DE19617711A1 - Optisch gepumpter Verstärker, insbesondere ein Festkörper-Verstärker - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Verstärker, insbesondere ei­ nen Festkörper-Verstärker, mit einem Verstärkungsmedium und mit einer optischen Pumpanordnung, über die Pumpstrahlung in das Verstärkermedium eingekoppelt wird, wobei die Pumpstrahlung vor der Einkopplung geformt wird und wobei das Volumen des Verstärkungsmediums nur partiell gepumpt wird.

Optische gepumpte Verstärker in Form von Laseranordnungen haben in fast allen Berei­ chen der Technik Einzug gehalten. Heutige Entwicklungen im Bereich von Laseranord­ nungen sind unter anderem darauf gerichtet, den Wirkungsgrad zu erhöhen, die Strahl­ qualität zu verbessern und die Ausgangsstrahlung definiert zu formen und zu transformieren.

Eine Klasse von Lasern, die in den vergangenen Jahren verstärkt Anwendung in der Materialbearbeitung und der Medizintechnik gefunden hat, sind Festkörperlaser, die sich dadurch auszeichnen, daß mit ihnen, insbesondere in niedrigen Leistungsklassen, hohe Strahlqualitäten erzeugt werden können. Solche Festkörperlaser zeichnen sich weiterhin durch die geringe, erreichbare Baugröße aus, typischerweise mit einer Länge von etwa 8 cm und einem Durchmesser von einem 1 cm.

Während in früheren Zeiten Festkörperlaser mittels Lampen gepumpt wurden, wird zu­ nehmend das Festkörpermedium mittels Dioden bzw. Diodenfeldern gepumpt.

Gegenüber lampengepumpten Festkörperlasern zeichnen sich diodengepumpte Fest­ körperlaser unter anderem durch eine hohe Effizienz, hohe Strahlqualität, lange Lebens­ dauer sowie die geringen Abmessungen, die insbesondere mit einer solchen Dioden-Pumpanordnung erreicht werden können, aus. In Verbindung mit Diodenlaser-Pumpan­ ordnungen lassen sich verschiedenartige Lasersysteme realisieren. In Bezug auf Fest­ körperlaser wird prinzipiell zwischen axial und transversal gepumpten Festkörperlasern (beispielsweise mittels Dioden gepumpten Festkörperlasern) unterschieden. Im allge­ meinen wird die axiale Pumpanordnung für Laser mit einer Ausgangsleistung bis zu eini­ gen 10 W verwendet, während die transversale Pumpanordnung zum Skalieren der Aus­ gangsleistung bis einige Kilowatt bevorzugt wird.

Der limitierende Faktor für die Strahlqualität und die Ausgangsleistung optisch gepump­ ter Verstärker, dies gilt auch für diodengepumpte Festkörperlaser, liegt in der thermi­ schen Störung, die durch die unvermeidliche Verlustwärme im Verstärkungsmedium bzw. im Lasermedium verursacht wird. Weiterhin spielt die Anpassung zwischen dem gepumpten Volumen und dem Modenvolumen des Resonators für den Wirkungsgrad und die Strahlqualität eine entscheidende Rolle. Um diesen Forderungen nachzukom­ men, wird das Verstärkungsmedium, bei Festkörperlasern das Festkörpermedium, über das Ende oder "End-On" gepumpt, so daß eine optimale Überlappung von aktivem Volu­ men und Modenvolumen ermöglicht wird. Wenn für ein solches Pumpen Diodenlaser bzw. Diodenlaser-Arrays oder -Feldanordnungen verwendet werden, wird die von Natur aus asymmetrische Strahlung der Diodenlaser so geformt, daß sie auf einen kreisförmi­ gen Fleck fokussiert werden kann. Die homogenisierte Strahlung wird dann durch das Ende ins Festkörpermedium eingekoppelt, wie dies auch in Fig. 19 der Zeichnungen dargestellt ist. Falls der Resonator so konzipiert wird, daß der Modendurchmesser etwa dem Pumpfleckdurchmesser entspricht, kann der Laser effizient bei einer hohen Strahl­ qualität betrieben werden.

Ein Problem, das beim End-On-Pumpen gegeben ist, ist dasjenige, daß eine relativ auf­ wendige Strahlformungsanordnung erforderlich ist, um die Pumpstrahlung zu fokussie­ ren, und daß durch das begrenzte Pumpvolumen die erreichbare Laserleistung begrenzt wird.

Um die Laserleistung zu höheren Leistungen zu skalieren, werden daher seitlich bzw. transversal gepumpte Anordnungen verwendet. Eine solche Anordnung ist in Fig. 20 dargestellt. Eine solche Einkopplung der Pumpstrahlung wird als "Closed Coupling" (dichtes Einkoppeln) in der Fachsprache bezeichnet und ist durch ihren einfachen Auf­ bau gekennzeichnet. Allerdings wird die erreichbare Laserleistung pro Länge, insbeson­ dere für gepulste Laser, eingeschränkt, da nur begrenzte Pumpleistung bei dieser An­ ordnung zur Verfügung gestellt werden kann und für diese Anordnung eine hohe Ferti­ gungsgenauigkeit in Bezug auf die relative Position der Diodenlaserbarren zu den zu pumpenden Stäben erforderlich ist, da ansonsten ein großer Teil der Diodenstrahlung aufgrund der großen Divergenzwinkel nicht in das Verstärkungsmedium eingekoppelt werden kann.

Weitere Anordnungen zum Pumpen von Festkörpern nach dem Stand der Technik sind in den Fig. 20 bis 22 dargestellt. Gemäß diesen Anordnungen werden die hoch di­ vergenten Diodenlaserstrahlungen mittels Zylinderlinsen oder elliptischen Zylinderspie­ geln in das Festkörpermedium eingekoppelt. In diesen Anordnungen kann die Gain- bzw. Verstärkungs-Verteilung je nach Anwendung durch die unterschiedliche Fokussie­ rung optimiert werden, jedoch sind Fokussierungskomponenten erforderlich, die die Baukosten der Anordnungen wesentlich erhöhen.

Die vorstehend erwähnten Pumpanordnungen werden für Verstärkungsmedien, das heißt in Bezug auf Festkörperlaser die Festkörpermedien, in Form von Stabgeometrien eingesetzt. Allerdings können ähnliche Pumpanordnungen auch für Verstärkungsmedi­ en bzw. Festkörpermedien mit sogenannter "Slab-Geometrie" bzw. Platten-Geometrie eingesetzt werden. Zwei Beispiele von Anordnungen, die bevorzugt in Verbindung mit plattenförmigen Verstärkungsmedien verwendbar sind, sind in den Fig. 23 und 24 der Zeichnungen schematisch dargestellt. Bei der in Fig. 23 dargestellten Pumpanord­ nung wird die Strahlung des Diodenlaserstapels mittels eines sogenannten nicht abbil­ denden Konzentrator, im Englischen als "nonimaging-concentrator" bezeichnet, der eine parabolische Reflexionsfläche aufweist, in das Verstärkungsmedium eingekoppelt. Mit einer solchen Anordnung ist es allerdings schwierig, das Verstärkungsmedium gleich­ mäßig, d. h. homogen, von allen Seiten zu beleuchten. Eine diesbezügliche Optimierung wird mit der Anordnung der Fig. 24 erzielt, mit der Diodenlaserstrahlung durch die beiden schmalen Seiten in das plattenförmige Verstärkungs- bzw. Festkörpermedium eingekoppelt wird. Allerdings ist es auch hier schwierig, eine homogene Ausleuchtung bzw. Bestrahlung des plattenförmigen Festkörpermediums und damit eine homogene Pumpverteilung innerhalb des Festkörpermediums zu erzielen.

