DE19680508B4

DE19680508B4 - Diodengepumpter Laser mit konfokal-bis-konzentrischem Resonator

Info

Publication number: DE19680508B4
Application number: DE19680508T
Authority: DE
Inventors: William L. Menlo Park Nighan jun.; Mark S. San Jose Keirstead; David R. El Granada Dudley
Original assignee: Spectra Physics Lasers Inc
Current assignee: Spectra Physics Inc
Priority date: 1995-05-01
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2016-05-01
Also published as: EP0824771A1; JPH10502496A; WO1996035246A1; GB2304980A; DE19680508T1; EP0824771B1; GB9626805D0; US5651020A

Abstract

Diodengepumpter Hochleistungslaser mit:
mindestens einem Resonatorspiegel und einem Auskoppler;
mindestens einem Laserkristall, der eine starke, aberrationsbehaftete thermische Linse ausbildet;
mindestens einer Diodenpumpquelle, die einen endgepumpten Pumpstrahl an den Laserkristall liefert, wobei eine thermische Linse im Laserkristall entsteht, wobei die Kombination aus dem Laserkristall, der thermischen Linse, den Resonatorspiegeln und dem Auskoppler im allgemeinen einen konfokal-bis-konzentrischen Resonator bildet, der einen Ausgangsstrahl erzeugt, wobei das Verhältnis zwischen einem TEM₀₀-Modendurchmesser des Laserkristalls und einem Pumpstrahldurchmesser im Kristall kleiner ist als 1,0, um Verluste infolge thermischer Doppelbrechung zu verringern, und
einer Stromquelle, die Leistung an die Diodenpumpquelle liefert.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein hocheffiziente TEM₀₀-Hochleistungslaser, die eine geringe Empfindlichkeit gegen Fehlausrichtung bei hoher Strahlrichtstabilität haben, und insbesondere diodengepumpte Laser, die nahezu konfokal oder zwischen konfokal und konzentrisch sind und die Kristalle mit starker thermischer Fokussierung verwenden, und Laser dieser Art, die gütegeschaltet (Q-switched) sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Es gibt viele Laseranwendungen, bei denen die Unempfindlichkeit gegen Fehlausrichtung und Strahlrichtstabilität kritisch sind. Diese Kennwerte sind erwünscht, damit sich die Laserleistung und der Lasermode bei Vibration, Stoß oder bei dem Durchlaufen thermischer Zyklen nicht verschlechtern. Es gibt auch Anwendungen, bei denen eine Unempfindlichkeit eines Ausgangsstrahls des Lasers gegen Änderungen seiner thermischen Linse sehr erwünscht sind; beispielsweise ein gütegeschalteter Laser (Q-Switch-Laser), der in einer Anwendung verwendet wird, die dynamische Veränderungen der Wiederholrate erfordert.
Konfokale oder nahezu konfokale Resonatoren kommen als geeignet in Frage, wenn Fehlausrichtungsempfindlichkeit und Strahlrichtstabilität wichtige Kriterien sind. Bei konfokalen Resonatoren ändert sich der Modendurchmesser im gesamten Resonator um nicht mehr als etwa die Quadratwurzel von zwei. Eine weitere Beschreibung lautet, daß der Laserresonator etwa zweimal so lang ist wie die Rayleigh-Länge des resonatorinternen Mode. Das Modenprofil in einem "konzentrischen Resonator" ist etwas anders; es ist analog zum Modenprofil, das man in einer Kugel vorfinden würde. Tatsächlich ist eine Art eines perfekten konzentrischen Resonators ein einfacher Zweispiegel-Resonator, bei dem die Flächen der konkaven Endspiegel die Flächen einer Kugel bilden. Bei dieser Art des konzentrischen Resonators kann der Modendurchmesser in einem Teil des Resonators sehr klein, in einem anderen Teil des Resonators jedoch sehr groß sein. In diesem Fall ist der Laserresonator viel länger als zwei Rayleigh-Längen des resonatorinternen Mode.
Natürlich gibt es analoge Resonatoren, die zwischen diesen Beschreibungen liegen oder zwischen der konfokalen und der konzentrischen Beschreibung. Beispielsweise könnte ein Resonator annähernd viermal länger sein als die Rayleigh-Länge einer resonatorinternen Taille des Eigenmode des Resonators.
Konfokale oder nahezu konfokale Resonatoren werden mit Bezug auf 1(a), einem Stabilitätsdiagramm mit zwei Achsen, g₁ und g₂, besser verständlich. Die klassischen Werte der Stabilitätsparameter g₁ und g₂ sind folgendermaßen definiert: g1 = 1·L/R1 g2 = 1·L/R2 wobei L die Länge des Resonators ist und R₁, R₂ die entsprechenden Krümmungsradien der Spiegel M₁ und M₂ des Resonators sind, die in 1(b) dargestellt sind. Ein Zweispiegel-Laserresonator ist stabil, wenn gilt: 0 < (g₁)(g₂) < 1. Die TEM₀₀-Modengröße eines Resonators kann durch g₁ und g₂ dargestellt werden, und die Stabilitätsparameter können auch verwendet werden, um die Fehlausrichtungsempfindlichkeit und weitere praktische Resonatorkennwerte zu beurteilen. Diese klassische Beschreibung findet man in W. Koechner, Solid State Laser Engineering, 3. Auflage, Springer-Verlag, NY, S. 204–205 (1992).
Man beachte, daß diese Stabilitätsanalyse auf einen Resonator mit einer resonatorinternen Linse oder Linsen ausgedehnt werden kann, die in 1(c) dargestellt sind. Die resonatorinterne Linse kann eine herkömmliche Linse oder eine thermische Linse sein. Eine thermische Linse kann in einem Laserkristall durch Diodenpumplicht oder durch Lampenpumplicht erzeugt werden. In diesem Fall sind die g-Parameter folgende: g1 = 1 – (L2/f) – (L0/R1) g2 = 1 – (L1/f) – (L0/R2)wobei gilt: L₀ = L₁ + L₂ – (L₁L₂/f) und L = L₁ + L₂, wie in 1(c) dargestellt, wobei R₁ und R₂ wie in dem Fall ohne Linse definiert sind und f die Brennweite der resonatorinternen Linse ist, die eine thermische Linse sein kann. Dieser Hintergrund wird auch in W. Koechner, Solid State Laser Engineering, 3. Auflage, Springer-Verlag, NY, S. 204–245 (1992) dargestellt.
Man beachte deshalb, daß die traditionelle Zweispiegel-Stabilitätsanalyse mit den Stabilitätsparametern g₁ und g₂ auch dann geeignet ist, wenn kompliziertere Mehrspiegel- und -linsenresonatoren vorhanden sind.
Wenn man nun 1(a) betrachtet, so definiert im oberen rechten Quadranten eine Hyperbel 10 einen Bereich 12, der von der Hyperbel 10 und den g-Achsen begrenzt wird. Bei einem Resonator mit Werten g₁ und g₂ im Bereich 12 kann ein Gauß-Mode vorliegen. Die Hyperbel 10 hat die folgende Eigenschaft: (g₁)(g₂) = 1. Der Bereich 12 stellt ein stabiles Regime dar; ein Gauß-Mode kann zwischen den beiden Spiegeln bestehen, die den Resonator bilden. Im unteren Quadranten 14 befindet sich ein weiteres stabiles Regime; Gauß-Moden können auch bei diesen g-Werten bestehen. Der ideale konfokale Resonator entspricht dem Punkt 16, der Schnittstelle der Achsen g₁ und g₂, wobei gilt: g₁ = g₂ = 0. Ein Resonator kann als nahezu konfokal bezeichnet werden, wenn g₁ und g₂ nicht zu groß sind.
In 2 ist ein idealer konfokaler Resonator 18 von zwei gegenüberliegenden Spiegeln 20 und 22 begrenzt, die jeweils einen Krümmungsradius von R₁ bzw. R₂ haben. Die Spiegel 20 und 22 sind durch eine Strecke L getrennt. Für einen idealen konfokalen Resonator 18 gilt: R₁ = R₂ = L. Wenn eine Linse in der Mitte des Hohlraums verwendet wird und Flachspiegel verwendet werden, entsteht ein konfokaler Resonator, wenn f = L/2 ist. Aus einer Kombination aus Linsen und gekrümmten Spiegeln kann auch ein konfokaler Resonator entstehen.
Wenn man 1(a) erneut betrachtet, so entspricht ein plan-paralleler Resonator Punkten, die mit 24 bezeichnet sind, wobei g₁ = g₂ = 1 ist . Die Werte g₁ und g₂ bewirken, daß dieser Resonator genau am Rand des Stabilitätsdiagramms liegt, und bei Anwendungen, die Unempfindlichkeit gegen Fehlausrichtung und Richtstabilität erfordern, ist der plan-parallele Resonator normalerweise nicht die beste Wahl.
Ein Resonator mit großem Radius besteht dann, wenn R₁ und R₂ viel größer sind als L, und entspricht Punkten 26 in 1(a). Resonatoren mit großem Radius sind zum Diodenpumpen geeignet. In einer Ausführungsform eines Resonators mit großem Radius wird ein Nd:YLF-Kristall verwendet, und die Modengröße des TEM₀₀ ist groß, was die herkömmliche Modenanpassung erleichtert. Der Resonator ist jedoch empfindlich gegen Fehlausrichtung und kann eine verringerte Richtstabilität haben. Beispielsweise ist ein Resonator mit großem Radius mit einer Länge L, wobei R = 10L ist, fünfmal empfindlicher gegen Fehlausrichtung als der konfokale Resonator mit der Länge L. Dies wird auch in dem Dokument von Koechner dargestellt.
