DE19610371C2

DE19610371C2 - Diodengepumpte Festkörperlaser

Info

Publication number: DE19610371C2
Application number: DE1996110371
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Peuser; Nikolaus Dr Schmitt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-03-16
Filing date: 1996-03-16
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2016-03-17
Also published as: DE19610371A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen diodengepumpten Festkörperlaser ge mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6.

Solche Festkörperlaser sind an sich bekannt, und es hat sich gezeigt, daß das longitudina le Pumpen als das effizienteste Pumpprinzip anzusehen ist, denn es gewährleistet den besten Überlapp von Pump- und Lasermodenvolumen, was sowohl zu einem maximalen Wirkungsgrad als auch zu einer optimalen Strahlqualität TEM_oo führt. Die Pumpstrah lung wird hierbei vorzugsweise von Lichtwellenleitern, die an mehrere Diodenlaser ge koppelt sind, an den Laserkristall herangeführt, wobei heute schon kontinuierliche Lei stungen von 50 W am Faserende verfügbar sind. Der große Nachteil des derzeitigen Standes der Technik ist jedoch in den bestehenden thermischen Problemen zu sehen, die im Laserkristall schon bei relativ geringen Pumpleistungen im Wattbereich entstehen. Thermische Linsenbildung oder thermisch induzierte Doppelbrechung sind als solche Probleme zu nennen, durch die der Wirkungsgrad und die Strahlqualität reduziert werden, und nicht zuletzt kann der Laserkristall sogar zerstört werden, wenn beim longitudinalen Pumpen kontinuierliche Leistungen im Bereich von 50 W pro Kristallfläche angewandt werden. Wegen dieser thermischen Probleme konnte bisher nur mit relativ niedrigen durchschnittlichen Pumpleistungen gearbeitet werden.

Durch die DE 38 29 812 C2 ist ein solcher, eingangs erwähnter Laser schon bekannt, bei dem einzelne Zweigstrahlen mittels doppelbrechender Kristalle kollinear überlagert sind.

Zum Stand der Technik werden weiterhin die Druckschriften DE 40 08 225 A1, ferner DE 42 20 933 A1, 42 12 974 A1, 42 29 498 A1 und 43 04 178 A1 der Anmelderin genannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserkonfiguration zu schaffen, die im Wirkungsgrad und in der Strahlqualität wesentlich verbessert ist und eine leicht integrierbare Frequenzmischung und Leistungsskalierung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. 6 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben, und in der Beschreibung werden mehrere Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit einem doppelbrechenden Kristall und nachgeordneten zwei Laserkristallen für den Laser- und den Pumplichtstrahl,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit zwei hintereinander angeordneten doppelbrechenden Laserkristallen und beispielsweise vier Laserkristallen für die vier Pumplichtstrahlen,

Fig. 3 ein Schemabild

a) für einen Laserkristall für Laserstrahl und Pumplichtstrahlen,
b) für ein aus einem doppelbrechenden Kristall und einem Laserkristall gebildeten Bauelement,
c) für einen monolithischen Kristall,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen Aufbau zur Frequenzmischung,

Fig. 5 Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 4, jedoch nach

a) bilden ein nichtlinearer und doppelbrechender Kristall ein Bauelement, und
b) zusätzlich wird dieses Bauelement mit laseraktiven Ionen dotiert und somit als Laserkristall verwendet,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel bei dem zwei bei unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁ und λ₂) emittierende Laserkristalle verwendet werden.

Es ist vorgesehen, daß zur Einkopplung der Pumplichtstrahlen an der Kristalloberfläche mehrere Reflexionspunkte erzeugt werden oder mehrere Kristalle in einem Resonator angeordnet sind, so daß hierdurch an mehreren Kristalloberflächen gepumpt werden kann oder eine kohärente Strahlkopplung vorgenommen wird, wobei die Laserstrahlen von mehreren Einzellasern zu einem Strahl vereinigt werden.