Eine Gemeinsamkeit der vorstehend beschriebenen Anordnungen ist, daß das Verstär­ kungsmedium (Festkörpermedium) vollvolumig mittels der Pumpstrahlung (Diodenlaser­ strahlung) gepumpt wird. Dadurch bedingt entsteht ein Verstärkungs-Profil, das durch die Dimensionierung des Verstärkungsmediums in allen Richtungen klar definiert ist. Es ist allerdings grundsätzlich nicht möglich, daß ein solches klar eingegrenztes Verstär­ kungs-Profil durch den Lasermode vollständig überdeckt wird, was jedoch für einen effi­ zienten Laserbetrieb und eine hohe Strahlqualität der Nutzstrahlung Voraussetzung ist. Weiterhin können die Abmessungen eines Festkörpermediums, das mit Diodenlaser­ strahlung gepumpt wird, aufgrund des bestimmten Absorptionskoeffizienten von Dioden­ laserstrahlung nicht beliebig klein gehalten werden. Daher muß um den Laser mit einer hohen Strahlqualität zu betreiben, das Lasermodenvolumen entsprechend groß gewählt werden, was wiederum zu einer Resonatorlänge führt, die technisch schwierig zu be­ herrschen ist. Nicht zuletzt wird die erzielbare Ausgangsleistung mit einer annehmbaren Strahlqualität durch thermisch bedingte Störungen, wie beispielsweise Doppelbrechung und thermische Linse, begrenzt.

Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik und der damit ver­ bundenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Verstärker zu schaffen, bei dem möglich ist, eine optimale Überdeckung des gepumpten Volumens durch das Modenvolumen zu erreichen und gleichzeitig die ther­ mische Degradation, die thermische Aberration und den Depolarisationsverlust zu minimieren.

Diese Aufgabe wird in Bezug auf optisch gepumpte Verstärker, insbesondere in Bezug auf Festkörper-Verstärker, der vorstehend beschriebenen Arten dadurch gelöst, daß das Volumen des Verstärkungsmediums nur partiell gepumpt wird, und daß das gepumpte Volumen des Verstärkungsmediums im Querschnitt senkrecht zur optischen Achse ei­ nen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist. Mit diesen Maßnahmen werden, durch geeignete Kopplungsanordnungen, nur definiert partielle Volumen des Verstärkungsmediums, beispielsweise des Festkörpermediums, mittels Pumpstrahlung, vorzugsweise in Verbindung mit Festkörper-Verstärkern mittels Diodenlaserstrahlung, mit einem etwa rechteckigen Querschnitt angestrebt. Dadurch, daß ein definiert recht­ eckiger Querschnitt des Verstärkungsmediums gepumpt wird, und zwar unabhängig von seiner eigentlichen Querschnittsform, die beispielsweise auch kreisförmig sein kann, wird erreicht, daß eine optimale Überdeckung insbesondere in Verbindung mit einem Off-Axis-, instabilen Resonator hinsichtlich der Strahlqualität Effizienz möglich ist und daß eine quasi-eindimensionale Wärmeleitung vorliegt und damit ein minimaler Depolarisationsverlust.

Unter Verstärkungsmedium im Sinne der Beschreibung ist ein Medium zu verstehen, das mittels Pumpstrahlung anregbare Atome, Moleküle, Ione oder Eximer enthält. Der Begriff Verstärkungsmedium wird auch dann in der Beschreibung verwendet, wenn nur partiell gepumpt bzw. angeregt wird.

Aufgrund der kleinen Dimension in Bezug auf die Höhe des gepumpten Volumens wird eine geringe thermische Linsenwirkung mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielt. Weiterhin treten nur äußerst geringe Depolarisationsverluste auf, da hierbei eine quasi­ eindimensionale Wärmeleitung vorliegt. Durch die definierte, rechteckige Volumenanre­ gung mit Pumpstrahlung kann Einfluß auf die Strahlqualität genommen werden, indem die Höhe des Querschnitts des gepumpten Volumens so ausgelegt wird, daß sie sich der Dimension des Grundmodes (Grundmodedurchmesser) nähert, woraus sich weiter­ hin ein hoher, erzielbarer Wirkungsgrad ergibt. Diese Vorteile sind insbesondere in Be­ zug auf Festkörper, die als Verstärkungsmedien verwendet werden, anzuführen, dar­ überhinaus auch gerade dann, wenn solche Festkörpermedien mit Diodenstrahlung ge­ pumpt werden, da gerade in Verbindung mit Festkörpermedien die erfindungsgemäßen Maßnahmen solche Pumpgeometrien relativ einfach und effizient realisiert werden können.

Bevorzugt wird das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Querschnittsbreite des gepumpten Volumens des Verstärkungsmediums, und zwar senkrecht zur optischen Achse des Verstärkungsmediums gesehen, so eingestellt, daß es kleiner als 1,5 beträgt. Dies bedeutet, daß die Schwankungsbreite der optisch gepumpten Zone in dem Verstärkungsmedium, beispielsweise durch eine oder mehrere Einschnürungen, in defi­ niert geringen Grenzen gehalten wird.

Weiterhin sollte das Verhältnis der Breite zur Höhe des rechteckigen Querschnitts des gepumpten Volumens größer als 1,8 betragen, so daß ein längliches Querschnittsvolu­ men in dem Verstärkungsmedium gepumpt wird. Hierdurch wird, im Gegensatz zu einem im Querschnitt quadratischen, gepumpten Volumen, der Vorteil erzielt, daß eine quasi­ eindimensionale Wärmeleitung und ein damit verbundener minimaler Depolarisations­ verlust vorliegen.

Ein Annähern des gepumpten Volumens an einen rechteckigen Querschnitt kann da­ durch vereinfacht werden, daß das Verstärkungsmedium von zwei gegenüberliegenden Seiten, und zwar annähernd senkrecht zur optischen Achse, gepumpt wird (transversa­ les Pumpen). Eine weitere Optimierung zur Anregung eines annähernd rechteckigen Querschnittvolumens mittels optischer Pumpstrahlung kann dann erreicht werden, wenn das Verstärkungsmedium von zwei gegenüberliegenden Seiten annähernd parallel zur optischen Achse gepumpt wird (axiales Pumpen); hierdurch kann ein annähernd ideal rechteckig gepumptes Volumen realisiert werden.

Wie bereits vorstehend erwähnt ist, bieten die erfindungsgemäßen Maßnahmen insbe­ sondere Vorteile in Verbindung mit Verstärkern, bei denen das Verstärkungsmedium ein Festkörpermedium ist. In Verbindung mit solchen Festkörpermedien kann dieses in ver­ schiedene Zonen unterteilt werden, die unterschiedlich dotiert sind. Diese Zonen kön­ nen sowohl entlang der optischen Achse gebildet werden, allerdings auch senkrecht da­ zu. Mit der unterschiedlichen Dotierung in Richtung der optischen Achse kann bei axia­ lem Pumpen die Pumpleistungsdichte kontrolliert werden. Mit einer sich ändernden Do­ tierung in Richtung senkrecht zur optischen Achse kann das Gain-Profil den Anforderun­ gen angepaßt werden. Vorzugsweise nimmt die Dotierung von Zone zu Zone zu der Pumpquelle hin ab, da dadurch ein homogenes Pumpen entlang der Pumpstrahlrichtung erzielt werden kann.