Ein konzentrischer oder Kugelresonator, bei dem R₁ = R₂ = L/2 ist, ist mit 24 dargestellt. In diesem Fall gilt: g₁ = g₂ = –1. Er hat die Eigenschaften, daß der Mode an einem Punkt des Resonators sehr groß und am anderen sehr klein sein kann. Die Ursache besteht hauptsächlich darin, daß sich die Spiegel auf der Fläche einer Kugel befinden. Die TEM₀₀-Moden eines solchen Resonators sind in der Mitte des Resonators sehr klein, an den Enden jedoch sehr groß. Ein äquivalenter Resonator kann aus einer Linse oder Linsen und Flachspiegeln oder einer Kombination aus Linsen und gekrümmten Spiegeln bestehen.
Ein halbsymmetrischer Resonator 30 ist in 3 dargestellt. Er wird von einem gekrümmten Spiegel 32 und einem Flachspiegel 34 gebildet, die um eine Strecke L getrennt sind. In diesem Fall ist R₁ der Krümmungsradius des Spiegels 32. Da der Spiegel 34 flach ist, hat er einen unendlichen Krümmungsradius. Ein halbsymmetrischer Resonator kann so ausgeführt sein, daß er Eigenschaften hat, die denen eines konfokalen Resonators äquivalent sind, wenn g₂ = 1 und g₁ = 1/2 ist. In 1(a) entspricht der halbsymmetrische konfokale Resonator dem Punkt 36 im Stabilitätsdiagramm. Ein halbsymmetrischer Resonator kann auch ein Resonator mit großem Radius sein, wobei ein Spiegel flach ist und der andere eine Krümmung R₁ >> L hat. Um es zu wiederholen, ein äquivalenter Resonator kann aus einer Linse oder Linsen und Flachspiegeln oder aus einer Kombination aus Linsen und gekrümmten Spiegeln bestehen.
Da ein konfokaler Resonator relativ unempfindlich gegen Fehlausrichtung ist, kann ein Spiegel um einen bestimmten Betrag geneigt werden, und die Laserausgangsleistung fällt nicht so schnell ab wie bei anderen Arten von Lasern. Der Mode im konfokalen Resonator ändert oder verschiebt sich nicht sehr, wenn der Spiegel geneigt wird. Da die Richtstabilität des kon fokalen Resonators und seine Fehlausrichtungsempfindlichkeit sehr gut sind, beispielsweise als Funktion von Umgebungsveränderungen, hat diese Art von Resonator bestimmte nützliche Eigenschaften.
Der Hauptnachteil eines konfokalen Resonators ist, daß er den kleinsten durchschnittlichen TEM₀₀-Modendurchmesser eines Resonators einer Länge L hat. Im Grunde ist das TEM₀₀-Modenvolumen des konfokalen Resonators der Länge L kleiner als das anderer Resonatoren der Länge L. Dies macht eine herkömmliche Modenanpassung schwierig.
Dies wird in A. E. Siegman, Lasers, University Science Book, Mill Valley, CA, S. 750–759, 1986 als Lehre dargestellt. Wegen seiner kleinen durchschnittlichen Große ist der TEM₀₀-Mode in einem konfokalen Resonator nicht sehr effektiv beim Extrahieren von Leistung aus einem Verstärkungsmedium mit großem Durchmesser. Außerdem besteht wegen der kleinen durchschnittlichen Größe des TEM₀₀-Mode eine große Wahrscheinlichkeit, daß ein konfokaler Resonator in einer Kombination aus den Moden der niedrigsten und höherer Ordnung schwingt. Ein wichtiges Konstruktionsziel für viele diodengepumpte Festkörperlaser ist die Erzeugung eines nahezu beugungsbegrenzten TEM₀₀-Ausgangsstrahls mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad und der höchstmöglichen Leistung. Wegen der kleinen TEM₀₀-Modengröße eines konfokalen Resonators und seiner Tendenz, in einer Kombination aus Moden der niedrigsten und höheren Ordnung zu schwingen, ist das Diodenendpumpen eines konfokalen Resonators bisher nicht als nützlich erachtet worden.
Die Modenanpassung soll die Kopplung zwischen dem TEM₀₀-Mode und dem angeregten Volumen im Kristall maximieren. Dadurch wiederum werden der differentielle optische bzw. Slope-Wirkungsgrad und der optische Gesamtwirkungsgrad des Lasers maximiert. Bei einer klassischen modenangepaßten Geometrie ist das Verhältnis zwischen dem TEM₀₀-Modendurchmesser und dem Durchmesser des Pumpstrahls in einem Nd:YAG-gepumpten Laser etwa 1,3 oder größer. Wegen der kleinen TEM₀₀-Größe ist es schwieriger, dieses Verhältnis mit einem konfokalen Resonator zu erreichen.
Die thermische Linse in einem Laserkristall kann in Kombination mit Spiegelkrümmungen oder herkömmlichen Linsen verwendet werden, um einen nahezu konfokalen Resonator zu konstruieren. Bestimmte Kristalle zeigen eine starke thermische Linsencharakteristik, diese Laserkristalle haben andere wichtige Eigenschaften, die sie als für Laserresonatoren geeignet in Frage kommen lassen. Beispielsweise hat im Vergleich zu Nd:YLF das starke thermische Linsenmaterial Nd:YVO₄ eine hohe Verstärkung und eine kurze Lebensdauer im oberen Niveau. Diese Eigenschaften bieten wichtige einstellbare Parameter, wenn ein gütegeschalteter Laser mit hoher Pulsenergie oder hoher Wiederholrate oder ein Laser, der für eine optische Rückkopplung unempfindlich ist, konstruiert wird. Außerdem hat Nd:YVO₄ einen hohen Absorptionskoeffizienten bei der Diodenpumpwellenlänge von ca. 809 nm, wodurch ein effizientes Einkoppeln des Diodenpumplichtes in den Nd:YVO₄-Kristall möglich wird.
Viele Laserkristalle haben starke thermische Linsen, z. B. Nd:YAG und Nd:YVO₄. Bei einer starken thermischen Linse ist die Fokussierstärke der pumpinduzierten Linse mindestens vergleichbar mit der der anderen optischen Elemente im Laserresonator. Eine starke thermische Linse ändert die Größe und Divergenz eines Laserresonator-Eigenmode im Resonator deutlich.
Bei einer schwachen thermischen Linse ist die Fokussierstärke der pumpinduzierten Linse wesentlich niedriger als die der anderen optischen Elemente im Laserresonator, z. B. Spiegel und typische Linsen. Die anderen optischen Elemente im Laserresonator geben die Größe und Divergenz des Resonator-Eigenmode vor.
Es ist klar, daß eine thermische Linse verwendet werden kann, um einen nahezu konfokalen Resonator herzustellen. Bisher hat man jedoch geglaubt, daß die großen Aberrationen von starken thermischen Linsenmaterialien den Wirkungsgrad von Hochleistungsresonatoren begrenzen. Man ist bisher im allgemeinen davon ausgegangen, daß starke thermische Linsen ein Hindernis bei der Entwicklung und Konstruktion eines effizienten Lasers mit hoher TEM₀₀-Strahlqualität, hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad sind. Deshalb ist die erfolgreiche Verwen dung von starken thermischen Linsenmaterialien bei höheren Pumpleistungen bisher begrenzt gewesen.
Außerdem hat die klassische Modenanpassung bisher ge lehrt, daß Verhältnisse zwischen TEM₀₀-Modendurchmesser und Pumpstrahldurchmesser, die kleiner als eins sind, von geringem Interesse sind, da der Laserschwellwert hoch und der erreichbare Umwandlungswirkungsgrad schlecht ist. Verhältnisse, die kleiner als eins sind, führen zu einer geringeren Verstärkung, und Verhältnisse, die nahe und über eins sind, führen aufgrund der Aberration zu einem höheren Verlust. Es ist schwieriger, mit einen nahezu konfokalen Resonator ein Verhältnis zu erreichen, das größer als eins ist, da die TEM₀₀-Modengröße klein ist. Dieses Merkmal steht der Lehre der herkömmlichen Modenanpassung entgegen.
Die Verwendung von Dioden als Pumpquellen für konfokale Resonatoren ist aus Gründen der Kosten, der Größe und der effizienten Verwendbarkeit als Stecker gewünscht. Einige starke thermische Linsenmaterialien haben bestimmte Eigenschaften, die sie für diodengepumpte Laser brauchbar machen würden.
Eine weitere geeignete Resonatorart kann als "zwischen" konfokal und konzentrisch beschrieben werden. Diese kann als konfokal-bis-konzentrischer Resonator bezeichnet werden. In Koechner, Solid State Laser Engineering, 3. Aufl., S.206, zeigt eine Resonatorempfindlichkeitsanalyse, daß ein Resonator mit (g₁)(g₂) = 0,5 eine Modengröße aufweist, die gegenüber Veränderungen bei den g-Parameterwerten ziemlich unempfindlich ist. Dies heißt, daß kleine Veränderungen der Fokussierstäreken von thermischen Linsen bei dieser Art von Laser relativ gut toleriert werden. Eine Anzahl von Laserresonatoren kann mit (g₁)(g₂) = 0,5 hergestellt werden. Dies wird durch g-Werte nahe dem Punkt 25 in 1(a) dargestellt.

