DE19607689A1 - Gütegesteuerter Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gütegesteuerten (gütegeschalteten) Festkörperlaser mit zumindest einem Injektionslaser, dessen emit­ tierte schmalbandige Strahlung als Injektions-Anregungsstrahlung (Seed-Strahlung) in den Festkörper eingekoppelt wird und in dem Resonator des Festkörperlasers nur eine einzige wellenlängensta­ bile Longitudinalmode anschwingen läßt.

Solche gütegesteuerten Festkörperlaser sind bekannt (vgl. Fir­ menschrift der Lightwave Electronics Corp., Technical Informa­ tion: "Introduction to Diode-Pumped Solid-State Lasers", 1993). Bei diesen bekannten gütegesteuerten (Q-switched) Festkörper­ lasern werden zur Anregung des Lasermediums bereits leistungs­ starke Diodenlaser eingesetzt. Als Festkörperlaser dient bei­ spielsweise ein YAG- oder YLF-Laser, wobei als notwendige Voraus­ setzung eine Überlappung der Laseremissionsbereiche gegeben sein muß. Soll bei diesem Stand der Technik schmalbandige Strahlung emittiert werden, so wird in den gütegesteuerten Festkörperlaser eine schmalbandige Seed-Strahlung eingekoppelt, zumindest immer dann, wenn der Güteschalter (Q-switch) in Offenstellung ist. Die Frequenz des Seed-Lasers liegt innerhalb der Bandbreite des ge­ pulsten Laserresonators und der gütegeschaltete Puls entwickelt sich mit einer Wellenlänge, die derjenigen Longitudinalmode ent­ spricht, die der Wellenlänge der Seed-Strahlung am nächsten liegt. Als Injektionslaser zur Erzeugung der Seed-Strahlung (In­ jektions-Anregungsstrahlung) dient dort ein nicht ebener Ring­ oszillator (NPRO). Der "geseedete" Festkörperlaser ist ein güte­ gesteuerter Nd : YAG-Laser, der mit einer weiteren Strahlungsquelle gepumpt wird.

Derartige Systeme sind außerordentlich komplex, da der für die Injektionsanregung (das "Seeden") verwendete Laser bereits ein komplexes, in der Regel diodengepumptes Festkörperlasersystem ist, das im Aufbau aufwendig (teuer) und das schwierig zu stabili­ sieren ist.

Weiterer Stand der Technik relativ aufwendiger, durch Injek­ tionsanregungsstrahlung (Seed-Strahlung) betriebener Laser ist in folgenden Veröffentlichungen beschrieben: A.E. Siegman: "Lasers", University Science Books Mill Valley, California 1986; W. Koechner: "Solid-State Laser Engineering", Springer Verlag Berlin Heidelberg 1992; Y.K. Park, G. Giuliani, R.L. Byer: "Stable single-axial-mode operation of an unstable-resonator Nd : YAG oscillator by injection locking", Opt. Lett 5, 96 (1980); L.A. Rahn: "Feedback stabilization of an injection-seeded Nd : YAG laser", Appl. Opt. 24, 940 (1985).

In der Veröffentlichung von R. Knappe, K.-J. Boller, R. Wallenstein: "Single-mode continuous-wave Cr : LiSAF ring laser pumped by an injection locked 670-nm broad-area diode laser", Opt. Lett. 20, 1988 (1995), ist ein Cr : LiSAF-Ringlaser beschrie­ ben, der durch eine Schmalbanddiode geseedet wird. In diesem System wird der Ringlaser in einen Betrieb gezwungen, in dem schmalbandige Laserpulse erzeugt werden. Diese Anwendung von Schmalbanddioden blieb bisher jedoch begrenzt auf einen konti­ nuierlich arbeitenden Laser (cw-Laser).

Aus den beiden obengenannten Veröffentlichungen von A.E. Siegman bzw. W. Koechner ist bekannt, einen longitudinal einmodigen La­ serbetrieb dadurch zu erzwingen, daß im Resonator bestimmte wel­ lenlängenselektive Elemente, wie Etalons oder Gitter, angeordnet werden. Solche wellenlängenselektiven Elemente werfen jedoch insbesondere bei Hochleistungslasern erhebliche Probleme hin­ sichtlich der Stabilität der emittierten Strahlung und der Be­ ständigkeit der wellenlängenselektiven Bauelemente auf. In der Regel können diese Elemente nur für kurze Zeit mit hohen Lei­ stungen belastet werden. Auch ist der apparative Aufwand be­ trächtlich und die Justierung nicht einfach.

