlleistun­ gen hohe Strahlqualität, d. h. geringe Beeinflussung des Strahles durch thermi­ sche Effekte voraus.

Außer diesen grundsätzlichen Problemen in einem kompakten monolithischen Aufbau höhere Leistung zu erzielen, haben die beiden Kristalle Nd:YVO₄ und Nd:GdVO₄ gegenüber Nd:YAG, Nd:YLF und Nd:YAlO₄ den zusätzlichen Nachteil der schlechteren Wärmeleitfähigkeit.

In einem ähnlich wie oben aufgebauten miniaturisierten 3-Niveau-Nd:YAlO3- Laser bei der für die Display-Anwendungen geeigneten Wellenlänge 465 nm konnten 15 mW bei einer Pumpleistung von etwa 800 mW erzielt werden (siehe z. B. J. H. Zarrabi, P. Gavrilovic and S. Singh, "Intracavity, frequency­ doubled, miniaturized Nd:YAlO₃ blue laser at 465 nm, Appl. Phys. Lett. 67 (17), 23 Oct. 1995). Obwohl hier ein Kristall mit wesentlich besserer Wärme­ leitfähigkeit eingesetzt wurde zeigt diese relativ schlechte Effizienz daß sie grundsätzlich auf die Probleme des kompakten Aufbaus zurückzuführen sind.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt mit einer laserresonatorinternen Fre­ quenzverdopplung der Laserlinien der 3 Niveau-Grundzustandslaser, speziell des Nd:YALO₃ und Nd:YLF mit hoher Effizienz, skalierbar zu höheren Lei­ stungen durchzuführen. Um dieses Ziel zu erreichen wird anstatt dem vorher beschriebenen konventionellen Weg des kompakten Aufbaus des Laserkristalls und Frequenzverdopplerkristalls in einem kurzen Resonator ohne Zwischen­ räume und Zwischenabbildung ein langer offener und gefalteter Resonator vor­ geschlagen, der eine getrennte Optimierung des Strahlungsverlaufs in dem La­ serkristall und Frequenzverdopplerkristall ermöglicht. Dies wird durch die Faltung des Resonators und Trennung Strahlenganges des Verdopplerkristalls von dem Strahlengang des Grundwellenlängenlasers mit Hilfe eines dichroiti­ schen Teilerspiegels und eine entsprechende Auslegung des Spiegelabstände und Spiegelimmungen ermöglicht.

Weiterhin wird vorgeschlagen durch die Faltung mit mehreren Laserkristallen bestückt sein, die jeder einzeln oder gemeinsam mit mehreren Pumpdioden an­ geregt werden. Das Konzept sieht vor, daß durch zunehmende Anzahl von Stufen,die Leistung hochskaliert werden kann, bei gleichbleibender Strahlquali­ tät.

Ähnliche Resonatorkonfigurationen sind zwar bekannt bei 4-Niveau-Lasern (siehe z. B. L. Y. Liu, M. Oka, W. Wiechmann and S. Kubota, "Longitudinally diode-pumped continuous-wave 3.5-W green laser", Optics Letters, Vol. 19, No. 3 p 189 (1994)) aber sind hier zum ersten Mal angewandt und optimiert um die grundsätzlich verschiedenen Probleme des frequenzverdoppelten 3- Niveau-Lasers wie die Reabsorption der Laserstrahlung im Laserkristall, die thermische Besetzung des Lasergrundniveaus und die besondere Kühlproble­ matik dieses Lasers, speziell für den leistungsstarken blauen Nd:YAlO₃ und Nd:YLF-Laser zu lösen.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert. Die Figuren ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigt:

Fig. 1 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines einstufigen frequenzverdoppelten 3-Niveau-Lasers nach Anspruch 1

Fig. 2 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines mehrstufigen frequenzverdoppelten 3-Niveau-Lasers mit resonanter Frequenzver­ dopplung nach Anspruch 2

Fig. 3 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines frequenzver­ doppelten 3-Niveau-Lasers als Ringresonator

Fig. 4 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines frequenzver­ doppelten 3-Niveau-Lasers als mehrstufigen Leistungslasers.