In Verbindung mit einem Festkörpermedium als Verstärkungsmedium wird das optische Pumpen bevorzugt schichtweise vorgenommen. Hierzu wird das Verstärkungsmedium in fiktive, geschichtete Abschnitte, vorzugsweise parallel zur optischen Achse, unterteilt, die dann mit unterschiedlicher Pumpstrahlung gepumpt werden. Hierdurch wird die Pumpleistung und somit die Laserleistung pro Länge erhöht.

Falls das Festkörpermedium, zum Beispiel in Bezug auf eine Schichtung, wie sie vorste­ hend angegeben ist, unterteilt wird, kann es nützlich sein, zwischen jeweils zwei Fest­ körpermedien eine Kühleinrichtung einzufügen, um Wärme abzuführen, und somit kann die erzielbare Leistung pro Länge weiter gesteigert werden.

Als Pumpquelle der Pumpanordnung, mit der das Verstärkungsmedium optische ge­ pumpt wird, werden bevorzugt Diodenlaser oder Diodenlaseranordnungen eingesetzt. Diese Dioden oder Diodenlaseranordnungen können kompakt aufgebaut und in sehr un­ terschiedlichen Konfigurationen gestapelt werden, so daß das Volumen des Verstär­ kungsmediums definiert, insbesondere im Hinblick auf die vorstehend angegebenen, be­ vorzugten Ausführungsformen, bei denen das Volumen des Verstärkungsmediums in Zonen unterteilt wird, gepumpt werden kann. Da Diodenlaser bzw. Diodenlaserbarren einen elliptischen, sich stark aufweitenden bzw. divergierenden Strahlquerschnitt auf­ weisen, wird vorzugsweise die Pumpstrahlung eines Diodenlaserbarrens, der zum Pum­ pen eingesetzt wird, mittels Zylinderlinse linienförmig kollimiert und/oder fokussiert und definiert mit einem eng begrenzten Pumpstrahlungsquerschnitt in das Verstärkungsme­ dium eingekoppelt. Um Pumpstrahlung einer hohen Leistung, die von einer Vielzahl von Diodenlasern abgegeben wird, in ein sehr schmales, definiertes Volumen des Verstär­ kungsmediums einkoppeln zu können, werden mehrere Diodenlaserbarren, die ein qua­ si-linienförmiges Strahlungsfeld abgeben, zu einer Feldanordnung zusammengefaßt, wobei das Strahlungsfeld jedes einzelnen Diodenlaserbarrens über eine diesem Barren zugeordnete Zylinderlinse kollimiert wird; die einzelnen, kollimierten Strahlungsfelder werden dann einer weiteren, fokussierenden Zylinderlinse zugeführt, von der aus das gesamte Strahlungsfeld in das Verstärkungsmedium eingekoppelt wird.

Alternativ kann zunächst die Pumpstrahlung mit einer geeigneten optischen Anordnung in einen oder mehrere Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Die aus dem Lichtwellen­ leiter austretende Pumpstrahlung kann dann durch eine weitere optische Anordnung in einen Bereich des Verstärkungsmediums eingekoppelt werden.

Um langgestreckte Verstärkungsmedien optisch mittels Diodenlaserbarren zu pumpen, werden mehrere Diodenlaserbarren nebeneinander, und zwar in Richtung der optischen Achse gesehen, angeordnet. Eine solche Unterteilung hat den Vorteil, daß die Laserlei­ stung praktisch beliebig skaliert werden kann.

Zum optischen Pumpen können anstatt Diodenlaser andere Strahlquellen, wie Festkör­ perlaser, Excimerlaser und/oder Ionenlaser, als Pumpquellen der Pumpanordnung ein­ gesetzt werden.

Um mit dem erfindungsgemäßen Verstärker einen Laser aufzubauen, wird das Verstär­ kungsmedium innerhalb eines Resonators angeordnet. Besondere Vorteile in Bezug auf eine solche Laser-Anordnung werden dann erzielt, wenn der Resonator so ausgelegt wird, daß in der Breite des gepumpten Volumens ein Off-Axis-, instabiler Resonator ge­ bildet wird und in der Höhe des gepumpten Volumens ein stabiler Resonator gebildet wird. Gerade in Verbindung mit dieser Resonatoranordnung ergeben sich mit den erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen Vorteile dahingehend, daß die höchste Strahlqualität (auch beugungsbegrenzte Strahlqualität) bei einer hohen Effizienz erzielt werden kann.

Da in Verbindung mit einem stabilen Resonator die Strahlqualität über den (die) Quer­ schnitt(e) der aus dem Resonator austretenden Strahlung eine gewisse Inhomogenität in beiden Richtungen aufweisen kann, wird die aus dem Resonator austretende Strah­ lung durch eine optische Anordnung homogenisiert. Eine solche optische Anordnung kann beispielsweise aus zwei treppenartigen Spiegeln aufgebaut werden.

Falls es erforderlich ist, wird die aus dem Verstärkungsmedium austretende Strahlung mittels eines etalonförmigen, nicht-linearen Mediums konvertiert. In Verbindung mit ei­ ner Laseranordnung kann das etalonförmige Medium bzw. Bauteil innerhalb oder außer­ halb des Resonators angeordnet werden.

Eine weitere Ausführungsform, in Verbindung mit der die erfindungsgemäße Pumpan­ ordnung eingesetzt werden kann, ist diejenige, daß das Festkörpermedium in Form ei­ nes Lichtwellenleiters gebildet wird, der in einer vorteilhaften Ausführung einen dotierten Kern, bevorzugt mit einem rechteckigen Querschnitt, aufweist. Mit dieser Anordnung, gerade aufgrund der unterschiedlichen Dotierung zwischen Kern und Mantel, kann ein äußerst kompakter und störungsfester Laser realisiert werden.

In einer solchen Anordnung wird bevorzugt die Pumpstrahlung in mindestens ein stirn­ seitiges Ende des Mantels und des Kerns eingekoppelt und innerhalb des Mantels ge­ führt. Ein solcher Lichtwellenleiter kann typischerweise 1 m lang sein und einen Durch­ messer im Bereich von 5 µm bis zu etwa einem Millimeter aufweisen. Mit einem solchen Lichtwellenleiter, wie er vorstehend angegeben ist, kann ein Laserresonator aufgebaut werden, indem die Resonatorspiegel auf den beiden Stirnflächen des Lichtwellenleiters angeordnet sind. Ein solcher Laser zeichnet sich dadurch aus, daß die große Oberflä­ che einen effektiven Abtransport von Verlustwärme gewährleistet.

Ein Lichtwellenleiter besitzt weiterhin den Vorteil, daß über die große Oberfläche eines entsprechend langen Lichtwellenleiters die entstehende Verlustwärme nach außen über die Manteloberfläche abgeführt werden kann. Hierzu wird entweder der Lichtwellenleiter auf einer Kühlplatte montiert und mit der Kühlplatte thermisch kontaktiert; eine andere Möglichkeit besteht darin, den Lichtwellenleiter in einer Kühlkammer anzuordnen. Eine solche Kühlkammer kann dadurch gebildet werden, daß um den Lichtwellenleiter herum ein Schlauch angeordnet ist, so daß zwischen Lichtwellenleiter und Schlauch ein Frei­ raum verbleibt, durch den ein zirkulierendes Fluid, beispielsweise ein Kühlmittel, geführt werden kann; der Kühlmantel und/oder das Kühlmedium können eine wellenleitende Funktion für die Pumpstrahlung übernehmen.