„Influence of Spherical Aberration of the Active Medium on the Performance of Nd:YAG Lasers" in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 29, No. 9, September 1993, Seiten 2497–2507 beschäftigt sich mit den bekannten Problemen, die bei der Verwendung von thermischen Linsen in Hochleistungslasern auftreten. Insbesondere bezieht sich 1 dieses Dokumentes auf alle Arten von Resonatoren und erläutert, daß eine hohe Leistung und eine gute Strahlqualität theoretisch gleichzeitig erreicht werden können, während die durch Versuche gewonnene Erfahrung jedoch das Gegenteil zeigt.

DE-C2-404 1 131 offenbart einen Festkörperlaser mit longitudinalem Einmodenbetrieb. Bei diesem Laser ist der TEM₀₀-Modedurchmesser des Laserkristalls in etwa doppelt so groß wie der Durchmesser des Pumpstrahls im Kristall.

DE-A1-421 2 979 offenbart ein Festkörperlasersystem. Hierin ist beschrieben, daß die Laserdiodenstrahlung im Falle des sogenanntem longitudinalen Pumpens gut in das Festkörperlaserresonatorvolumen fokussiert werden, so daß durch den hier gegebenen guten räumlichen Überlapp eine hohe Konversionseffizienz erreicht wird.

In dem DE-Tagungsband „Laser in der Technik", Vorträge des 11. Internationalen Kongresses Laser 93, herausgegeben von Wilhelm Waidelich, Springer Verlag, Berlin, Seiten 90 und 91 ist erläutert, daß das longitudinale Pumpen sich besonders zur Erzeugung von Laserstrahlung im Grundmode bei hohem Wirkungsgrad eignet.

Es wäre erwünscht, einen kompakten, effizienten, billigen diodengepumpten Laser zu haben, der gegen Fehlausrichtung empfindlich ist und eine hohe Richtstabilität hat. Es wäre auch erwünscht, einen konfokal-bis-konzentrischen Resonator bereitzustellen diese Eigenschaften, z. B. diodengepumpt, aufweist, eine hohe Ausgangsleistung bereitstellt, sehr effizient ist und starke thermische Linsenmaterialien verwendet.

Der Laser kann auch einen TEM₀₀-Modendurchmesser im Laserkristall haben, der kleiner ist als der Durchmesser des Pumpstrahls. Es wäre auch nützlich, einen gütegeschalteten Laser mit ähnlichen Kennwerten bereitzustellen, besonders für Anwendungen, die dynamische Veränderungen der Wiederholrate des gütegeschalteten Lasers erfordern.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen konfokal-bis-konzentrischen, diodengepumpten Festkörperlaser bereitzustellen, der so optimiert ist, daß die schädlichen Wirkungen der thermischen Doppelbrechung minimiert werden.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem diodengepumpten Hochleistungslaser gemäß den Patentansprüchen gelöst. Darin vorhanden ist mindestens ein Resonatorspiegel und ein Auskoppler. Mindestens ein Laserkristall mit starken thermischen Fokussiereingenschaften ist vorgesehen. Der Laser weist mindestens eine Diodenpumpquelle auf, die einen Pumpstrahl an den Laserkristall liefert, wobei eine thermische Linse im Laserkristall entsteht. Die Kombination aus dem Laserkristall, der thermischen Linse, den Resonatorspiegeln und dem Auskoppler bildet einen konfokal-bis-konzentrischen Resonator. Ein Ausgangsstrahl wird erzeugt.

In eine weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein diodengepumpter Hochleistungslaser. Mindestens ein Resonatorspiegel und ein Auskoppler sind vorhanden. Außerdem ist mindestens. ein Laserkristall mit starken thermischen Fokussiereigenschaften vorhanden. Mindestens eine Diodenpumpquelle liefert einen Pumpstrahl an den Laserkristall. Dadurch wird eine thermische Linse im Laserkristall erzeugt. Die Kombination aus dem Laserkristall, der thermischen Linse, den Resonatorspiegeln und dem Auskoppler bildet einen Resonator, der größer ist als 0,5 Rayleigh-Längen.

Ferner kann ein nahezu beugungsbegrenzter, hocheffizienter, diodengepumpter Laser einen konfokal-bis-konzentrischen Resonator aufweisen. Ein starker thermischer Linsenlaserkristall ist im Resonator positioninert. Eine Diodenpumpquelle liefert einen Pumpstrahl an den Laserkristall im Resonator, um einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, und erzeugt einen Pumpstrahldurchmesser im Laserkristall, der größer ist als ein TEM₀₀-Modendurchmesser.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Laser ein Multiort-Laser bzw. Laser mit mehreren Einkopplungen sein und kann auch einen oder mehrere Faltarme aufweisen.

Der Resonator kann mehrere Rayleigh-Längen und einen diffenrentiellen optischen Wirkungsgrad eines TEM₀₀-Mode haben, der größer ist als etwa 40 %. Der Laser kann einen optischen Wirkungsgrad vom mehr als etwa 25 %, ein Verhältnis zwischen einem TEM₀₀-Modendurchmesser des Laserkristalls und einem. Pumpstrahldurchmesser im Kristall von unter etwa 1,0 bis 0,83 haben. Die thermische Doppelbrechung kann verringert werden, da der Ausgangsstrahldurchmesser größer ist als der TEM₀₀-Modendurchmesser. In bestimmten Fallen weist der Laser einen Güteschalter auf. Es können viele verschiedene Laserkristallmaterialien verwendet werden, einschließlich Nd:YVO₄ und Nd:YAG, ohne auf diese beschränkt zu sein.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, einen hocheffizienten, diodengepumpten, konfokal-bis-konzentrischen Hochleistungsresonator bereitzustellen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, einen hocheffizienten, diodengepumpten, konfokal-bis-konzentrischen Resonator mit einer nahezu beugungsbegrenzten Ausgangsleistung bereitzustellen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, einen konfokal-bis-konzentrischen Resonator bereitzustellen, der Laserkristalle verwendet, die eine starke thermische Fokussierung aufweisen.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, einen konfokal-bis-konzentrischen diodengepumpten Festkörperlaser bereitzustellen, der wiederholt gütegeschaltet ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, einen konfokal-bis-konzentrischen, diodengepumpten Festkörperlaser bereitzustellen, der einen polarisierten Strahl bereitstellt.

Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, einen konfokal-bis-konzentrischen, diodengepumpten Festkörperlaser bereitzustellen, der einen Laserkristall verwendet, der thermische Doppelbrechung aufweist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1(a) ist ein Stabilitätsdiagramm für einen Zweispiegel-Resonator. Das Diagramm zeigt der Stabilitätsparameter für verschiedene Arten von Resonatoren, einschließlich solchen mit Linsen. Ein idealer konfokaler Resonator liegt vor, wenn g₁ und g₂ gleich 0 sind.
1(b) zeigt eine schematische Darstellung eines einfachen Zweispiegel-Resonators mit Spiegeln M₁ und M₂, jeweils mit einem Krümmungsradius R₁ bzw. R₂ und mit einer Länge L, wobei jedoch kein Laserkristall in der Zeichnung dargestellt ist.
1(c) zeigt einen Zweispiegel-Resonator mit einen resonatorinternen Linse.
2 ist eine schematische Darstellung eines einfachen konfokalen Zweispiegel-Resonators. Die Spiegel haben jeweils einen Krümmungsradius R₁ bzw. R₂ und sind durch eine Strecke L getrennt.
3 ist eine schematische Darstellung eines halbsymmetrischen konfokalen Resonators mit zwei Spiegeln. Einer der Spiegel ist flach. Der gekrümmte Spiegel hat einen Krümmungsradius von R₁ = 2L ist, wobei L die Strecke zwischen den beiden Spiegeln ist. Der Flachspiegel hat einen Krümmungsradius, der unendlich ist.
4 ist eine schematische Darstellung eines Großradiusspiegel-Resonators, der einen Nd:YLF-Laserkristall verwendet, und zeigt zum Vergleich eine Modengröße eines Lasers, die einen Nd:YVO₄-Kristall verwendet.
5 ist eine schematische Darstellung eines asymmetrischen Resonators.
6 ist eine schematische Darstellung eines symmetrischen Resonators, der gefaltet ist und einen einzigen Port bzw. eine einzige Einkopplung aufweist.
7 ist eine schematische Darstellung eines Zwei-Port-Resonators bzw. Resonators mit zwei Einkopplungen.
8 ist eine schematische Darstellung des Resonators gemäß 7, der auseinandergezogen ist, um die Falten zu beseitigen, um die Beziehung zwischen L1, L2 und L3 darzustellen.
9 ist eine schematische Darstellung eines Resonators mit einer doppelten "Z"-Faltung.
10 ist eine schematische Darstellung eines konfokal-bis-konzentrischen "Z"-Resonators, der Nd:YAG oder Nd:YVO₄ verwendet. Dieser Resonator weist einen optionalen Güteschalter (Q-Switch) und eine optionale Polarisationsvorrichtung auf.
11 ist eine schematische Darstellung der TEM₀₀-Modengröße in einem konfokal-bis-konzentrischen Resonator, der eine starke thermische Linse oder Linsen enthält.
Ausführliche Beschreibung Der erfindungsgemäße hocheffiziente, diodengepumpte Hochleistungslaser hat einen oder mehrere Resonatorspiegel und einen Auskoppler, die einen nahezu konfokalen Resonator bilden. Ein Laserkristall ist im Resonator entlang einer optischen Resonatorachse positioniert. Eine Diodenpumpquelle liefert einen Pumpstrahl an den Laserkristall und erzeugt einen Ausgangsstrahl. Eine Stromquelle liefert Leistung an die Diodenpumpquelle. Aperturblenden können für einen verbesserten TEM₀₀-Betrieb vorhanden sein.
Erfindungsgemäß ist eine nahezu konfokale Resonatoreinrichtung genau konfokal und weist außerdem auf:
einen symmetrischen Resonator, wobei g₁ = g₂ ist und g₁, g₂ < 0,5 ist oder die Hohlraumlänge L etwa das Zweifache der Rayleigh-Länge einer Taille des Resonator-Eigenmode beträgt; wobei die Rayleigh-Länge dargestellt wird durch:
wobei wo = die Taillenradiusgröße und λ = die Wellenlänge ist.
Bei einem perfekten symmetrischen konfokalen Resonator ist g₁ = g₂ = 0 oder L = 2R genau erfüllt.
Wenn der Resonator halbsymmetrisch ist, dann ist g₁ oder g₂ ca. 1 und der andere g-Parameter ist nahe 0,5, oder die Hohlraumlänge L ist etwa 1 Rayleigh-Länge einer Taille des Resonator-Eigenmode.
Außerdem weist ein nahezu konfokaler Resonator solche asymmetrischen Resonatoren der Länge L auf, die mit nahezu konfokalen symmetrischen und halbsymmetrischen Resonatoren Eigenschaften gemeinsam haben. Die g-Parameter können sich von den oben genannten Definitionen unterscheiden, aber die Länge des Resonators ist in der Größenordnung von 1 bis 2 Rayleigh-Längen, wie oben definiert.
Ein konfokal-bis-konzentrischer Resonator ist als ein Resonator definiert, bei dem (g₁)(g₂) annähernd gleich 0,5 ist. Diese Resonatoren weisen Modengrößen auf, die relativ unempfindlich gegen kleine Veränderungen der g-Parameter sind, wie bekannt. Dies kann auch dann zutreffen, wenn der Resonator nicht völlig symmetrisch ist. Diese Resonatorausführungen weisen ein günstiges Verhalten auch darin auf, wenn sie nicht vollkommen symmetrisch sind. Außerdem arbeiten diese Arten von Resonatoren gut mit Materialien, die eine starke thermische Fokussierung aufweisen, wie Nd:YVO₄ oder Nd:YAG, und sie arbeiten gut, wenn diese Laser wiederholt gütegeschaltet sind. Wenn sich beispielsweise die Wiederholrate eines gütegeschalteten Nd:YAG-Lasers von 20 kHz bis hinab zu 1 kHz ändert, ist die durchschnittliche Leistungsextraktion aus dem Laser normalerweise nicht konstant, wenn die Pumpleistung konstant gehalten wird. In einem Lampenpumpsystem geht normalerweise so viel Wärmeenergie in dem Nd:YAG-Laserkristall verloren, daß diese Änderung der Leistungsextraktion eine minimale Auswirkung auf die lampenpumpinduzierte thermische Linse im Nd:YAG-Kristall hat. In einem diodengepumpten System kann diese Änderung der Leistungsextraktion jedoch eine deutliche und problematische Wirkung auf die thermische Linse im diodengepumpten Nd:YAG-Kristall haben. Die Wirkung kann so stark sein, daß ein stabiler gütegeschalteter 1-kHz-Betrieb (z. B. 1 bis 2 W Ausgangsleistung) eines diodengepumpten Nd:YAG-Hochleistungslasers verhindert wird, wenn der Laser für eine maximale Ausgangsleistung bei 20 kHz (beispielsweise 6 bis 10 W Ausgangsleistung) optimiert ist.
Die Verringerung der Wiederholrate und der Leistungsextraktion kann zu einer übermäßigen Änderung der effektiven Brennweite der diopenpumpinduzierten thermischen Linse führen. Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein konfokal-bis-konzentrischer Resonator hergestellt wird, der die thermischen Linsen im Nd:YAG-Kristall als variables Fokussierelement im Laserhohlraum verwendet. Eine dynamische Veränderung der Wiederholrate ist möglich, von 50 kHz auf sehr niedrige Frequenzen, mit einer minimalen Änderung der räumlichen Ausgangskennwerte des diodengepumpten Nd:YAG-Lasers und mit einer sehr guten Puls-zu-Puls-Stabilität. Dieser Laser ist für Widerstandsabstimmanwendungen geeignet, bei denen Wiederholraten entsprechend den Verarbeitungsanforderungen für ein bestimmtes Widerstandsmaterial verändert werden.
Bei Resonatoren, die zwischen plan-parallel und konfokal sind, kann (g₁)(g₂) = 0,5 erfüllt sein, und sie können ähnliche günstige Eigenschaften wie die konfokal-bis-konzentrischen Resonatoren haben. Die Beschreibung von konfokal-bis-konzentrischen Resonatoren erstreckt sich daher auf plan-parallel-bis-konfokale Resonatoren.
Es ist festgestellt worden, daß Resonatorlängen, die wenige Rayleigh-Längen (beispielsweise 1 bis 5 Rayleigh-Längen) lang sind, relativ unempfindlich gegen thermische Linsenaberrationen sind, und sie werden als Teil der Erfindung betrachtet. Die Rayleigh-Länge ist definiert als W₀ ²/λ, wie bekannt, wobei in diesem Fall die Strahlradiusgröße Wo der Radius einer resonatorinternen Taille, einer nahen resonatorexternen Taille oder einer nahezu virtuellen oder scheinbaren Taille des Resonators ist. Resonatoren, die Eigenmoden strahlausbreitungen dieser Art haben, sind weniger empfindlich gegen Verlust infolge von Aberrationen in der thermischen Linse, auch bei Verhältnissen zwischen Modengröße und Pumpgröße, die nahe 1 oder größer 1 sind, und auch bei Resonatoren, die nicht symmetrisch sind.
Erfindungsgemäß gelten die folgenden Definitionen:
Starke thermische Linse: die Fokussierstärke der pumpinduzierten Linse ist mindestens vergleichbar mit der der anderen optischen Elemente im Laserresonator. Eine starke thermische Linse verändert die Größe und Divergenz eines Laserresonator-Eigenmode innerhalb des Resonators.
Schwache thermische Linse: die Fokussierstärke einer pumpinduzierten Linse ist wesentlich niedriger als die der anderen optischen Elemente im Laserresonator, z. B. der Spiegel und typischen Linsen. Die anderen optischen Elemente im Laserresonator geben die Größe und Divergenz des Resonator-Eigenmode vor.