Durch Ausnutzung der Doppelbrechung in geeigneten Kristallen - wie beispielsweise Kalkspat - oder auch in Laserkristallen selbst, kann ein unpolarisierter Laserstrahl in Resonator in zwei, vier oder auch mehr Einzelstrahlen mit ordentlicher und außerordentlicher Polarisierung aufgespalten werden. Diese Laserstrahlzweige können nun jeweils separat optisch gepumpt werden, wodurch die verfügbare Pumpleistung auf mehrere Kristalle aufgeteilt wird und somit die thermische Problematik reduziert und eine Leistungsskalierung erreicht wird, abgesehen davon, daß eine bessere Kühlung der Laserkristalle gegeben ist.

Weiterhin ist die Möglichkeit geschaffen, durch Ausnutzung der kollinearen Strahlzusammenführung im Resonator eine Frequenzmischung in optisch nichtlinearen Materialien besonders leicht zu erreichen, was auch durch unterschiedliche Laserkristalle oder unterschiedliche Laserübergänge gegeben ist. Auf ideale Weise läßt sich durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ein Laserstrahl mit mehreren Laserwellenlängen zu erzeugen.

Die diversen in den Figuren skizzierten Konfigurationen veranschaulichen die Vielfältigkeit der gegebenen Möglichkeiten. Dabei bedeuten generell:
L = Laserstrahl
LS = Laserspiegel
LK = Laserkristall
PS = Pumplichtstrahl
DB = doppelbrechender Kristall (Glas)
NL = nichtlinearer Kristall
Grundsätzlich werden durch im Resonator befindliche doppelbrechende Kristalle - wie z. B. CaCO3 - (Fig. 1 u. 2) die Resonatormode in mindestens zwei Zweige aufgeteilt und jedem Zweig ein Festkörperlasermaterial und diesem zum optischen Pumpen eine Laserdiode zugeordnet. Im Resonator wird Laserstrahlung erzeugt, wobei die Strahlung der einzelnen Zweige mittels des oder der doppelbrechenden Kristalle kollinear überlagert wird, so daß nach Durchtritt durch den oder die doppelbrechenden Kristalle die "Verzweigung" des Resonators aufgehoben ist und die Strahlung nunmehr gemeinsam dem Resonator-Gegenspiegel zugeführt wird. Als Festkörperlasermaterial sind in bekannter Weise Kristalle oder Gläser verwendbar, die in einem Ausführungsbeispiel aus gleichem Material bestehen und einseitig antireflektierend beschichtet und rückseitig so hochreflektierend beschichtet sind, daß in allen Resonatorzweigen dieselbe Wellenlänge erzeugt wird.

Werden nun die vorgenannten aus gleichem Material bestehenden Festkörperkristalle rückseitig unterschiedlich hochreflektierend beschichtet, so werden in diesen Zweigen unterschiedliche Laserwellenlängen erzeugt. Bestehen die Festkörperkristalle (oder Gläser) aus unterschiedlichem Material und sind einseitig antireflektierend beschichtet und - zumindest für zwei der Zweige - rückseitig unterschiedlich hochreflektierend beschichtet, so wird in diesen Zweigen ebenfalls jeweils eine unterschiedliche Laserwellenlänge erzeugt.

Wird nun in den unverzweigten Teil des Resonators ein nichtlineares Medium - beispielsweise ein nichtlinearer Kristall - eingebracht, so wird durch Mischung mindestens zweier unterschiedlicher Laserfrequenzen unterschiedlicher Resonatorzweige eine Frequenzmischung ermöglicht.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme ist darin zu sehen, wenn der doppelbrechende Kristall selbst mit Ionen der Seltenen Erden dotiert ist und dadurch ohne weitere Lasermaterialien ein Laser resultiert, der in einem Kristall sowohl die Laserstrahlerzeugung als auch die Verzweigung bzw. die Zusammenführung der Resonatormode(n) durchführt. Hierbei eignet sich beispielsweise mit Selten-Erden-Ionen dotiertes YLF.

Weist der laseraktiv dotierte doppelbrechende Kristall zugleich nichtlineare Eigenschaften auf - beispielsweise durch Ionen von Nd:LiNbO3, so ist zusätzlich zur Laserstrahlerzeugung und zur Resonatorverzweigung bzw. -zusammenführung eine nichtlineare Mischung gegeben.