Der Grundgedanke der Erfindung wird im folgenden anhand des in Fig. 1 skizzierten Ausführungsbeispiels erläutert. Eine dünne Scheibe des Lasermate­ rials wird wahlweise mit der Pumpdiode durchgestrahlt oder aufgestrahlt. In dem ersten Fall a) ist die Scheibe mit einer hochtransmittierenden (HT) in dem zweiten Fall b) mit einer hochreflektierenden (HR) dielektrischen Schicht für die Wellenlänge λ_D der Diode versehen. In beiden Fällen ist die gleiche Schicht gleichzeitig ein hochreflektierender Spiegel für die Strahlung des Fest­ körperlasers λ_L. Die Erfindung sieht wahlweise die direkte Abbildung der Di­ ode bzw. einer Glasfaser, die die Endstrahlung leitet, vor. Zur effizienten Küh­ lung der Diode ist in beiden Fällen eine direkte Montage der Laserkristall­ scheibe auf eine Kühlplatte vorgesehen. Die Dicke der Laserscheibe (typisch 1-5 mm) und die Dotierung des Laserkristalls (typisch 0,5-2,5%) wird so ge­ wählt, daß die Diodenstrahlung möglichst vollständig in der Scheibe bei gleichzeitiger guter Kühlung des gesamten Materialvolumens absorbiert wird.

Der Resonator des Grundwellenlängenlasers besteht aus den beiden Spiegeln S₁ und S₃ wobei der Umlenkspiegel S₂ vollständig die Strahlung des Grund­ wellenlängenlasers (HR bei λ_L) reflektiert. Damit die gesamte Laserstrahlung zur Frequenzverdoppelung genutzt wird ist der Spiegel S₃ auch für λ_L hochre­ flektierend. Der Resonator wird durch die Wahl des Spiegelabstandes und Krümmung der beiden Spiegel so ausgelegt, daß der Strahldurchmesser im La­ sermedium relativ groß ist (typisch 100-600 µm). Damit kann gewährleistet, daß der relativ große Fleck der Diodenstrahlung die Mode ohne hohe Verluste der Pumpstrahlung und mit gleichmäßiger Anregung des gesamten Lasermate­ rials abdeckt.

Die Frequenzverdopplung der Grundwellenlängenstrahlung findet im nicht­ linearen Kristall NL statt. Der Spiegel S₂ ist für die Wellenlänge der frequenz­ verdoppelten Strahlung hochtransmittierend (HT für λ_L/2). Damit wird die fre­ quenzerdoppelte Strahlung sowohl nach einmaligem als auch nach zweimali­ gem Passieren der Grundwelle durch den NL-Kristall durch den Spiegel S₂ durchgeleitet.

Die Krümmung der beiden Spiegel S₂ und S₃ werden so aufeinander abge­ stimmt, daß der Strahldurchmesser im NL-Kristall möglichst klein und im LK möglichst groß ist und daß möglichst gute Phasenanpassung beider Lichtwellen im NL stattfindet. Der NL kann mit unterschiedlicher Winkelneigung im Strahlengang z. B. zur Kompensation von Astigmatismus, oder zur Unterbin­ dung von Polarisationsverlusten mit Brewsterwinkel eingebaut werden. Auch ist der Einbau anderer zusätzlicher optischer Korrekturelemente in dem Strahl­ gang möglich.

In Fig. 2 ist eine Variante des Aufbaus gezeigt wo ein zusätzlicher Spiegel hochreflektierender Spiegel HR für λ_L/2 S₄ in den Strahlengang der frequenz­ verdoppelten Strahlung integriert ist um einen zusätzlichen Resonator bei ihrer Wellenlänge λ_L/2 zu bilden. Beide Spiegel S₃ und S₄ werden so gegeneinander justiert, daß Resonanz bei dieser Wellenlänge stattfindet die zu einer Erhöhung der Konversionseffizienz führt. Unter Umständen ist in verschiedenen Fällen der Einbau eines Etalon-Frequenzfilters EF zum Erzwingen einer Einmodenemissi­ on des Grundwellenlängenlasers in seinem Strahlengang notwendig.

In Fig. 3 wird eine weitere Ausführung des frequenzverdoppelten Lasers als Ringlaser gezeigt, die den Vorteil der einmodigen Emission der Grundwelle.

Fig. 4 zeigt den Vorschlag der mehrstufigen Leistungsskalierung des frequenz­ verdoppelten 3-Niveau-Lasers der vorzugsweise durch die wiederholte Reflexion der Laserwelle in getrennten Laserkristallen, die einzeln mit Pumpdioden angeregt werden. Durch eine entsprechende Auslegung der Krümmung der Umlenkspiegel S_U und des Endspiegel S₁ kann die periodische Verstärkung bis zu einer hohen Anzahl von Einzelstufen wiederholt werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß die störende Reab­ sorption der Grundwellenlängenstrahlung minimal gehalten wird, daß gleich­ zeitig die thermische Besetzung des Laser-Grundniveaus durch effiziente Kühlung der kleinen einzelnen Laserkristalle gering bleibt und daß der Strah­ lengang sowohl für die Grundwelle als auch die frequenzverdoppelte Welle eines 3-Niveau-Systems optimiert ist.