Das Verstärkungsmedium sollte dann, wenn eine lange Pumplänge in der Pumpstrahl­ richtung erreicht werden soll, insbesondere für den Fall eines axialen Pumpens, mit Strahlung gepumpt werden, deren Wellenlänge mindestens einem Teil der schwachen Absorptionslinien des Mediums entspricht. In Verbindung mit einem Festkörpermedium, das mittels Neodym dotiert ist, wird dieses mit einer Pumpstrahlung gepumpt, deren Wellenlänge etwa 870 nm beträgt. Durch diese Kombination ergibt sich eine hoch effizi­ ente, lange Pumpstrecke in Richtung des optischen Resonators, wodurch eventuelle pa­ rasitären Schwingungen unterdrückt werden können.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von spezifischen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, die eine Laseranordnung zeigt, die mit Diodenlasern gepumpt wird,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Anordnung, bei der zur Leistungsskalierung eine Vielzahl Diodenlaseranordnungen entlang der optischen Achse des Ver­ stärkungsmediums verteilt angeordnet sind,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Festkörpermediums, bei dem die über eine Diodenlaseranordnung abgegebene Pumpstrahlung mittels zylindrischer Linse kollimiert wird,

Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht das Festkörpermedium, wie es die Fig. 3 zeigt, wobei das gepumpte Volumen in seiner räumlichen Erstreckung gezeigt ist,

Fig. 5 eine der Fig. 3 entsprechende Anordnung, bei der allerdings das Festkör­ permedium über zwei Enden, in Richtung der optischen Achse gesehen, mit Diodenlasern gepumpt wird,

Fig. 6 und Fig. 7 zwei Anordnungen, bei denen mehrere Anordnungen, wie sie bei­ spielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, zusammengefaßt bzw. gestapelt sind,

Fig. 8 eine perspektivische, schematische Darstellung, die eine Ausführungsform zum Kollimieren und Einkoppeln von Diodenlaserstrahlung, die von mehreren übereinandergestapelten Laserdiodenbarren erzeugt wird, in ein Festkörper­ medium zeigt,

Fig. 9 schematisch einen sogenannten Hybrid-Resonator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 schematisch einen weiteren Hybrid-Resonator, insbesondere für eine Anord­ nung in Verbindung mit Fig. 6,

Fig. 11 eine Anordnung zum Einkoppeln des zum Beispiel mit der Anordnung in Fig. 10 erzeugten Strahlquerschnitts in eine optische Faser,

Fig. 12 schematisch den Querschnitt eines monolithischen, plattenförmigen Festkörpermediums,

Fig. 13 einen gegenüber der Fig. 12 sandwichartigen Aufbau des Festkörpermedi­ ums mit unterschiedlich dotierten Zonen,

Fig. 14 eine Laseranordnung, bei der die fundamentale Frequenz mittels eines nicht­ linearen Kristalls, in Verbindung mit einem stabilen Resonator, verdoppelt wird,

Fig. 15 eine Anordnung, die im Grundaufbau der Anordnung der Fig. 2 entspricht, wobei zusätzlich gestapelte Diodenlaseranordnungen in der Form eingesetzt werden, wie sie in Fig. 9 schematisch dargestellt sind,

Fig. 16 einen Querschnitt durch das Festkörpermedium der Fig. 15 in Form einer monolithischen Platte, wie diese schematisch auch in Fig. 13 dargestellt ist, wobei für diesen Fall das angeregte Volumen dargestellt ist,

Fig. 17 einen weiteren Querschnitt durch das Festkörpermedium der Fig. 16, falls eine sandwichartig aufgebaute Platte mit einer Dotierung, vergleichbar mit der Ausführungsform der Fig. 13, eingesetzt wird,

Fig. 18 schematisch eine Verstärkeranordnung, die in Form einer Faser bzw. eines Lichtwellenleiters ausgebildet ist, wobei der Querschnitt des Lichtwellenlei­ ters schematisch an einem Ende vergrößert dargestellt ist,

Fig. 19 bis 24 verschiedene Anordnungen, die herkömmliche Anordnungen ver­ schiedener Verstärkungsanordnungen zeigen, die optisch gepumpt werden.

Zunächst werden einige bekannte Anordnungen anhand der Fig. 21 bis 24 kurz be­ schrieben, die bereits in der Beschreibungseinleitung unter Bezugnahme auf diese Figuren erwähnt wurden.

In Fig. 19 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ein Festkörpermedium 101 mittels Di­ odenlaser 102 gepumpt wird, wobei die Diodenlaserstrahlung 104 über eine Strahlfor­ mungs- und Fokussierungsanordnung 103 in das stirnseitige Ende 105 in einen annä­ hernd kreisförmigen Fleck fokussiert in den Festkörper 101 eingekoppelt wird. In der An­ ordnung der Fig. 19 ist die Achse des zylinderförmigen Festkörpers 101 als strichpunk­ tierte Linie dargestellt und mit 106 bezeichnet. Mit einer solchen Anordnung kann in dem Festkörpermedium 101 ein angeregtes, aktives Volumen erreicht werden, wie es in der rechten Querschnittsdarstellung der Fig. 19 schraffiert dargestellt und mit 107 be­ zeichnet ist.

Während die Fig. 19 eine Anordnung darstellt, bei der "End-On" gepumpt wird, zeigt die Fig. 20 schematisch eine Anordnung, bei der die Pumpstrahlung, die von mehre­ ren, um den Umfang des Festkörpermediums 108 verteilten Diodenlaseranordnungen 109 eingekoppelt wird. Der Festkörper 108 ist zusätzlich von einem für die Laserstrah­ lung transparenten Hüllrohr 110 mit Abstand umgeben, so daß ein zusätzlicher Rin­ graum zum Abtransport der entstehenden Verlustwärme gebildet ist.

Um gegenüber der Anordnung, wie sie in Fig. 20 dargestellt ist, eine höhere Pumplei­ stung in das Festkörpermedium 108 einkoppeln zu können, wird die hoch divergente Di­ odenlaserstrahlung mittels Zylinderlinsen 111 (Fig. 21) oder elliptischen Zylinderspie­ geln 112 (Fig. 22) eingekoppelt. Eine Anpassung der Verstärkungsverteilung in dem Festkörpermedium 108 kann durch die unterschiedliche Fokussierung angepaßt und opti­ miert werden.

In den Fig. 23 und 24 sind zwei verschiedene Anordnungen dargestellt, um Pump­ strahlung, die von Diodenlaserfeldanordnungen 113 abgegeben wird, in ein plattenför­ miges Festkörpermedium 114 einzukoppeln. In der Ausführungsform der Fig. 23 wird die Diodenlaserstrahlung zum einen unmittelbar in die den Dioden zugewandten Seiten­ fläche des Festkörpermediums 114 eingestrahlt, während die Einstrahlung in die ande­ ren Flächen des Festkörpermediums 114 über einen nicht abbildenden Konzentrator 115, der eine parabolische Reflexionsfläche 116 besitzt, erfolgt. Eine homogene Aus­ leuchtung des Festkörpermediums 114 mit Pumpstrahlung ist mit der Anordnung der Fig. 23 nicht gegeben.