Eine weitere spezielle Konfiguration der Erfindung sieht vor, daß zur Erzeugung einer einzigen Mode, die keine Polarisation des Strahlungsfeldes mehr aufweist, zwei doppelbrechende Kristalle so hintereinander im Resonator angeordnet werden, daß vier Resonatorverzweigungen zunächst mittels des einen doppelbrechenden Kristalles zu zwei Verzweigungen zusammengeführt werden und diese beiden Verzweigungen dann mittels des zweiten doppelbrechenden Kristalls zusammengeführt werden.

Claims

1. Diodengepumpter Festkörperlaser mit verzweigtem Resonator, bei dem die Re sonatormode in mehrere Zweige aufgeteilt ist, denen je ein Festkörperlasermaterial und zum optischen Pumpen eine Laserdiode zugeordnet ist, so daß im Resonator Laserstrahlung erzeugt wird, wobei die einzelnen Zweigstrahlen kollinear überlagert und gemeinsam dem Resonator-Auskoppelspiegel zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine longitudinale Pumpanordnung vorgesehen ist und durch einen oder mehrere im Resonator befindliche doppelbrechende Kristalle die Resonatormode in min destens zwei Zweige aufgeteilt wird.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperlasermaterial aus Festkör perlaserkristallen oder -Gläsern aus gleichem Material bestehen und einseitig antireflektie rend beschichtet und rückseitig so hochreflektierend beschichtet ist, daß in allen Reso natorzweigen dieselbe Laserwellenlänge erzeugt wird.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperlasermaterial aus Festkör perlaserkristallen oder -Gläsern aus gleichem Material besteht und einseitig antireflektie rend beschichtet und rückseitig zumindest für zwei Zweige unterschiedlich hochreflektie rend beschichtet ist, so daß in den mindestens zwei Zweigen eine unterschiedliche La serwellenlänge erzeugt wird.

4. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperlasermaterial aus Festkör perlaserkristallen oder -Gläsern zumindest von zwei Zweigen aus unterschiedlichem Mate rial besteht und einseitig antireflektierend beschichtet und rückseitig zumindest für zwei der Zweige unterschiedlich hochreflektierend beschichtet ist, so daß in mindestens zwei Zweigen eine unterschiedliche Laserwellenlänge erzeugt wird.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den unverzweigten Teil des Resonators ein nichtlineares Medium so eingebracht ist, daß durch Mischung mindestens zweier unterschiedlicher Laserfrequenzen unter schiedlicher Resonatorzweige eine Frequenzmischung durchgeführt wird.

6. Diodengepumpter Festkörperlaser mit verzweigtem Resonator, bei dem die Re sonatormode in mehrere Zweige aufgeteilt ist, denen je ein Festkörperlasermaterial und zum optischen Pumpen eine Laserdiode zugeordnet ist, so daß im Resonator Laserstrahlung erzeugt wird, wobei die einzelnen Zweigstrahlen kollinear überlagert und gemeinsam dem Resonator-Auskoppelspiegel zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung in die mehreren Zweige mindestens ein doppelbrechender Kristall vorgesehen ist, der selbst mit Ionen der Seltenen Erden dotiert ist, so daß ohne weitere Lasermaterialien ein Laser resultiert, der in einem Kristall sowohl die Erzeugung der Laserstrahlung als auch die Verzweigung oder Zusammenfügung der Resonatormo den beinhaltet.

7. Festkörperlaser nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der la seraktive dotierte doppelbrechende Kristall zugleich nichtlineare Eigenschaften aufweist und somit zugleich zur Laserstrahlerzeugung und Resonatormoden-Verzweigung bzw. -Zusammenführung noch zusätzlich der nichtlinearen Mischung dient.

8. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei doppelbrechende Kristalle derart hintereinander angeordnet sind, daß vier Re sonatorverzweigungen zunächst mittels des einen Kristalles zu zwei Verzweigungen zu sammengeführt werden, diese beiden Verzweigungen mittels des zweiten doppelbre chenden Kristalls zuammengeführt werden zu einer einzigen Mode, welche nunmehr kei ne Polarisation des Strahlungsfeldes mehr aufweist.