Grundsätzlich können die erfindungsgemäße Anordnungen für eine große Reihe von 3-Niveau-Lasermateralien verwendet werden. Hier zielt die Erfindung auf die Erzeugung von hoher blauer Leistung bis einige oder einige zehn Watt Ausgangsleistung speziell mit den Laserkristallen Nd:YAlO₃ und Nd:YLF.

Die besondere Eignung dieser Materalien für die erfindungsgemäße Anordnung ergeben sich aus folgenden Tatsachen:

Wegen der Raumgruppensymmetrie von Nd:YAlO₃ ist die Laseremission polarisiert 11a bzw. 11b und eine zusätzlicher Polarisator im Strahlengang nicht gebraucht.

Wegen des großen Unterschiedes des Brechungsindizes dieses Materials in verschiedene Kristallrichtungen ist eine thermisch induzierte Depolarisation nicht störend. Das Nd:YAlO₃ besitzt breite Absorptionsbanden für Dioden­ pumpstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisationsausrichtung:

Unpolarisiert oder polarisiert 11a, 11b bei 813 nm
Polarisiert bei 11b bei 802, 794, 796 nm
Breite Absorption für 11b und 11a bei 802 nm.

In Nd:YLF entsteht Polarisation der Emission in Kristallrichtung 11σ bei 902 nm und 11π bei 95 nm. In Nd:YLF sind für das Diodenpumpen folgende Ab­ sorptionslinien verwendbar: 11σ bei 792 nm und 11π bei 797 nm und unpolari­ sierte Pumpstrahlung 11π,σ bei 797 nm.

Claims (6)

1. Resonatoranordnung eines diodengepumpten, blauen, frequenzverdoppel­ ten 3-Niveau-Neodymiumkristallasers, dadurch gekennzeichnet, daß eine getrennte Optimierung der Resonatormode im Laserkristall und in dem nicht­ linearen Frequenzverdopplerkristall durch Verwendung eines dichroitischen Faltungs- und Teilerspiegels und Einstellung der Spiegelabstände und Spiegel­ krümmungen erfolgt.

2. Resonatoranordnung eines diodengepumpten, blauen, frequenzverdoppel­ ten 3-Niveau-Neodymkristallaser, dadurch gekennzeichnet, daß eine getrenn­ te Optimierung der Resonatormode im Laserkristall und in dem nicht-linearen Frequenzverdopplerkristall durch Verwendung eines dichroitischen Faltungs- und Teilerspiegels, durch Einstellung der Spiegelabstände und Spiegelkrüm­ mungen und einen zusätzlichem Resonatorspiegel, der den nicht-linearen Kristall umschließt, erfolgt und dadurch eine resonante Frequenzverdopplung be­ wirkt wird.

3. Ringresonatoranordnung eines diodengepumpten, blauen, frequenzver­ doppelten 3-Niveau-Nedymiumkristallaser, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne getrennte Optimierung der Resonatormode im Laserkristall und in dem nicht-linearen Frequenzverdopplerkristall durch Verwendung eines dichroiti­ schen Faltungs- und Teilerspiegels und Einstellung der Spiegelabstände und Spiegelkrümmungen erfolgt.

4. Resonatoranordnung eines diodengepumpten, blauen, frequenzverdoppel­ ten 3-Niveau-Neodymiumkristallasers dadurch gekennzeichnet, daß eine ge­ trennte Optimierung der Resonatormode im nicht-linearen Frequenzverdopp­ lerkristall und in mehreren getrennten einzeln angeregten Laserkristallen inner­ halb des Resonators durch Verwendung eines dichroitischen Faltungs- und Teilerspiegel und mehrerer Umlenkspiegel und Einstellung der Spiegelabstän­ de und Spiegelkrümmungen erfolgt.

5. Resonatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserübergang ⁴F_3/2 → ⁴I_9/2 des Nd:YAlO₃- Laserkristalls frequenzverdoppelt wird.

6. Resonatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserübergang ⁴F_3/2 → ⁴I_9/2 des Nd:YLF-Laserkristalls frequenzverdoppelt wird.