Gemäß der Anordnung der Fig. 24 wird in die beiden Schmalseiten des Festkörperme­ diums 114 jeweils über einen nicht abbildenden Konzentrator 117 mit entsprechenden Reflexionsflächen, die Strahlung einer Diodenlaserfeldanordnung 113 eingestrahlt, wäh­ rend über die Längsseiten mittels Kühlkörper 118, die gegebenenfalls von Kühlkanälen 119 durchzogen sind, die Verlustwärme abgeführt wird. Mit dieser Anordnung läßt sich allerdings ebenfalls nur bedingt eine homogene Pumpverteilung innerhalb des Festkör­ permediums 114 erreichen.

Gemäß der Erfindung wird ein bereitgestelltes Festkörpermedium nur partiell derart ge­ pumpt, daß das gepumpte Volumen des Mediums im Querschnitt senkrecht zur opti­ schen Achse einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist. Eine schematische Anordnung zum Umsetzen dieses Prinzips ist in Fig. 1 in Form eines Festkörperlasers dargestellt. Ein Festkörpermedium, beispielsweise Neodym-YAG-Kristall, das einen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt 2 besitzt, wie die rechte Querschnittsdar­ stellung in der Fig. 1 zeigt, ist zwischen zwei Resonatorspiegeln 3 angeordnet. Auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Festkörpermediums 1 bzw. senkrecht zu der Re­ sonatorachse 4 ist jeweils ein Diodenlaserbarren 5 angeordnet, deren divergente Strah­ lung über jeweils eine Zylinderlinse 6 senkrecht zu der Resonatorachse 4 in das Fest­ körpermedium 1 eingestrahlt wird. Die Kollimierung und Fokussierung der Diodenlaser­ strahlung erfolgt derart, daß nur ein Teil des Querschnitts 2 ausgeleuchtet wird, so daß ein streifenförmiges Verstärkungsquerschnittsprofil erhalten wird. Damit liegt eine eindi­ mensionale Wärmeleitung und somit ein geringer Depolarisationsverlust vor. Das streifenförmige Verstärkungsquerschnittsprofil 7 sollte bevorzugt ein Verhältnis sei­ ner Breite zur Höhe größer als 1,8 aufweisen; darüberhinaus sollte die Schwankung der Breite des Verstärkungsquerschnittsprofils 7, d. h. das Verhältnis der maximalen zu der minimalen Querschnittsbreite des gepumpten Volumens des Festkörpermediums 1, klei­ ner als 1,5 betragen. Dies kann zum Beispiel durch Auslegung der Fokussierungsoptik erreicht werden, indem die doppelte Rayleigh-Länge der fokussierenden Pumpstrahlung etwa der Dimension des Verstärkungsmediums in der Pumpstrahlrichtung entspricht.

Um die Anordnung entsprechend der Fig. 1 zu höheren Leistungen hin zu skalieren, werden in Verbindung mit einem entsprechend langen Festkörpermedium 1 entlang der Resonatorachse 4 auf gegenüberliegenden Seiten mehrere Diodenlaserbarren 5 mit jeweils einer zugeordneten Zylinderlinse 6 verteilt, wie dies in Fig. 2 dargestellt wird (auf jeder Seite sind vier solche Diodenlaserbarren 5 vorgesehen). Wie anhand der Fig. 2 zu erkennen ist, kann durch einen solchen modularartigen Aufbau eine Skalierung zu höheren Leistungen hin erfolgen.

Während bei den Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 2 die Pumpstrahlung senk­ recht zu der Achse 4 des Festkörpermediums 1 eingekoppelt wird, sind in den Fig. 3 bis 5 schematische Anordnungen dargestellt, gemäß denen die Pumpstrahlung, wieder­ um durch Diodenlaserbarren 5 abgegeben, über eine entsprechende, dem jeweiligen Di­ odenlaserbarren 5 zugeordnete Zylinderlinse 6 parallel zur Resonatorachse 4 eingekop­ pelt wird. In Fig. 3 erfolgt die Einkopplung über die linksseitige Stirnfläche 8 des Fest­ körpermediums, während die Fig. 5 eine Anordnung zeigt, bei der, zur Leistungsskalie­ rung, die Einkopplung der Pumpstrahlung über beide Stirnflächen 8 parallel zu der Re­ sonatorachse 4 erfolgt. Das Festkörpermedium 1 wird nur partiell mit Pumpstrahlung ausgeleuchtet, indem nur über einen partiellen, streifenförmigen Bereich 9 der Stirnflä­ che 8 eingestrahlt wird, wie anhand der Fig. 4 zu erkennen ist. Wie weiterhin anhand der Fig. 4 zu sehen ist, entsteht ein Pumpvolumen 10, das eine plattenähnliche Form aufweist, wobei der Einschnürungseffekt in der Mitte des Pumpvolumens in Fig. 4 übertrieben, d. h. nicht maßstäblich, dargestellt ist. Dagegen zeigt die rechte Quer­ schnittsdarstellung 11 des Festkörpermediums 1 der Fig. 3 das idealisierte, angeregte Verstärkungsquerschnittsvolumen 10, in dieser Ausführungsform mit einer Breite b, die etwa dem 10fachen der Höhe h entspricht, so daß sich das Verhältnis der Breite zur Höhe des rechteckigen Querschnitts des gepumpten Volumens mit etwa 10 ergibt. Die Seitenflächen, durch die keine Pumpstrahlung eingekoppelt wird und/oder durch die kei­ ne Laserstrahlung austritt, können unpoliert und/oder absorbierend sein.

Um eine weitere Steigerung der Laserleistung mit dem erfindungsgemäßen Prinzip zu erzielen, können Anordnungen aufgebaut werden, wie sie in den Fig. 6 und 7 darge­ stellt sind. In Fig. 6 sind mehrere Festkörpermedien 1, jedes entsprechend beispiels­ weise der Fig. 1 und 3, übereinander unter Zwischenfügung jeweils einer Kühlein­ heit 11 gestapelt, mit einer zusätzlichen Kühleinheit 11 auf der Außenseite des obersten und untersten Festkörpers 1. Jedem Festkörpermedium 1 ist ein Diodenlaserbarren 5 zugeordnet, dessen Strahlung 12 über jeweils eine Zylinderlinse 6 in das zugeordnete Festkörpermedium 1 partiell eingestrahlt wird. Die Einstrahlquerschnittsfläche 9 in Be­ zug auf ihre Höhe beträgt etwa ein Drittel der Höhe der Stirnfläche 8 des Festkörperme­ diums. Entsprechend der Darstellung der Fig. 3 und 4 wird ein plattenförmiges Pumpvolumen 10 in den jeweiligen Festkörpern 1 erzeugt. Die gepumpte Strahlung kann, obwohl dies nicht in Fig. 6 dargestellt ist, aus den Festkörpern über entspre­ chende Austrittsfenster 9, oder die Seitenflächen, ausgekoppelt werden und mittels ei­ ner geeigneten optischen Anordnung, wie Facettenspiegel, zu einem Strahl zusammen­ gefaßt werden.

Die Anordnung der Fig. 7 zeigt drei Pumpanordnungen mit jeweils einem Festkörper­ medium 1, die mit ihren Achsen 4 parallel zueinander verlaufend ausgerichtet sind. Auch in einem solchen Fall können für die Skalierung zu hohen Leistungen die ausge­ koppelten, verstärkten Strahlungsanteile mittels geeigneter Einrichtungen, wie beispiels­ weise Treppenspiegel, zusammengefaßt werden.