Der erfindungsgemäße Laser hat einen optischen Wirkungsgrad, der größer ist als 25 %. In einer bevorzugten Ausführungsform ist sein optischer Wirkungsgrad größer als 40 %. Polarisierter TEM₀₀-Hochleistungsbetrieb des Lasers führt zu einem Ausgangsstrahl, der in einem TEM₀₀-Mode größer ist als 4 W. Sein Ausgangsstrahl ist im wesentlichen TEM₀₀ oder nahezu beugungsbegrenzt, wenn mindestens 95 % der Leistung des Ausgangsstrahls gemessen wird und einem M²-Wert entspricht, der kleiner ist als 1,2, wobei M² als das Verhältnis zwischen einem theoretischen konfokalen Parameter eines Strahls, wie er nach einer resonatorexternen Taillengröße vorhergesagt wird, und einem tatsächlichen gemessenen konfokalen Parameter definiert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist M² < 1,05. Das Ausgangsstrahlprofil hat nach der Methode der kleinsten Quadrate eine Abweichung vom idealen Gauß-Profil von weniger als 10 %. In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Abweichung kleiner als 1 %, und der Ausgangsstrahl ist im wesentlichen polarisiert. Außerdem kann in bestimmten Ausführungsformen der Laser einen Laserkristall verwenden, bei dem die diodenpumpinduzierte thermische Linse im Kristall eine optische Weglängendifferenz als Funktion des Radius aufweist, der nicht durch ein Parabelprofil beschrieben wird.
In 4 weist ein Spiegelresonator mit großem Radius 38 einen Hochreflektor 40, einen Auskoppler bzw. Ausgangskoppler 42, einen Laserkristall 43 und eine Diodenpumpquelle 44 auf. Wenn der Laserkristall 43 Nd:YLF ist und ein Pumpstrahl 46 mit einem Durchmesser von etwa 0,7 mm auf den Kristall 43 fällt, beträgt der TEM₀₀-Modendurchmesser 48 etwa 1 mm, und er bleibt im Resonator 38 ziemlich konstant. Bei einem starken thermischen Linsenmaterial mit starken thermischen Aberrationen, z. B. Nd:YAG oder Nd:YVO₄, kann der gleiche Pumpdurchmesser einen TEM₀₀-Modendurchmesser 50 von etwa 0,56 mm erzeugen (Dies ist so wegen der thermischen Linse, die der Pumpstrahl erzeugt, in Kombination mit anderen optischen Elementen im Resonator). Die TEM₀₀-Modengröße ist geringfügig kleiner als der Pumpdurchmesser. Der Laser ist trotz seiner Abweichung von der herkömmlichen Modenanpassung hocheffizient. Diese Konfiguration ist optimal wegen der Beugungsverluste aufgrund der Aberrationen an den Rändern des Pumpflecks.
Die Diodenpumpquelle 44 kann eine einzelne Diode, ein räumlicher Emitter, ein Diodenstab bzw. -block oder mehrere Dioden, Diodenanordnungen oder Diodenstäbe bzw. -blöcke sein. Eine geeignete Diodenquelle 44 ist das Modell Nr. OPC-A020-810-CS, vertrieben von OptoPower Corporation, City of Industry, California. Ein ähnliches Modell nennt sich B020. Normalerweise werden mehrere Dioden verwendet, z. B. zwei oder mehr, falls erforderlich. Eine kann jedoch verwendet werden, wenn die verfügbare Leistung ausreicht. Bevorzugte Wellenlängen der Diodenquelle 44 liegen im Bereich von 795 bis 815 nm. Spitzenabsorptionswellenlängen spezifischer Kristalle sind annähernd wie folgt: Tm:YAG – 785 nm; Nd:YLF – 797 nm; und Nd:YAG, Nd:YVO₄ – 809 nm.
Die Diodenquelle 44 ist mit einer oder mehreren optischen Fasern bzw. Lichtwellenleitern 52 gekoppelt. Vorzugsweise wird ein Bündel aus optischen Fasern 52 verwendet. Das Koppeln kann so erfolgen, wie im US-Patent Nr. 5 127 068 beschrieben. Geeignete Fasern 52 sind solche, die Siliziumoxid kerne mit Siliziumoxidmantel aufweisen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die Erfindung kann auch Dioden verwenden, die nicht fasergekoppelt sind.
Eine Teleskopanordnung dient zum Fokussieren des Ausgangsstrahls der Diodenquelle 44 und zwar so, daß er auf den Laserkristall 43 fällt. In einer Ausführungsform, mit Nd:YVO₄, weist die Teleskopanordnung eine erste und eine zweite Linse 54 und 56 auf, die die Größe des Pumpstrahls 46 optimieren, um eine Zerstörung des Kristalls 43 zu vermeiden, jedoch einen solchen Pumpstrahl erzeugen, daß das Verhältnis zwischen dem TEM₀₀-Modendurchmesser und dem Pumpstrahldurchmesser kleiner ist als eins (z. B. ca. 0,85). In einer weiteren Ausführungsform, mit Nd:YAG in einem gütegeschalteten Laser (Q-Switch-Laser), kann dieses Verhältnis kleiner sein als eins (z. B. ca. 0,85) oder nahe eins, die Länge des Resonators entspricht jedoch wenigen Rayleigh-Längen, und außerdem gilt: (g₁)(g₂) ist nahe 0,5.
In einem konfokalen Resonator ohne Linse werden zwei gegenüberliegende Spiegel verwendet, die Krümmungsradien R₁ bzw. R₂ haben, und die Spiegel sind durch eine Strecke L getrennt, wobei R₁ = R₂ = L ist. Dies ist, um es zu wiederholen, ein perfekter konfokaler Resonator. Eine starke thermische Linse ändert die idealen Strecken und Krümmungen, da die thermische Linse eine starke Wirkung auf die Modenausbreitung im Resonator hat.
Starke thermische Linsenmaterialien können für den erfindungsgemäßen Laserkristall verwendet werden. Geeignete starke thermische Linsenmaterialien sind Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:GVO₄ Nd:YPO₄, Nd:BEL, Nd:YALO und Nd:LSB, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Ein bevorzugtes Material ist Nd:YVO₄, vertrieben von Litton-Airtron, Charlotte, North Carolina. Der Atomprozentanteil von Nd liegt im Bereich von 0,5 bis 3,0 %, vorzugsweise bei etwa 0,6 bis 0,9 % und besonders bevorzugt bei etwa 0,8 %. Eine Ausführungsform, die für hohe kontinuierliche bzw. CW-Leistung bei 1,064 μm konfiguriert ist, verwendet Nd:YVO₄ mit einem Dotierung von annähernd 0,5 %. Dieser Laser erzeugt in einem TEM₀₀-Mode bei 26 W Pumpleistung über 13 W.
Nd:YVO₄ ist ein attraktives Material für bestimmte Anwendungen, weil es im Vergleich zu Nd:YLF eine hohe Verstärkung und eine kurze Lebensdauer im oberen Zustand aufweist. Nd:YAG hat eine mittlere Verstärkung und eine mittlere Lebensdauer im oberen Zustand. Nd:YVO₄ ist auch zum Diodenpumpen geeignet, da sein Absorptionskoeffizient bei der Diodenpumpwellenlänge von ca. 809 nm extrem hoch ist, was eine effiziente Kopplung des Diodenpumpstrahls 46 ermöglicht.
Optische, thermische und mechanische Kennwerte von Nd:YVO₄ sind auf seiner "a"- und "c"-Achse verschieden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient in einer Richtung parallel zur "a"-Achse ist etwa 2,5-mal kleiner als der parallel zu der "c"-Achse. Die Änderurg des Brechungsindex als Funktion der Zeit ist um einen Faktor 2,8 auf der "c"- und "a"-Achse verschieden. Da Nd:YVO₄ so stark doppelbrechend ist, besteht zwischen den Brechungsindices für die beiden kristallographischen Achsen eine Differenz von mehr als 10 %.
Nd:YVO₄ und andere Kristalle, die starke thermische Linseneigenschaften haben, können eine thermische Linse mit gesteuerter Elliptizität, z. B. Kreisform, haben, und zwar durch richtige Steuerung der Wärmeleitung im Kristall, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 08/191 654, angemeldet am 4. Februar 1994, beschrieben.
In 5 weist ein halbsymmetrischer Resonator 58 einen Laserkristall 60 auf. Ein Resonatorspiegel 62 und ein Auskoppler 64 bilden einen Resonatorhohlraum der Länge L. In 5, wie in allen Figuren dieser Beschreibung, bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente. Die Strecke zwischen dem Resonatorspiegel 62 und dem Laserkristall 60 ist L1, und die Strecke zwischen dem Auskoppler 64 und dem Laserkristall 60 ist L2. Der Resonator 58 kann so hergestellt sein, daß er beinahe zu einem perfekten konfokalen Resonator wird, wenn L1 << L2, F = L und R1, R2 >> L erfüllt ist. R1 ist der Krümmungsradius des Resonatorspiegels 62, R2 ist der Krümmungsradius des Auskopplers 64 und F ist die Brennweite des Laserkristalls 60.
Außerdem kann ein starkes thermisches Linsenmaterial, z. B. Nd:YAG oder Nd:YVO₄, als der Laserkristall 60 verwendet werden, damit seine Fokussierstärke den Resonator und seine Stabilität modifiziert. Im wesentlichen wird die Lage der g-Parameter dieses Lasers im Stabilitätsdiagramm in 1(a) weiter in Richtung eines perfekten konfokalen Resonators verschoben. Die Wirkungen einer starken thermischen Linse können ausreichen, um einen konfokalen Resonator auch mit Flachspiegeln zu erzeugen. Er wird jedoch mit gekrümmten Spiegeln bevorzugt. Dies kann die Empfindlichkeit des Lasers gegen Fehlausrichtung verbessern. Eine weitere nützliche Konfiguration ist der konfokal-bis-konzentrische Resonator, der besonders für einen gütegeschalteten Nd:YAG-Laser geeignet ist.
