DE19738121A1 - Festkörperlaser-Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperlaser- Vorrichtung, die einen Halbleiterlaser als Lichtquelle zur Anregung eines Laserlicht-Mediums verwendet.

Hinsichtlich einer herkömmlichen Festkörperlaser-Vorrichtung veranschaulicht Fig. 3 den Aufbau einer Festkörperlaser-Vor­ richtung, die ein End-Pumpsystem verwendet und damit einen Resonator aufbaut, der eine Endfläche eines Laser-Mediums und einen Spiegel aufweist.

Die Festkörperlaser-Vorrichtung weist einen Pump-Halbleiter­ laser 30 zur Abgabe von Laserlicht als Anregungslicht, eine Kollimatorlinse 31, die das vom Pump-Halbleiterlaser 30 abgegebe­ ne Laserlichtbündel parallel macht, sowie eine Fokussierungslinse 32 zum Fokussieren des über die Kollimatorlinse ausgegebenen Laserlichtbündels und Richten des fokussierten Laserlichtbündels auf ein Laser-Medium 33 auf. Die Fokussierungslinse 32 ist so aufgebaut, daß der Fokussierungspunkt aller Parallelbündel auf einer Oberfläche des Laser-Mediums 33 oder geringfügig innerhalb desselben liegt. Ferner enthält die Festkörperlaser-Vorrichtung das Laser-Medium 33 zur Absorption des mit der Fokussierungslinse 32 fokussierten Laserlichts, wobei sich das Laser-Medium 33 aus einem Nd-YAG-Kristall aufbaut, bei welchem der YAG-(Yttrium- Aluminium-Granat-)Kristall mit Nd dotiert ist. Ein dem Laser- Medium 33 gegenüber angeordneter Ausgangsspiegel 34 bildet eine Einfallsfläche für das Laserlicht, das im Laser-Medium 33 stimuliert emittiert wird, und ein optischer Resonator 35 besteht aus einem Ausgangsspiegel 34 und einer Endfläche 331 des Laser- Mediums 33. Durch den optischen Resonator 35 wird das Laserlicht zwischen dem Laser-Medium und dem Ausgangsspiegel 34 eingegrenzt und durch Resonanz verstärkt. Ein Teil des verstärkten Lichts wird über den Ausgangsspiegel 34 abgegeben. Bei einer solchen Halbleiterlaser-Vorrichtung ist die Ausgangsfläche des Laser­ lichts des Pump-Halbleiterlasers 30 eine Referenzebene, andere Komponenten werden auf einer optischen Achse 36 angeordnet und die Ausrichtungen insgesamt durchgeführt.

Bei der Festkörperlaser-Vorrichtung mit obigem Aufbau hat der Pump-Halbleiterlaser 30 von allen Komponenten, die die Festkörperlaser-Vorrichtung aufweist, wie die Linse, den Spiegel und das Laser-Medium, die kürzeste Lebensdauer. Elektrische Spannungsstöße, Überströme und statische Elektrizität sind mit der größten Wahrscheinlichkeit die Ursache für Schwierigkeiten, die dazu führen, daß der Pump-Halbleiterlaser 30 oft ausgetauscht werden muß.

Bei einer Festkörperlaser-Vorrichtung mit obigem Aufbau sind jedoch beim Austausch des Pump-Halbleiterlasers 30 die folgenden Schritte erforderlich: Die Festkörperlaser-Vorrichtung wird vollständig in ihre Teile zerlegt, der Pump-Halbleiterlaser 30 wird gegen einen neuen ersetzt, wonach eine Fläche des Pump- Halbleiterlasers 30 für die abgehende Laserstrahlung als Referenzebene verwendet wird, und alle Komponenten, d. h. die Kollimatorlinse 31, die Fokussierungslinse 32, das Laser-Medium 33 und der Ausgangsspiegel 34 werden der Reihe nach justiert, mit dem Ergebnis, daß eine derartige Arbeit mühsam und zeitraubend ist. Mit Zunahme der Anzahl der Komponenten erhöht sich die benötigte Zeit weiter, so daß es schwierig ist, die Montage durchzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Festkörperlaser-Vor­ richtung zu schaffen, bei welcher im Falle eines Austauschs des Pump-Halbleiterlasers dieser Austausch, die Montage und Justie­ rung einfach und wirkungsvoll durchgeführt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Festkörperlaser-Vorrichtung einen Laserhalbleiter zum Einstrahlen von Laserlicht als Pumplicht, ein optisches System zum Parallel­ machen des Laserlichts, eine Fokussierungslinse zum Fokussieren des parallel gemachten Laserlichts und Richten des fokussierten Laserlichts auf ein Laser-Medium, wobei das Laser-Medium für eine Absorption des Laserlichts und eine Ausgabe von spontan emittier­ tem Licht eingerichtet ist, sowie einen optischen Resonator zur Eingrenzung des spontan emittierten Lichts, so daß es zu einer stimulierten Emission kommt, wobei die Festkörperlaser-Vor­ richtung ein erstes Gehäuse zur Aufnahme des Laserhalbleiters und des optischen Systems, in dem beide auf der gleichen optischen Achse liegen, und ein zweites Gehäuse zur Aufnahme der Fokussie­ rungslinse, des Laser-Mediums und des optischen Resonators, in dem alle auf der gleichen optischen Achse liegen, aufweist, wobei die Gehäuse demontierbar sind.