Wie bereits eingangs erwähnt wurde, liegt ein grundsätzliches Problem einer Skalierung von Festkörper-Verstärkern zu höheren Leistungen, die mit Diodenlasern gepumpt wer­ den, darin, ausreichend Diodenlaserstrahlung in den Festkörper einzukoppeln. Hierbei sind die Grenzen insbesondere durch die Diodenlaser selbst gegeben, die üblicherwei­ se einen relativ großen Kühlkörper erfordern, wodurch dementsprechend ein großer Raumbedarf um den Festkörper herum, der gepumpt werden soll, erforderlich ist, wie dies auch anhand der Fig. 21 bis 24 ersichtlich ist. Um dieses Problem zu lösen, werden entsprechend einer Anordnung, die schematisch in Fig. 8 dargestellt ist, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau der Ausführungsform der Fig. 1 bis 5 entspricht, meh­ rere Diodenlaserbarren 5 unmittelbar übereinandergestapelt, so daß eine Diodenlaser­ feldanordnung bzw. ein Diodenlaserarray 13 entsteht. Jedem Diodenlaserbarren 5 (in Fig. 8 sind vier solcher Diodenlaserbarren 5 übereinandergestapelt) ist jeweils eine Zylinderlinse 6 zugeordnet, die nahe zu den Austrittsfenstern der Diodenlaser positio­ niert sind, um die stark divergierende Diodenlaserstrahlung in der Fast-Richtung zu kol­ limieren. Die vorkollimierte Strahlung wird dann einer weiteren Zylinderlinse 14 zuge­ führt, die dann die gesamte von dem Diodenlaserarray 13 abgegebene Strahlung in die Stirnfläche 8 des Festkörpermediums 1 oder Seitenfläche im Bereich einer schmalen, streifenförmigen Einstrahlfläche 9 einkoppelt. Das Diodenlaserarray 13 mit der Strahlformungs- und Führungsoptik in Form der Zylinderlinsen 6 und der weiteren Zylin­ derlinse 14 kann, entsprechend der schematischen Darstellung der Fig. 5, auch der in der Fig. 8 unteren Stirnfläche 8 des Festkörpermediums 1 zusätzlich zugeordnet wer­ den, so daß mit einer solchen Anordnung das Festkörpermedium 1 über beide Stirnflä­ chen 8 gepumpt wird. Anstelle eines direkten Pumpens kann die Pumpstrahlung zu­ nächst in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der Lichtwellenleiter führt in Ver­ bindung mit einer optischen Anordnung die Strahlung zu dem Verstärkungsmedium. An­ stelle der Zylinderlinsen 6 sowie der weiteren Zylinderlinsen 14 können Lichtleiter vor­ gesehen werden, die die Diodenlaserstrahlung, die von dem Diodenlaserarray 13 abge­ geben wird, unmittelbar der Einstrahlfläche 9 zuführen und in diese einkoppeln.

Die vorstehend angeführten Pumpanordnungen bzw. Resonatorkonfigurationen sind auch auf andere, optisch gepumpte Verstärker/Laser, wie beispielsweise mit frequenz­ verdoppelten YAG-Laser gepumpten T-Saphir-Laser, übertragbar. Anstelle des Festkör­ permediums kann das Verstärkungsmedium auch ein gasförmiges oder flüssiges Medi­ um sein.

Das gepumpte platten- bzw. slab-förmige Volumen wird durch dessen Abmessungen (Höhe × Breite × Länge) definiert, wobei bevorzugt das Verhältnis von Breite/Höhe < 1,8 ist. Typische Abmessungen liegen im Bereich von einem 1 mm × 10 × 20 mm (Höhe × Breite × Länge). Mit einem solchen End-On-gepumpten aktiven Medium kann eine Aus­ gangsleistung von einigen hundert Watt erzielt werden; dabei wird aufgrund der partiel­ len, im Querschnitt rechteckigen Anregung des Volumens des Verstärkungsmediums ei­ ne eindimensionale Wärmeleitung im aktiven Medium gewährleistet, was einem minima­ len Depolarisationsverlust entspricht.

Ein bevorzugter Aufbau einer Resonatorkonfiguration, in Verbindung mit der ein optisch gepumptes, aktives Medium eingesetzt wird, wie es anhand der Fig. 3 und 4 erläu­ tert wurde, ist in Fig. 9 dargestellt. Bei dieser Resonator-Konfiguration, die als Hybrid-Resonator bezeichnet werden kann, wird die Resonatoroptik so ausgelegt, daß in der Breitenrichtung, durch den Pfeil 15 angedeutet, ein instabiler Off-Axis-Resonator gebil­ det ist, und in der Schmalenrichtung, durch den Doppelpfeil 16 in Fig. 9 angegeben, ein stabiler Resonator mit "Gain-Guiding", d. h. die Modenselektion erfolgt mindestens teilsweise durch die Dimensionierung der Verstärkung bzw. des Gains, gebildet ist.

Bei einem stabilen Resonator (nicht dargestellt) weist der Ausgangs- bzw. Arbeitsstrahl eventuell unterschiedliche Strahlqualitäten in den beiden Richtungen auf, was wiederum für viele Anwendungen, zum Beispiel für Fasereinkopplungen, nachteilig ist. Um dieses Problem zu umgehen, muß die Strahlqualität in beiden Richtungen homogenisiert wer­ den und der Strahl auf eine etwa kreisförmige Fläche fokussiert werden. Dies kann z. B. durch treppenartige Spiegel erreicht werden.

Die Pumpstrahlung wird wiederum durch einen Diodenlaserbarren 5 bereitgestellt, die durch eine Zylinderlinse 6 kollimiert und in den Festkörper 1, innerhalb zweier Resona­ torspiegel 18 positioniert, eingestrahlt wird, wozu der Resonatorspiegel 17 für Pump­ strahlung durchlässig ausgebildet ist. Die Strahlungseinkopplung erfolgt parallel zu der Resonatorachse 4. Der Resonatorspiegel 18 besitzt ein Auskoppelfenster, über das ein Arbeitsstrahl 19, zu der Achse 4 versetzt, ausgekoppelt wird. Die mit einer solchen La­ seranordnung erreichbare Strahlqualität ist beugungsbegrenzt, darüberhinaus kann eine optimale Überlappung von gepumptem Volumen und Laservolumen realisiert werden, was eine maximale Effizienz bedeutet.

Die Anordnungen der Fig. 10 und 11 dienen ausschließlich zur Leistungsskalierung mit einer minimalen Anzahl von Resonatorspiegeln.

Während in den vorstehenden Ausführungsformen Festkörper in Form monolithischer Platten eingesetzt wurden, wie dies anhand des Querschnitts der Fig. 12 angedeutet ist, kann als Festkörpermedium ein Kristall verwendet werden, das unterschiedlich do­ tierte Zonen aufweist, wie dies in Fig. 13 angedeutet ist. Als Beispiel ist der Quer­ schnitt der Fig. 13 in eine Mittelzone 26 und zwei äußere Randzonen 27 aufgeteilt. Die beiden Randzonen werden geringer dotiert, beispielsweise 0,8% atm bei Nd : YAG, als die Mittelzone 26, beispielsweise 1,1% atm, um eine homogene Pumpleistungsvertei­ lung in der Pumpstrahlrichtung zu erreichen. Aufgrund davon, daß die Pumpleistung stärker in die Mitte, d. h. die Mittelzone 26, transportiert wird, kann eine höhere Homoge­ nität der Pumpleistung erzielt werden, woraus sich wiederum verbesserte, thermo-opti­ sche Eigenschaften ergeben. Während der Querschnitt, der in Fig. 13 dargestellt ist, nur in drei Zonen unterteilt ist, kann eine gradientenmäßige Dotierungsabstufung mittels einer größeren Anzahl von unterschiedlich dotierten Zonen erfolgen. Weiterhin wird die Richtung der Schichtung der einzelnen, unterschiedlich dotierten Zonen von der Ein­ strahlrichtung der Pumpstrahlung 28 abhängig gemacht.