6 zeigt einen symmetrischen, nahezu konfokalen Resonator 66 mit einer gefalteten Geometrie. Der Resonator wird von einem Auskoppler 68 mit einem Krümmungsradius R1 und einem Resonatorspiegel 70 mit einem Krümmungsradius R2 begrenzt. L1 ist die Strecke zwischen dem Auskoppler 68 und dem Laserkristall 72, L2 ist die Strecke zwischen dem Resonatorspiegel 70 und dem Laserkristall 72. Ein Faltspiegel 74 ist normalerweise flach und hat dadurch einen Krümmungsradius R3, der unendlich ist. Bei einem symmetrischen Resonator ist L1 = L2 und R1 = R2 erfüllt. Der Laserkristall 72 ist ein starkes thermisches Linsenmaterial, z. B. Nd:YAG oder Nd:YVO₄, mit einer thermischen Linse mit gesteuerter Elliptizität.
Ein "Zwei-Port"-Resonator 76, der in 7 dargestellt ist, wird durch einen Auskoppler 78 mit einem Krümmungsradius R1, einen Resonatorspiegel 80 mit einem Krümmungsradius R2 und zwei Faltspiegel 82 und 84, die einen Faltarm des Resonators 76 begrenzen, gebildet. Der Begriff "Port" bezeichnet einen Punkt, an dem das Diodenpumplicht eingegeben wird. Zwei Laserkristalle 86 und 88 sind auf der optischen Achse 90 des Faltarms positioniert. Obwohl zwei Kristalle dargestellt sind, kann auch nur einer verwendet werden. Zwei Diodenpumpquellen 44, zwei Gruppen von optischen Fasern 52 und zwei Teleskopanordnungsgruppen von Linsen 54 und 56 sind vorhanden. Es können auch nur eine Diodenpumpquelle und ein sich gabelndes Faserbündel verwendet werden. Zwei Pumpquellen werden verwendet, um die Ausgangsleistung des Resonators 76 zu erhöhen. Um eine Beschädigung der Laserkristalle zu minimieren, werden zwei Kri stalle 86 und 88 verwendet. Die Kristalle 86 und 88 können aus einem starken thermischen Linsenmaterial hergestellt sein, beispielsweise Nd:YVO₄, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Es kann auch nur ein Kristall verwendet werden, wenn ein Nd:YVO₄-Kristall verwendet wird, es können bei 26 W einfallendem Pumplicht über 13 W TEM₀₀-Ausgangsleistung erzeugt werden.
Die Faltspiegel 82 und 84 sind dichroitisch. Die optischen Elemente sind bei der Laserwellenlänge im HR-Modus und bei der Pumpwellenlänge im HE-Modus. Sie können als "Pumpfenster" bezeichnet werden. Zwei Pumpstrahlen, die jeweils von einer Diodenpumpquelle 44 kommen, stellen jeweils die Hälfte der Gesamtpumpleistung bereit. Um es zu wiederholen, dadurch entsteht ein Toleranzbereich gegen ein Überschreiten der Bruchgrenze der Einfallsfläche des Laserkristalls. Die beiden Pumpstrahlen werden so konfiguriert, daß ihre Antiparallelität im Laserkristall und ihre koaxiale Ausbreitung in bezug auf den TEM₀₀-Mode des Resonators 76 sichergestellt werden. Dadurch entsteht ein zylindrisch geformtes Pumpvolumen und eine normalerweise radialsymmetrische zusammengesetzte thermische Linse.
Eine optimale Querausrichtung der beiden Teleskopvorrichtungen, die das Pumplicht über Linsen 54 und 56 in den Kristallen 86 und 88 abbilden, kann erreicht werden, indem sichergestellt wird, daß das Pumplicht von den Diodenquellen 44 bei Nichtvorhandensein der Laserkristalle 86 und 88 über eine Faser 52 oder Bündel von Fasern optimal in die andere Faser 52 oder Bündel von Fasern eingekoppelt wird. Nach dem Einfügen der Kristalle 86 und 88 müssen keine weiteren bedeutenden Änderungen der Querausrichtung der Teleskope durchgeführt werden, es kann jedoch eine bestimmte Anpassung gewünscht werden, da das gesamte Teleskopsystem in seiner Lage verriegelt wird. Eine einfache Optimierung der Längsrichtungslage der beiden Teleskope kann nach dem Einfügen der Kristalle 86 und 88 erforderlich sein. Der Auskoppler 78 und der Resonatorspiegel 80 können auch verändert werden, um die Konzentrizität des gepumpten zylindrischen Volumens und des TEM₀₀-Mode des Resonators 76 sicherzustellen. Eine Apertur 92 kann vorhanden sein, um ein Schwingen im Mode der niedrigsten Ordnung sicherzustellen. Dies ist normalerweise erforderlich.
Wenn ein starker thermischer Linsenkristall verwendet wird, z. B. Nd:YAG oder Nd:YVO₄, ist die Stärke der thermischen Linsen in den Kristallen 86 und 88 derartig, daß der Hohlraum des Resonators 76 nahezu konfokal sein kann. Der Resonator 76 ist geometrisch um seinen Mittelpunkt symmetrisch, wobei sichergestellt wird, daß die Modengröße in beiden Kristallen 86 und 88 nahezu identisch ist und daß Verluste aufgrund der aberrationsbehafteten Teile der thermischen Linsen minimiert werden. Die TEM₀₀-Modengrößen in den beiden stark aberrationsbehafteten gepumpten Volumen sind nahezu identisch. Außerdem sind die beiden gepumpten Volumen in den Kristallen 86 und 88 nahezu identisch. Die enge Nachbarschaft der Kristalle 86 und 88 ermöglicht es ihnen, nahezu wie eine einzige zusammengesetzte Linse zu wirken, und minimiert ein unerwünschtes dynamisches Verhalten zwischen ihnen und dem Raummode des Resonators 76. Die große Nähe der Kristalle 86 und 88 zum Mittelpunkt des Resonators 76 stellt dessen Symmetrie sicher. Ein einzelner Kristall kann auch verwendet werden.
In einer Ausführungsform hat der Resonator eine Gesamtlänge von annähern 20 cm, und die zusammengesetzten thermischen Linsenkristalle 86 und 88 sind in der Mitte des Hohlraums der annähernden zusammengesetzten Brennweite F, die etwa 9 cm beträgt. Ein einzelner Kristall kann auch verwendet werden. Dies wird erreicht bei 13 W einfallender Leistung pro Eingang. Eine Apertur 92 wird verwendet, um den TEM₀₀-Betrieb sicherzustellen. In dieser Ausführungsform sind die dichroitischen Faltspiegel 82 und 84 flach. Außerdem sind in dieser Ausführungsform der Auskoppler 78 und der Resonatorspiegel 80 flach oder haben einen großen Krümmungsradius. In einer weiteren Ausführungsform hat der Resonator 76 eine Länge von etwa 23 cm, und zwar mit der gleichen thermischen Linsenstärke, und weist flache Faltspiegel 82 und 84 auf. Der Auskoppler 78 und der Resonatorspiegel 80 haben jedoch eine Krümmung von 60 cm. Der Resonator in dieser Ausführungsform ist einfacher auszurichten bei geringer Leistung aufgrund der Spiegelkrümmungen und weist eine ausgezeichnete Richtstabilität und Unempfind lichkeit gegen gegen Fehlausrichtung auf. Wenn Nd:YVO₄ verwendet wird, kann eine Ausgangsleistung von über 13 W in einer runden TEM₀₀-Mode, bei 26 W einfallender Diodenpumpleistung erzeugt werden, was einem optisch-zu-optischen Wirkungsgrad von > 50 % entspricht. In beiden Ausführungsformen sind die Resonatoren nahezu konfokal; die Modengröße von einem Ende des Resonators zum anderen ändert sich um nicht mehr als einen Faktor, nämlich die Quadratwurzel von 2. In einigen Fällen sind diese Resonatoren konfokal-bis-konzentrisch. In diesem Fall ändert sich die Modengröße um etwa einen Faktor zwei von einem Ende des Resonators zum anderen, ähnlich wie im Fall des konfokalen Resonators. Im Stabilitätsdiagramm gemäß 1(a) liegen beide Resonatoren in der unteren Hälfte des Diagramms, zwischen konfokal und konzentrisch, im Vergleich mit der oberen Hälfte, die zwischen konfokal und plan-parallel ist.
Das Verhältnis zwischen TEM₀₀-Modendurchmesser in den Kristallen 86 und 88 und dem Pumpenstrahldurchmesser ist von 1,0 bis immerhin 0,6. In einer Ausführungsform ist es 0,83.
Das Verhältnis zwischen dem TEM₀₀-Modendurchmesser in den Kristallen 86 und 88 ist kleiner als eins in einer Ausführungsform. Wenn ein Faserbündel verwendet wird, ist das Verhältnis zwischen dem TEM₀₀-Modendurchmesser jedes Kristalls 86 und 88 und dem Durchmesser eines nahezu zylinderförmigen Pumpstrahls weniger als eins bis etwa 0,83. Dies steht im Gegensatz zu den bisherigen Lehren, nämlich daß ein Verhältnis von weniger als eins uneffizient ist. Der TEM₀₀-Modendurchmesser in den Kristallen 86 und 88 ist traditionell als der Durchmesser definiert, bei dem die Modenintensität 1/e2 (ca. 13,5 %) von ihrer Spitzenintensität beträgt. Der Pumpstrahldurchmesser im Kristall ist als der Durchmesser des Abbildes des Pumpstrahls im Kristall definiert. Die Intensitätsverteilung des Pumpstrahls ist nahe einem Zylinderprofil.