In der Veröffentlichung von P.W. Smith: "stabilized, single­ frequency output from a long laser cavity", IEEE J. Quant. Electr. 1, 343 (1965) wird ein spektral sehr schmalbandiger Laserbetrieb dadurch erreicht, daß mehrere Resonatoren aneinan­ dergekoppelt werden. Auch derartige Systeme sind apparativ auf­ wendig, um eine optimale Ankoppelung zu erreichen und um die gekoppelten Resonatoren zu stabilisieren, damit die emittierte Wellenlänge konstant bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gütegesteuerten Festkörperlaser hoher Leistung mit möglichst geringem apparati­ ven Aufwand und geringer Komplexität bereitzustellen, der mit hoher Leistung und langer Lebensdauer in nur einer einzigen spek­ tral fixierten Longitudinalmode Strahlung emittiert.

Dieses Ziel wird bei einem gütegesteuerten Festkörperlaser mit zumindest einem Injektionslaser, dessen emittierte schmalbandige Strahlung als Seed-Strahlung in den Festkörper eingekoppelt wird, dadurch erreicht, daß der die Seed-Strahlung erzeugende Injektionslaser eine schmalbandige Laserdiode ist.

Anders als im eingangs erläuterten, nächstkommenden Stand der Technik wird also der Seed-Impuls nicht durch einen weiteren komplizierten Laser erzeugt, sondern durch eine miniaturisierte schmalbandige Kompaktlaserlichtquelle, nämlich eine direkt (ohne zusätzliche wellenlängenselektive Einrichtungen) schmalbandig emittierende Laserdiode. Schmalbandig bedeutet hier, daß die Laserdiode Seed-Strahlung erzeugt mit einer Bandbreite, die gerin­ ger ist als der Modenabstand der Longitudinalmoden des gütege­ steuerten Lasers. Der Modenabstand wird durch die Resonatorlänge L bestimmt. Der Modenabstand, also die Differenz der Frequenzen zweier Moden ist gegeben durch den Quotienten aus Lichtgeschwin­ digkeit und doppelter Laserwellenlänge.

Erfindungsgemäß wird also in den Festkörper-Laserresonator das spektral schmalbandige Licht einer Laserdiode eingekoppelt und somit im Festkörper-Lasermedium eine Anregung erzeugt, die ober­ halb des Niveaus der spontanen Emission liegt. Dies hat zur Fol­ ge, daß der Laser auf nur einer longitudinalen Mode anschwingt, nämlich derjenigen, deren Wellenlänge der Wellenlänge der Laser­ diode entspricht. Dies wird (auch im deutschen Sprachgebrauch) als "Injection-Seeding" bezeichnet. Dabei muß die Länge des La­ serresonators exakt auf die Wellenlänge der Seed-Strahlung ab­ gestimmt sein.

Damit stellt die Erfindung einen extrem kompakten und einfach aufgebauten, gütegeschalteten und durch Injection-Seeding schmal­ bandig emittierenden Festkörperlaser zur Verfügung, der apparativ einfach (und kostengünstig) aufgebaut ist, einfach zu justieren ist, und eine sehr lange wartungsfreie Lebensdauer hat.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen gütegesteuerten Festkörperlasers sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen gütegeschalteten Festkörperlaser und

Fig. 2 und Fig. 3 einen Vergleich der zeitlichen Verläufe der Pulsformen einmal eines freilaufenden gütegeschalteten Nd : YAG-Lasers (Fig. 2) und zum anderen die entspre­ chende Pulsform bei erfindungsgemäßer Einkoppelung der Strahlung einer schmalbandigen Laserdiode (Fig. 3).