Der Einsatz von Laseranordnungen und Laserstrahlquellen in Bezug auf die unter­ schiedlichen Anwendungen erfordert zum einen eine Skalierung der Laserleistung zum anderen eine Anpassung der Frequenz gemäß den Spezifikationen. Um die Grundwel­ lenstrahlung (ω), die das aktive Medium 1 abgibt, zu verdoppeln, unter Ausnutzung der Leistungsskalierungs- und Homogenisierungsmaßnahme, wie sie anhand der Fig. 1 bis 13 beschrieben ist, wird ein Resonatoraufbau eingesetzt, wie ihn die Fig. 14 zeigt. Dieser lineare Resonator besitzt zwei Resonatorendspiegel 29, zwischen denen das ak­ tive Medium, d. h. der Festkörper 1, angeordnet ist. Weiterhin ist zwischen dem aktiven Medium 1 und dem rechtsseitigen Resonatorendspiegel 29 ein Verdoppler-Etalon 30 in dem Strahlengang positioniert. Zusätzlich befindet sich zwischen dem linken Resonato­ rendspiegel 29 und dem Festkörpermedium 1 eine λ/4-Platte 31 in dem Strahlengang, eine weitere λ/4-Platte 31 ist zwischen dem Etalon 30 und dem rechten Resonatorend­ spiegel 29 angeordnet. Über den linken Resonatorendspiegel 29 wird mittels Pump­ strahlung 12, bei der es sich bevorzugt um Diodenlaserstrahlung handelt, gepumpt, und zwar derart, daß ein annähernd rechteckiges Volumen des Festkörpermediums 1 ge­ pumpt wird. Das mittels der Pumpstrahlung 12 angeregte, aktive Festkörpermedium 1 gibt Grundwellenstrahlung (ω) 33 ab. Wie in Fig. 14 angedeutet ist, ist der linke Reso­ natorendspiegel 29 für Grundwellenstrahlung (ω) hoch reflektierend, während er für die Pumpstrahlung mit der Frequenz (ωp) hoch transmittierend ist. Ebenso wie der linke Resonatorendspiegel 29 ist der rechte Resonatorendspiegel 29 ebenfalls für die Grund­ welle (ω) hoch reflektierend. Das Verdoppler-Etalon 30 ist mit seinen beiden Längsflä­ chen 34 zu der Resonatorachse 35 bzw. der Grundwellenstrahlung (ω) geeignet geneigt. Die beiden Längsflächen 34 sind für die Grundwelle (ω) antireflektierend ausgebildet, so daß diese Grundwellenstrahlung (ω) in das Verdoppler-Etalon 30 eintreten kann, wäh­ rend sie für die zweite Harmonische (2ω) hoch reflektierend sind. Aufgrund dieser reflek­ tierenden Eigenschaften wird die zweite Harmonische (2ω) innerhalb des Verdoppler-E- talons 30 mehrfach reflektiert und tritt an der Oberseite über ein Austrittsfenster 36, das für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend ist, als Arbeitsstrahl 37 (2ω) aus. Durch die beiden λ/4-Platten 31 wird die Polarisation der nach links und rechts laufen­ den Grundwellen (ω) so gelegt daß die Polarisationen dieser gegenläufigen nach links und rechts laufenden Grundwellen (ω) senkrecht zueinander stehen. Mit diesen λ/4-Platten 31 kann die Phasenanpassungsbedingung, z. B. nur für die links umlaufende Strahlung, erfüllt werden.

Die Fig. 15 stellt einen Aufbau eines Laserresonators dar, der eine Kombination der Prinzipien von Anordnungen zeigt, die für eine weitere Steigerung der Leistung vorgese­ hen ist. In der Anordnung der Fig. 15 kann von Maßnahmen, wie sie anhand der Fig. 13 vorstehend erläuternd wurden, ebenfalls Gebrauch gemacht werden, und zwar mit den im Rahmen der Fig. 13 beschriebenen Vorteilen, indem der Festkörper sandwich­ artig in verschiedene Zonen unterteilt wird, wie die Fig. 17 zeigt. In Fig. 17 bezeich­ net das Bezugszeichen 26 die aktive Zone, während die Bezugszeichen 27 nicht aktive Zonen bezeichnen.

Fig. 18 zeigt einen Verstärker/Laser, der als Lichtleitfaser 38 ausgeführt ist. Die Faser besteht im wesentlichen, wie der Querschnitt 39, der vergrößert dargestellt ist, zeigt, aus drei Zonen, und zwar in diesem Beispiel einer aktiven Zone 40 mit rechteckigem Querschnitt, einer Führungszone 41 für die Pumpstrahlung und einem die Führungszo­ ne 41 umgebenden Mantel 42. Um die Pumpstrahlung, die bei einem solchen aktiven Medium in Form eines Lichtwellenleiters über die stirnseitigen Enden 43 eingekoppelt wird (Pumpstrahlung erzeugende Anordnungen sind in Fig. 17 nicht dargestellt), nimmt der Brechungsindex von der aktiven Zone 40 zu dem Mantel 42 hin ab. Um aus diesem Lichtwellenleiter 38 einen Resonator aufzubauen, können die stirnseitigen Enden 43 be­ schichtet werden. Zum Beispiel wird das eine Ende für die Laserstrahlung hoch reflek­ tierend beschichtet, während das andere Ende teilreflektierend vergütet wird, um Pump­ strahlung in den Lichtwellenleiter einzukoppeln bzw. Laserstrahlung auszukoppeln. Die Anordnung der Fig. 18 hat den Vorteil, daß die große Oberfläche des Lichtwellenleiters 38 dazu ausgenutzt werden kann, die Verlustwärme abzuführen. Hierzu kann der Licht­ wellenleiter 38 durch eine schlauchförmige Umhüllung 44, die in Form eines Abschnitts gezeigt ist, umgeben sein derart, daß zwischen dem Lichtwellenleiter 38 und der Umhül­ lung 44 ein Ringraum 45, gegebenenfalls durch nicht näher dargestellte Abstandshalter, gehalten, gebildet wird, in den ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser eingefüllt und gege­ benenfalls zirkuliert wird. Ein solcher Kühlmantel kann so ausgeführt werden, daß er ei­ ne wellenleitende Funktion übernimmt, wozu das Material des Kühlmantels und/oder die Kühlflüssigkeit in Beziehung auf den Brechungsindex so angepaßt werden, daß der Bre­ chungsindex vom Kern aus nach außen abnimmt und dieser geringer ist als der Bre­ chungsindex der aktiven Zone 40.