Ferner kann das zweite Gehäuse mit einer Ausgangslinse zur Ausgabe des vom optischen Resonator abgegebenen Laserlichts als Parallelbündel bestückt sein.

Außerdem kann der optische Resonator in seinem Aufbau eine Endfläche des Laser-Mediums und einen teildurchlässigen Spiegel, der der Endfläche gegenüber angeordnet ist, aufweisen.

Ferner ist in einer Ausführungsform der Erfindung ein Wellenlängenwandlerelement zwischen dem Laser-Medium und dem im optischen Resonator enthaltenen teildurchlässigen Spiegel angeordnet, womit sich ein Aufbau einer wellenlängenwandelnden Festkörperlaser-Vorrichtung ergibt.

Wie oben erwähnt, hat die erfindungsgemäße Festkörperlaser­ vorrichtung einen Aufbau, bei welchem das erste und zweite Gehäuse an ihren jeweiligen Plätzen lediglich angeordnet sind, wodurch ein lösbarer Einbauzustand einzeln aufrechterhalten wird. Im Falle der Durchführung einer Wartung, wie etwa dem Austausch von innerhalb des Gehäuses angeordneten Komponenten, kann der Austausch in jeder Einheit einzeln vor sich gehen, und es ist ausreichend, lediglich die Komponenten in dem betreffenden Gehäuse zu justieren. Folglich ist es nicht erforderlich, alle Komponenten der Festkörperlaser-Vorrichtung insgesamt zu justieren.

Mit anderen Worten kann jedes Gehäuse einzeln so justiert werden, daß es im Betrieb am wirkungsvollsten bedient wird, wobei Anregungsbündel, die vom ersten Gehäuse zum zweiten Gehäuse abgegeben werden, durch die Kollimatorlinse parallel sind, wodurch das Zusammenfallen der einzelnen optischen Achsen zwischen den beiden Gehäusen keine hohe Effizienz erfordert. Auch wenn beispielsweise die optischen Achsen leicht gegeneinander verschoben sind oder sie sich schräg schneiden, ist die Justier­ toleranz groß, mit dem Ergebnis, daß es einfach ist, die einzelnen Gehäuse zu installieren.

Es ist in den Zeichnungen

Fig. 1 eine Darstellung, die den Aufbau einer Festkörperla­ ser-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine Darstellung, die den Aufbau einer Resonatorein­ heit einer Festkörperlaser-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 3 eine Darstellung, die den Aufbau einer herkömmlichen Festkörperlaser-Vorrichtung zeigt.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Darstellung, die den Aufbau einer Aus­ führungsform der Erfindung zeigt.

Die Festkörperlaser-Vorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt zwei Einheiten, d. h. eine Halbleiterlasereinheit 1 und eine Resonatoreinheit 2, und die beiden Einheiten 1 und 2 sind demontierbar bzw. ausbaubar, und sie können frei und unabhängig voneinander angeordnet bzw. eingerichtet oder entfernt werden.

Die erste Halbleiterlasereinheit 1 umfaßt hinsichtlich ihres Aufbaus ein Gehäuse 10 zur Aufnahme eines Pump-Halbleiterlasers 11, der Laserlicht als Pumplicht abgibt, und eine Kollimatorlinse 12, die das Laserlicht 12 zu einem Parallelbündel bündelt in einem Zustand, in dem beide auf der gleichen optischen Achse 16 angeordnet sind, macht.