Gemäß Fig. 1 weist ein Festkörperlaser einen Resonator auf, der durch einen Endspiegel 10 und einen Auskoppelspiegel 12 defi­ niert ist. Im Resonator ist ein Lasermedium 14 angeordnet, zum Beispiel aus Nd : YAG, Nd : YLF, Nd : YAP, Nd : Vanadat, Er : YAG, Yb do­ tiertem Fluorapatit Kristall oder Cr dotiertem ZnSe Kristall.

Weiterhin ist im Resonator 10, 12 ein Güteschalter (Q-switch) 28 angeordnet. Die vom Resonator emittierte schmalbandige Strahlung ist mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet.

Um eine Injektionsanregung (Injection-Seeding) im Lasermedium 14 zu bewirken, ist eine schmalbandige Laserdiode vorgesehen. Sol­ che schmalbandigen Laserdioden sind erhältlich z. B. bei der Firma SDL unter der Typenbezeichnung SDL 6702-H1.

Die von der schmalbandigen Laserdiode emittierte Strahlung hat zum Beispiel bei Verwendung von Nd : YAG als Material des Laserme­ diums 14 eine Wellenlänge von 1064 nm mit einer Bandbreite von ca. 3 MH7.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die Anregungsstrah­ lung nach Passieren eines optischen Isolators 22 an einem Spie­ gel 24 umgelenkt und über eine Koppeloptik 20 in den Resonator eingekoppelt. Die Einkoppelung erfolgt mittels eines polari­ sierenden Strahlteilers 26. Die vom polarisierenden Strahlteiler 26 reflektierte eingekoppelte Strahlung der schmalbandigen Laser­ diode 18 durchläuft zunächst den Güteschalter 28 und dann ein Viertelwellenlängenplättchen 30, welches linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes Licht macht und umgekehrt. Danach tritt die Strahlung als Seed-Strahlung in das Lasermedium 14 ein.

Die Wellenlänge der schmalbandigen Laserdiode 18 wird durch eine Temperaturregelung hochstabil gehalten. Die Ausgangsleistung der Diode wird so hoch gewählt, daß die in das Lasermedium 14 in der beschriebenen Weise eintretende Seed-Strahlung den Festkörperla­ ser im Resonator 10, 12 in einen Betrieb mit nur einer einzigen Longitudinalmode zwingt. Aufgrund der Drehung der Polarisations­ ebene nach zweimaligem Durchgang durch das Viertelwellenlängen­ plättchen 30 wird die im Resonator oszillierende Strahlung nicht zurück in die Koppeloptik 20 gelenkt, sondern zum Auskoppelspie­ gel 12.

Die emittierte Strahlung 16 entspricht einer einzigen Longitudi­ nalmode des Resonators.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den zeitlichen Verlauf der Pulsformen einmal eines freilaufenden, gütegeschalteten Nd : YAG-Lasers gemäß dem Stand der Technik (Fig. 2) und zum anderen die Pulsform ei­ nes entsprechenden gütegeschalteten Festkörperlasers unter Ver­ wendung einer erfindungsgemäßen schmalbandigen Laserdiode zum Seeden (Fig. 3). Auf der Abszisse (Zeitachse) entspricht eine Einheit zehn Nanosekunden. Die Pulsform bei einem erfindungsge­ mäßen Festkörperlaser zeigt einen wesentlich glatteren ("zitter­ freien") Verlauf.

Claims (3)

1. Gütegesteuerter Festkörperlaser mit zumindest einem Injek­ tionslaser, dessen emittierte schmalbandige Strahlung als In­ jektions-Anregungsstrahlung (Seed-Strahlung) in den Festkörper (14) eingekoppelt wird und in dem Resonator (10, 12) des Fest­ körperlasers nur eine einzige wellenlängenstabile Longitudinal­ mode erzeugt, dadurch gekennzeichnet daß, der die Seed-Strahlung erzeugende Injektionslaser eine schmal­ bandige Laserdiode (18) ist.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Lasermedium Nd : YAG, Nd : YLF, Nd : YAP, Nd : Vanadat, Er : YAG, Yb dotierte Fluorapatit Kristalle oder Cr dotierte ZnSe Kristal­ le aufweist.

3. Festkörperlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der Laserdiode (18) über eine Linsenoptik, Spie­ geloptik und/oder Faseroptik in den Resonator (10, 12, 14) des Festkörperlasers eingekoppelt wird.