Vorzugsweise wird als Material für das aktive Medium 1, wie es in den Fig. 1 bis 16 beschrieben ist, ein Nd : YAG-Kristall verwendet. In einem Wellenlängenbereich um etwa 806 nm weist Nd : YAG ein breites Absorptionsband auf. Um eine hohe Absorptionseffizi­ enz innerhalb eines möglichst kurzen Abstands zu erzielen, wird in Verbindung mit Fest­ körperlasern, die einen Nd : YAG-Festkörper einsetzen, Diodenlaserstrahlung zum Pum­ pen verwendet, deren Wellenlänge um etwa 806 nm liegt. Da mit den erfindungsgemä­ ßen Anordnungen eine lange Absorptionsstrecke für die Unterdrückung von parasitären Schwingungen, insbesondere für End-On-gepumpte Ausführungsformen, vorteilhaft ist, können Nd : YAG-Laser optisch bei dem schwachen Absorptionsband um 870 nm, zum Beispiel mittels Diodenlasern, gepumpt werden. Weitere Vorteile bei einem Pumpen in dem Absorptionsband um 870 nm sind diejenigen, daß aufgrund einer geringen Sto­ ke′schen-Verschiebung ein höherer Wirkungsgrad und dadurch geringere thermische Linsen erzielt werden können.

Anhand der Figuren sind beispielhaft verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden. Soweit identische Bezugsziffern in den einzelnen Ausführungsformen für ähnli­ che Bauteile verwendet wurden, können die Ausführungen zu einer Ausführungsform entsprechend auf die andere Ausführungsform analog übertragen werden.

Claims (40)

1. Optisch gepumpter Verstärker, insbesondere Festkörper-Verstärker, mit einem Verstärkungsmedium und mit einer optischen Pumpanordnung, über die Pump­ strahlung in das Verstärkungsmedium eingekoppelt wird, wobei die Pumpstrahlung vor der Einkopplung geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Verstärkungsmediums nur partiell gepumpt wird, und daß das gepumpte Volumen des Verstärkungsmediums im Querschnitt senkrecht zur optischen Achse einen an­ nähernd rechteckigen Querschnitt aufweist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der ma­ ximalen zu der minimalen Querschnittsbreite des gepumpten Volumens senkrecht zur optischen Achse des Verstärkungsmediums kleiner als 1,5 beträgt.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite zur Höhe des rechteckigen Querschnitts des gepumpten Volumens grö­ ßer 1,8 beträgt.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium von zwei gegenüberliegenden Seiten annähernd senkrecht zur optischen Achse gepumpt wird.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium von zwei gegenüberliegenden Seiten annähernd parallel zur optischen Achse gepumpt wird.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium ein Festkörpermedium ist.

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium in verschiedene Zonen unterteilt ist, wobei die Zonen unterschiedlich dotiert sind.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung von Zone zu Zone zu der Pumpquelle hin abnimmt.

9. Verstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium schichtweise gepumpt wird, derart, daß das Verstärkungsmedi­ um mehrere im Querschnitt senkrecht zur optischen Achse annähernd rechteckige, gepumpte Volumen aufweist.

10. Verstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens zwei Festkörpermedien unter Zwischenfügung einer Kühleinrichtung ge­ stapelt sind.

11. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle(n) der Pumpanordnung durch einen oder mehrere Diodenlaser gebil­ det ist (sind).

12. Verstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Diodenlaser einer Pumpquelle zu mindestens einer Linie einen Diodenlaserbarren bildend zu­ sammengefaßt sind.

13. Verstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung des Diodenlaserbarrens mittels Zylinderlinse linienförmig kollimiert und/oder fokus­ siert in das Verstärkungsmedium eingekoppelt wird.

14. Verstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Diodenlaser­ barren übereinander zu einer Feldanordnung zusammengefaßt sind, wobei die Pumpstrahlung, die über die jeweiligen Zylinderlinsen kollimiert ist, einer weiteren, fokussierenden Zylinderlinse zugeführt wird, von der sie dann in das Verstärkungs­ medium eingekoppelt wird.

15. Verstärker nach Anspruch 10 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Di­ odenlaserbarren nebeneinander angeordnet sind.

16. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung durch einen oder mehrere Lichtwellenleiter, denen eine Strah­ lungsformungsoptik nachgeordnet ist, in das Verstärkungsmedium eingekoppelt wird.

17. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle(n) der Pumpanordnung durch einen oder mehrere Festkörperlaser, Excimerlaser und/oder Ionenlaser gebildet ist (sind).

18. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verstärkungsmedium innerhalb eines Resonators befindet.

19. Verstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator so ausgelegt ist, daß in der Breite des gepumpten Volumens ein Off-Axis-, instabiler Resonator gebildet ist und daß in der Höhe des gepumpten Volumens ein stabiler Resonator gebildet ist.

20. Verstärker nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl­ qualität über den (die) Querschnitt(e) der aus dem Resonator austretenden Strah­ lung durch eine optische Anordnung homogenisiert wird.

21. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Resonator austretende Strahlung in einen oder mehrere Lichtwellenlei­ ter eingekoppelt wird.

22. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Verstärkungsmedium austretende Strahlung mittels eines etalonförmigen, nicht-linearen Mediums in Bezug auf die Frequenz konvertiert wird.

23. Verstärker nach Anspruch 22 in Verbindung mit einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das etalonförmige Medium innerhalb des Resona­ tors angeordnet ist.

24. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium in einer Form eines Lichtwellenleiters gebildet ist, der einen do­ tierten Kern als Verstärkungsmedium aufweist.

25. Verstärker nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im Quer­ schnitt mindestens eine rechteckige, dotierte Zone aufweist.

26. Verstärker nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwel­ lenleiter auf einem Kühlkörper oder zwischen zwei Kühlkörpern montiert und mit dem/den Kühlkörper(n) thermisch kontaktiert ist.

27. Verstärker nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß in dem/den Kühlkör­ per(n) Nuten gebildet sind und der Lichtwellenleiter in den Nuten eingebettet ist.

28. Verstärker nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwel­ lenleiter in eine Kühlkammer eingelegt ist.

29. Verstärker nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer ge­ schlossen ist.

30. Verstärker nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkam­ mer mit Kühlmittel gefüllt ist.

31. Verstärker nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwel­ lenleiter in einem Schlauch angeordnet ist, wobei zwischen Schlauch und Lichtwel­ lenleiter Kühlmittel eingefüllt ist.

32. Verstärker nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter innerhalb des Kühlschlauchs mittels Abstandshalter etwa konzentrisch zum Kühl­ schlauch gehalten ist.

33. Verstärker nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Durchfluß durch den Schlauch geführt wird.

34. Verstärker nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch und/oder das Kühlmittel eine wellenleitende Eigenschaft besitzt.

35. Verstärker nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern als Verstärkungsmedium mit Yb-oder Nd-Ionen dotiert ist.

36. Verstärker nach einem der Ansprüche 24 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter einen den Kern umgebenden Mantel aufweist, wobei Pumpstrah­ lung in mindestens ein Stirnende des Mantels und des Kerns eingekoppelt wird und innerhalb des Mantels und des Kerns die Ionen im Kern angeregt und geführt wird.

37. Verstärker nach einem der Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß um den Lichtwellenleiter ein Resonator gebildet ist.

38. Verstärker nach einem der Ansprüche 24 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorspiegel auf den beiden Stirnflächen des Lichtwellenleiters angeordnet sind.

39. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Strahlung gepumpt wird, deren Wellenlänge mindestens teilweise der schwachen Absorptionslinie des Mediums entspricht.

40. Verstärker nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedi­ um Neodym-dotiert ist und mit einer Pumpstrahlung gepumpt wird, deren Wellen­ länge etwa 870 nm beträgt.