Obwohl die früheren Forscher zum Ausdruck gebracht haben, daß Verhältnisse unter eins zu Lasern führen sollten, die sowohl bei starken als auch bei schwachen thermischen Linsenmaterialen nicht effizient sind, liefert die Erfindung ein anderes Ergebnis. In einer Ausführungsform führt die Kombination aus starken thermischen Linsenlaserkristallen 86, 88, z. B. Nd:YVO₄, der Beherrschung der Wärmeableitung durch die "c"-Kristallflächen und der Verwendung einer fasergekoppelten Diodenpumpquelle zu einem hocheffizienten Laser, der über einen breiten Bereich von Pumpleistungen im TEM₀₀-Mode arbeitet.
Nd:YAG kann mit gleichen Ergebnissen verwendet werden. Ein resonatorinterner Polarisator, z. B. eine Brewster-Platte, ist erforderlich, um einen gut polarisierten Ausgangsstahl sicherzustellen. Im Nd:YAG sind nicht nur thermische Linsen und thermische Aberrationen problematisch, sondern auch thermische Doppelbrechung. Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß die Verluste aufgrund beider Wirkungen deutlich verringert werden, wenn der TEM₀₀-Modendurchmesser im Kristall geringfügig kleiner ist als der Pumpstrahldurchmesser im Kristall. Die Flächen des Nd:YAG-Kristalls, die die größte Doppelbrechung bewirken, sind an den Rändern des Pumpstrahldurchmessers im Nd:YAG-Kristall. Die stärksten Depolarisierungswirkungen werden deshalb festgestellt, wenn die Modengrößen, die für einen herkömmlichen Mode typisch sind, verwendet werden. Wenn die TEM₀₀-Modengröße größer ist als der Hochleistungspumpstrahl, dann gelangen Teile des TEM₀₀-Strahls durch die thermisch doppelbrechenden Flächen, erfahren eine Drehung, und dann eine Zurückweisung oder einen Verlust durch einen resonatorinternen Polarisator. Erfindungsgemäß minimiert eine Pumpstrahlgröße, die geringfügig größer ist als der TEM₀₀-Modendurchmesser im Kristall, Verluste infolge der Doppelbrechung.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Resonators 76 mit einer nicht gefalteten Geometrie. Dabei sollen die entsprechenden Längen der Komponenten im Resonator 76 dargestellt werden. Bei einem symmetrischen Resonator ist L1 = L2, F1 = F2, R1 = R2 und L3 << L1, L2 erfüllt.
Ein doppelt "Z"-gefalteter konfokaler Resonator 92 ist in 9 dargestellt. Der Resonator 92 wird von einem Auskoppler 94 und einem Resonatorspiegel 96 begrenzt. Ein einzelner Laserkristall 98 oder zwei Kristalle ist bzw. sind entlang einer ersten optischen Faltarm-Achse 100 positioniert. Ein einzelner Laserkristall 102 oder zwei Kristalle ist bzw. sind entlang einer zweiten optischen Faltarm-Achse 102 positio niert. Eine Apertur 106 wird verwendet. Der Resonator 92 ist symmetrisch, wenn L1 ca. L2 ist und L3 << L1, L2 ist.
Eine Ausführungsform eines Zwei-Port-Lasers hat die folgenden Kennwerte: (i) Ausgangsleistungen im Bereich von etwa 1 bis 12 W, (ii) ein optischer Gesamtwirkungsgrad, der größer ist als etwa 25 % und vorzugsweise größer als 40 %, (iii) ein differentieller optische Wirkungsgrad in einem TEM₀₀-Mode, der größer ist als 40 %, (iv) ein Verhältnis zwischen dem TEM₀₀-Modendurchmesser und dem Pumpstrahldurchmesser im Kristall im Bereich von etwa kleiner als 1,0 bis 0,83; einen M² von unter 1,2 und vorzugsweise unter etwa 1,05 und (v) eine Abweichung der kleinsten Quadrate eines Strahlprofils von einem Gauß-Profil von weniger als etwa 10 % und vorzugsweise etwa 1 %. Wenn Nd:YVO₄ verwendet wird, wird der Ausgangsstrahl naturgemäß polarisiert, parallel zur "c"-Achse des Nd:YVO₄-Kristalls. Wenn Nd:YAG verwendet wird, kann das System entweder als nichtpolarisierter Laser optimiert werden oder durch die Hinzufügung eines resonatorinternen Polarisierungselements polarisiert werden, z. B. durch eine oder mehrere Brewster-Platten.
10 stellt einen Resonator mit einer "Z"-Konfiguration dar, der einen zusätzlich möglichen Güteschalter (Q-Switch) 104 und ein Polarisationselement 106 aufweist. Geeignete Güteschalter werden von NEOS in Melbourne, Florida, vertrieben. Es können entweder akusto-optische oder elektrooptische Vorrichtungen verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform weist einen akusto-optischen Güteschalter auf. Das Polarisationselement 106 kann eine oder mehrere Brewster-Platten sein, wie sie verwendet werden, wenn Nd:YAG der Laserkristall ist und ein polarisierter Ausgangsstrahl gewünscht wird. Wenn Nd:YVO₄ verwendet wird, gleichen die Resonatordimensionen denen, die für den Resonator 76 gemäß 7 beschrieben worden sind. Wenn Nd:YAG verwendet wird, können die gleichen Dimensionen verwendet werden, eine bevorzugte Ausführungsform hat jedoch eine größere Gesamtlänge. Die Gesamthohlraumlänge einer bevorzugten Ausführungsform bei Nd:YAG ist annähernd 65 bis 70 cm, mit entsprechend größeren Modengrößen und Pumpstrahlgrößen (z. B. 0,85 mm bzw. 1,05 mm). Das Nd:YAG- System ist annähernd konfokal-bis-konzentrisch und nahezu symmetrisch. 11 zeigt die Modengröße als Funktion der Lage im Resonator gemäß 10. Diese Modengrößendarstellung ist der Darstellung für den Resonator 76 gemäß 7 sehr ähnlich. Die TEM₀₀-Modengröße ändert sich nur um einen Faktor zwei von einem Ende zum anderen. Der Laser weist etwa vier Rayleigh-Längen auf. Er kann von 0 bis 50 kHz gütegeschaltet sein, mit dynamisch sich ändernder Wiederholrate, mit einer minimalen Änderung der Modengrößen und einer sehr hohen gütegeschalteten Stabilität über diesen Bereich. Im Gegensatz dazu können andere Resonatorausführungen als die konfokal-bis-konzentrische Ausführung Instabilitäten aufweisen, wenn gütegeschaltete Wiederholraten geändert werden.
Thermische Doppelbrechung kann problematisch sein, wenn Nd:YAG verwendet wird. Außerdem wird bei YAG eine starke thermische Doppelbrechung beobachtet. Die Ursache dafür ist in erster Linie, daß der Brechungsindex dieser Materialien stark temperaturabhängig ist (dn/dT ist groß), und die Belastung mit Wärme durch den Pumpstrahl bewirkt große Wärmegradienten. Diese Gradienten bewirken auch Spannungen, die auch zu ungleichmäßigen Änderungen des Brechungsindex führen. Es wird allgemein angenommen, daß eine starke thermische Fokussierung und thermische Doppelbrechung ein Hindernis bei der Ausführung und Konstruktion eines effizienten Lasers mit einer hohen Strahlqualität ist, und deshalb gab es bisher noch keinen großen Erfolg bei der Verwendung von Materialien mit starker thermischer Fokussierung und thermischer Doppelbrechung bei hocheffizienten, diodengepumpten Hochleistungslasern mit Diodenstäben bzw. -blöcken.
Wenn Nd:YAG als das Lasermedium verwendet wird, ist die thermische Doppelbrechung in einer endgepumpten Hochleistungsgeometrie ein zusätzliches Problem. Die Wirkung der thermischen Doppelbrechung ist bei lampengepumpten Nd:YAG-Lasern bekannt (siehe beispielsweise Koechner, Solid-State Laser Engi neering, 3.Aufl., S. 393). Viele Laseranwendungen erfordern polarisierten Strahl; thermische Doppelbrechung führt zu einer raumabhängigen Polarisationsdrehung von Teilen des Hohlraum-Eigenmode im Laserkristall und somit zu Verlust, wenn der Ei genmode durch den resonatorinternen Polarisator läuft. Dieser Verlust kann bedeutend sein und kann die Ausgangsleistung des polarisierten Lasers ernsthaft einschränken. Erfindungsgemäß ist festgestellt worden, daß die TEM₀₀-Modengröße, die geringfügig kleiner ist als die Pumpstrahlgröße, den Verlust infolge der thermischen Doppelbrechung minimiert, insbesondere wenn Nd:YAG verwendet wird. Beispielsweise ist festgestellt worden, daß ein Verhältnis zwischen Modengröße und Pumpstrahlgröße von ca. 0,85 bei einem diodenendgepumpten, polarisierten Nd:YAG-Hochleistungslaser optimal ist.
Änderungen und Modifikationen der im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen sind möglich, ohne daß der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird, der lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt wird.
Die vorstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Zwecke der Darstellung und Beschreibung angefertigt worden. Sie ist nicht erschöpfend und schränkt die Erfindung nicht auf die offenbarten genauen Ausführungsformen ein. Viele Modifikationen und Änderungen sind für den Fachmann offenkundig. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert werden.