Andererseits enthält die Resonatoreinheit 2 eine Fokussie­ rungslinse 21, ein Laser-Medium 22, wobei die Fokussierungslinse 21 das durch die Kollimatorlinse 12 parallel gemachte Lichtbündel so fokussiert, daß der Fokussierungspunkt auf einer Oberfläche oder geringfügig innerhalb des Laser-Mediums 22 liegt, einen Reflexionsresonatorspiegel 23 und eine Ausgangslinse 24, die einen vom Spiegel 23 durchgelassenen Teil des Laserlichts zu einem Parallelbündel macht, wobei diese Elemente auf der gleichen optischen Achse 26 angeordnet sind und in einem Gehäuse 20 aufgenommen sind und so eine Baueinheit bilden. Im Gehäuse 20 kommt es durch die Anregung des Laser-Mediums 22 zu einer spontanen Emission von Licht in dem Laser-Medium 22. Der optische Resonator 25 umfaßt eine Laser-Mediumendfläche 221 und eine Spiegelfläche des Reflexionsresonatorspiegels 23 und grenzt das spontan emittierte Licht zwischen die Laser-Mediumendfläche 221 und den Reflexionsresonatorspiegel 23 ein, wodurch die Laser­ strahlung durch stimulierte Emission entsteht.

Ferner sind das Gehäuse 10 und das Gehäuse 20 jeweils mit einer Öffnung 101 bzw. 201 versehen, durch die das Pumplaserlicht treten kann. Bei der Montage der Festkörperlaser-Vorrichtung liegen die Öffnungen 101 und 201 einander gegenüber.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Zusammenbau der Halbleiterlasereinheit 1 und der Resonatoreinheit 2 beschrieben.

Die Lage der Kollimatorlinse 12 wird auf der Grundlage des Pump-Halbleiterlasers 11 bei der Ausrichtung so festgelegt, daß das vom Pump-Halbleiterlaser 11 abgegebene Anregungslicht zu einem Parallelbündel wird, wobei sich die Pump-Halbleiterlaser­ einheit 1 ergibt, indem die beiden justierten Komponenten im Gehäuse 10 untergebracht werden.

Als nächstes wird das von der Halbleiterlasereinheit 11 abgegebene Parallelbündel durch die Fokussierungslinse 21 fokus­ siert, wonach die Fokussierungslinse 21 und das Laser-Medium 22 so justiert bzw. ausgerichtet werden, daß das fokussierte Pumplicht auf eine Oberfläche oder einen Punkt geringfügig innerhalb des Laser-Mediums 22 fokussiert wird, und der Refle­ xionsresonatorspiegel 23 wird so eingerichtet, daß die Ausgabe maximal wird. Die Ausgangslinse 24 wird ferner so justiert, daß das vom Reflexionsresonatorspiegel 23 durchgelassene Ausgangs­ bündel zum Parallelbündel wird, und in diesem Zustand werden die Komponenten im Gehäuse 20 untergebracht, womit die Resonatorein­ heit 2 ausgebildet ist.

Nach der Montage der Halbleiterlasereinheit 1 und der Resonatoreinheit 2 werden diese auf einer gemeinsamen Basis angeordnet, wird eine Ausrichtung zwischen der Halbleiterlaser­ einheit 1 und der Resonatoreinheit 2 durchgeführt und werden sie so angeordnet, daß die Ausgabe maximal wird, womit die Montage abgeschlossen ist.

Beim Zusammenbau der Halbleiterlasereinheit und der Resonatoreinheit ist es nicht erforderlich, die Einheiten jeweils paarweise herzustellen, es ist vielmehr möglich, eine der beiden Einheiten des Paares in großer Menge herzustellen. In diesem Fall wird beispielsweise eine vorgefertigte Halbleiterlasereinheit 1 als Referenz verwendet und eine große Anzahl von Resonatorein­ heiten 2 in Aufeinanderfolge mit dem obigen Verfahren herge­ stellt, oder die Resonatoreinheit 2 wird als Referenz verwendet und es wird eine große Anzahl von Halbleiterlasereinheiten 1 in Aufeinanderfolge nach dem obigen Verfahren hergestellt.

Bei der Ausrichtung bzw. Justierung von Lasereinheit 1 und Resonatoreinheit 2 wird höchst vorzugsweise die optische Achse 16 der Halbleiterlasereinheit 1 mit der optischen Achse 26 der Resonatoreinheit 2 in Übereinstimmung gebracht. Die Einheiten 1 und 2 stehen jedoch über ein Parallelbündel mit großem Durch­ messer in Verbindung, wodurch sich eine große Justiertoleranz ergibt. Beispielsweise ist auch bei einer leichten Schräg­ ausrichtung der optischen Achsen 16 und 26 in gewissem Maße das Ausgangsbündel der Festkörperlaser-Vorrichtung gewährleistet, wodurch die beiden Einheiten ohne Schwierigkeiten kombiniert werden können. Folglich können, wie oben erwähnt, auch wenn beide Einheiten durch Verwendung der speziellen Einheiten als Referen­ zen reproduziert werden, die Einheiten das Aufbauen der Festkör­ perlaser-Vorrichtung erleichtern.