Claims

Diodengepumpter Hochleistungslaser mit: mindestens einem Resonatorspiegel und einem Auskoppler; mindestens einem Laserkristall, der eine starke, aberrationsbehaftete thermische Linse ausbildet; mindestens einer Diodenpumpquelle, die einen endgepumpten Pumpstrahl an den Laserkristall liefert, wobei eine thermische Linse im Laserkristall entsteht, wobei die Kombination aus dem Laserkristall, der thermischen Linse, den Resonatorspiegeln und dem Auskoppler im allgemeinen einen konfokal-bis-konzentrischen Resonator bildet, der einen Ausgangsstrahl erzeugt, wobei das Verhältnis zwischen einem TEM₀₀-Modendurchmesser des Laserkristalls und einem Pumpstrahldurchmesser im Kristall kleiner ist als 1,0, um Verluste infolge thermischer Doppelbrechung zu verringern, und einer Stromquelle, die Leistung an die Diodenpumpquelle liefert.
Diodengepumpter Hochleistungslaser nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Laserkristall starke thermische Fokussiereigenschaften aufweist; und wobei der konfokal-bis-konzentrische Resonator länger ist als 0,5 Rayleigh-Längen und einen Ausgangsstrahl mit einer Leistung von 4W oder mehr erzeugt.
Laser nach Anspruch 2, wobei der Resonator 1 bis 2 Rayleigh-Längen lang ist.
Laser nach Anspruch 2, wobei der Resonator 2 bis 4 Rayleigh-Längen lang ist.
Laser nach Anspruch 2, wobei der Resonator 4 bis 10 Rayleigh-Längen lang ist.
Laser nach Anspruch 2, ferner mit einem Güteschalter.
Laser nach Anspruch 2, wobei der Resonator etwa 4 Rayleigh-Längen lang ist.
Hocheffizienter, diodengepumpter Multiport-Laser mit: einem Resonatorspiegel und einem Auskoppler, die einen konfokal-bis-konzentrischen Resonator bilden, wobei der Resonator ein erstes und ein zweites Pumpfenster aufweist, die einen ersten Faltarm des Resonators bilden, wobei der erste Faltarm eine erste optische Faltarm-Achse bildet; einem ersten Laserkristall mit starker thermischer Linse, der im Resonator entlang der ersten optischen Faltarm-Achse positioniert ist; einer ersten Diodenpumpquelle, die in der Nähe des ersten Pumpfensters positioniert ist und einen ersten endgepumpten Pumpstrahl an den ersten Laserkristall im Laserresonator liefert, wobei das Verhältnis zwischen einem TEM₀₀-Modendurchmesser des Laserkristalls und einem Pumpstrahldurchmesser im Kristall kleiner ist als 1,0, um Verluste infolge thermischer Doppelbrechung zu verringern; einer zweiten Diodenpumpquelle, die in der Nähe des zweiten Pumpfensters positioniert ist und einen zweiten endgepumpten Pumpstrahl an den ersten Laserkristall im Laserresonator liefert; und mindestens eine Stromquelle, die Leistung an die erste und die zweite Pumpquelle liefert.
Hocheffizienter, diodengepumpter Multiport-Laser nach Anspruch 8, wobei der Resonator ferner ein drittes und ein viertes Pumpfenster aufweist, die einen zweiten Faltarm des Resonators bilden, wobei der zweite Faltarm eine zweite optische Faltarm-Achse bildet; wobei der erste Laserkristall eine stark aberrationsbehaftete thermische Linse aufweist; wobei der Laser ferner aufweist: einen zweiten Laserkristall, der im Resonator entlang der zweiten optischen Faltarm-Achse positioniert ist; eine dritte Diodenpumpquelle, die in der Nähe des dritten Pumpfensters positioniert ist und einen dritten endgepumpten Pumpstrahl an den zweiten Kristall liefert; eine vierte Diodenpumpquelle, die in der Nähe des vierten Pumpfensters positioniert ist und einen vierten endgepumpten Pumpstrahl an den zweiten Kristall liefert; wobei die mindestens eine Stromquelle die Leistung an die erste, zweite, dritte und vierte Diodenpumpquelle liefert.
Laser nach einem der Ansprüche 8 oder 9, ferner mit einem Güteschalter, der im Resonator positioniert ist.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der bzw. die Laserkristalle aus Nd:YAG bestehen.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der bzw. die Laserkristalle aus Nd:YVO₄ bestehen.
Laser nach Anspruch 12, wobei der bzw. die Nd:YVO₄-Laserkristalle eine Dotierung von 0,5% haben.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein Verhältnis zwischen einem TEM₀₀-Modendurchmesser des ersten Laserkristalls und einem Pumpstrahldurchmesser im Kristall etwa kleiner als 1,0 bis 0,83 ist.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Laser einen differentiellen optischen Wirkungsgrad in dem TEM₀₀-Mode hat, der größer ist als etwa 40%.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Laser einen optischen Wirkungsgrad hat, der größer ist als etwa 25%.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Ausgangsstrahl eine Leistung hat, die größer ist als etwa 4 W.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Ausgangsstrahl polarisiert ist.