Außerdem kann in einem Fall, daß der Pump-Halbleiterlaser 11 in schlechtem Zustand ist, die Halbleiterlasereinheit 1 als Ganzes ausgetauscht werden, und der Pump-Halbleiterlaser 11 und die Kollimatorlinse 12 können nach Austausch des Pump-Halbleiter­ lasers 11 ausgerichtet bzw. justiert werden. Die Halbleiterlaser­ einheit 1 wird dann einfach mit der Resonatoreinheit 2 wieder zusammengefügt, womit die Ausbildung der Festkörperlasereinheit erleichtert wird.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Festkörperlaser- Vorrichtung mit obigem Aufbau wird im folgenden beschrieben.

Das von dem innerhalb der Halbleiterlasereinheit 1 befindli­ chen Pump-Halbleiterlaser 11 abgegebene Laserlicht wird durch die Kollimatorlinse 12 parallel gemacht und das Parallelbündel fällt durch die Öffnung 101 der Halbleiterlasereinheit 1 und die Öffnung 201 der Resonatoreinheit 2 auf die Fokussierungslinse 21 ein, so daß der Fokus des Parallelbündels sich an der Oberfläche des Laser-Mediums 22 oder an einem Punkt geringfügig innerhalb des Laser-Mediums 22 befindet.

Durch das einfallende Laserlicht, wird das Laser-Medium 22 gepumpt und gibt Licht einer bestimmten Wellenlänge ab. Das Licht wird durch den optischen Resonator, der zwischen der Endfläche 221, wo die Laserstrahlen des Laser-Mediums 22 einfallen, und der Spiegelfläche, wo die Laserstrahlen des Reflexionsresonator­ spiegels 23 einfallen und reflektiert werden, ausgebildet ist, wodurch es zu einer Verstärkung des Lichts kommt, mit dem Ergebnis, daß ein Teil desselben am Reflexionsresonatorspiegel 23 ausgegeben wird, wobei die Ausgangslinse 24 das Lichtbündel parallel macht und das Bündel aus der Vorrichtung abgibt.

Fig. 2 ist eine Darstellung des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau ein nicht-linearer optischer Kristall 27, wie etwa KN(K₃NbO₄), innerhalb des optischen Resonators 25 angeord­ net. In diesem Fall ist die Ausführungsform auf einen Wellenlän­ genwandlungslaser zur Umwandlung von Licht einer Wellenlänge von 946 nm in Festkörperlaserlicht einer Wellenlänge von 473 nm als Ausgabe angewandt.

Wie auf die obigen Ausführungsformen kann die Erfindung auch auf einen Aufbau angewandt werden, bei welchem in der der Aus­ gabelinse 24 nachfolgenden Stufe ein optisches Filter zum Durchlassen von allein Laserdiodenlicht, ein Halbspiegel oder dergleichen angeordnet ist, womit ein Teil des ausgegebenen Lichts abgenommen wird und ein optisches System zum Nachweisen von Lichtintensität mittels einer Photodiode mitenthalten sein kann.

Claims (4)

1. Festkörperlaser-Vorrichtung mit
einem Halbleiterlaser (11) zur Erzeugung von Laserlicht als Pumplicht,
einem optischen System (12) zum Überführen des erzeugten Pump-Laserlichts in ein Parallellichtbündel,
einer Fokussierungslinse (21) zum Fokussieren des mit dem optischen System erzeugten Parallellichtbündels und Richten des fokussierten Lichtbündels auf ein Laser-Medium (22), wobei das Laser-Medium das Laserlicht absorbiert und dann spontan emit­ tiertes Licht abgibt, und
einem optischen Resonator (25) zum Eingrenzen des spontan emittierten Lichts, um so durch stimulierte Emission Licht zu erzeugen,
wobei die Festkörperlaser-Vorrichtung ein erstes Gehäuse (10) zur Aufnahme des Halbleiterlasers (11) und des optischen Systems (12) unter Anordnung derselben auf der gleichen optischen Achse (16) und ein zweites Gehäuse (20) zur Aufnahme der Fokussierungslinse (21), des Laser-Mediums (22) und des optischen Resonators (25) unter Ausrichtung auf die gleiche optische Achse (26) aufweist und wobei die Gehäuse (10, 20) demontierbar sind.

2. Festkörperlaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Gehäuse (29) mit einer Ausgangslinse (24) zur Ausgabe des vom optischen Resonator (25) abgegebenen Laserlichts als Parallellichtbündel aufweist.

3. Festkörperlaser-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Resonator eine Endfläche (221) des Laser-Mediums (22) und einen teildurchlässigen Spiegel (23), der entgegen­ gesetzt zu der Endfläche angeordnet ist, enthält.

4. Festkörperlaser-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Wellenlängenwandlungselement (27) zwischen dem Laser-Medium (22) und dem teildurchlässigen Spiegel (23) angeordnet ist.