DE19755641A1 - Pumpanordnung zur Anregung endgepumpter Laser und Scheibenlaser mit stacked Arrays - Google Patents

Pumpanordnung zur Anregung endgepumpter Laser und Scheibenlaser mit stacked Arrays

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Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpanordnung zur Anregung endgepumpter Laser und Scheibenlaser mit stacked Arrays nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Sie ist Zusatzanmeldung zum Patentantrag Nr. 196 23 762.9 vom 14.6.1997 ("Vorrichtung zur Transformation astigmatischer Laserstrahlung in rotationssymmetrische Strahlprofile").
In Weiterführung des dort beschriebenen Erfindungsgedankens wird eine Vereinfachung und weitere Ausbildung der dort beschriebenen Anordnung bezweckt.
Nach dem Stand der Technik besteht bei der Anregung von endgepumpten Festkörperlasern mit Laserdioden das Problem, die aufzubringende optische Pumpleistung durch eine Stirnfläche des laseraktiven Mediums in das Volumen des anschwingenden Lasermodes einzustrahlen.
Zur Erzielung einer hohen Verstärkung im laseraktiven Medium ist es dabei wünschenswert, die Pumpleistung auf einen möglichst kleinen Brennfleck zu konzentrieren. Die Fokussierbarkeit der Laserdiodenpumpleistung, die nach DIN/EN ISO 11 146 durch die Beugungsmaßzahl M2 beschrie­ ben wird, ist im Vergleich zu anderen Laserstrahlquellen aber eher schlecht.
Nachteilig beim optischen Pumpen mit Laserdioden kann sich weiterhin der Astigmatismus der emit­ tierten Strahlung auswirken der zu einem elliptischen Profil führt. Bei der Emission von Laser­ diodenarrays sind benachbarte Emitter zusätzlich meist gegenphasig gekoppelt, so daß die Intensi­ tätsverteilung im Fernfeld mehrere Maxima aufweist.
Zur Homogenisierung der Emission von Laserdioden werden deshalb oft Glasfasern zur Übertragung der Pumpleistung verwendet, an deren Ausgang die Pumpstrahlung Rotationssymmetrie aufweist. Besonders wenn eine hohe Laserausgangsleistung angestrebt wird, bei der dann auch eine große Zahl von Laserdiodenelementen zum optischen Pumpen eingesetzt wird, können Methoden zur Homoge­ nisierung und Symmetrisierung der Pumpstrahlung die auf der Übertragung durch Wellenleiter (z. B. Fasern) beruhen, nicht mehr oder nur um den Preis der weiteren Verschlechterung von M2 und unter hohen Leistungsverlusten verwendet werden. Verwendet man viele Einzelbarren mit entsprechend vielen Glasfasern, wird der Aufbau rasch unhandlich. Die Zusammenfassung vieler Einzelfasern zu einem Faserbündel reduziert darüber hinaus die emittierte Pumpleistungsdichte und M2 gegenüber der Einzelfaser weiter.
Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Quelle für das Pumplicht eine ge­ stapelte Anordnung von Laserbarren, ein sogenanntes "stacked Array" verwendet wird, mit dem eine Skalierung der Pumpleistung in den Hochleistungsbereich durch einfache Vergrößerung der Stapel­ höhe möglich ist. Die Emission dieses stacked Arrays wird erfindungsgemäß durch eine spezielle Optik geformt, symmetrisiert und homogenisiert.
Das dadurch erzeugte Strahlungsfeld weist, wenn dessen Beugungsmaßzahl nach DIN/EN ISO 11 146 bestimmt wird, an jeder Stelle hinter der speziellen zylindrischen Optik eine rotationssymme­ trische Verteilung auf und kann daher mit herkömmlichen, rotationssymmetrischen Optiken weiter propagiert werden.
Insbesonders ist es auch möglich, das erzeugte Strahlungsfeld zum Pumpen von Scheibenlaseranord­ nungen einzusetzen bei denen die Absorptionslänge für die Pumpstrahlung deutlich größer als die geometrische Länge des Laserkristalls sein kann und deshalb Mehrfachdurchgänge durch das Mate­ rial zur effektiven Anregung notwendig werden. Der durch das beschriebene optische System er­ zeugte stigmatische Pumpstrahl kann mittels einfacher rotationssymmetrischer Spiegelsysteme rück­ reflektiert und damit die Pumpleistung besser ausgenutzt und der Wirkungsgrad des Lasersystems erhöht werden.
Dadurch bietet die Pumpanordnung erhebliche Vorteile bei der Anregung schwach absorbierender Lasermedien oder Lasermedien mit Reabsorption der Laserwellenlänge (quasi 3-Niveau Systeme) bei denen nicht angeregte Bereiche unbedingt zu vermeiden sind. Durch die Verwendung von stacked Arrays zur Anregung stehen deutlich höhere Pumpleistungen zur Verfügung als bei alternativen Quellen. Erst dadurch wird eine Skalierung diodengepumpter Scheibenlaseranordnungen in den Hochleistungsbereich auch *-unter kommerziellen Gesichtspunkten interessant.
Vorteile bietet die beschriebene Optik weiterhin immer dann, wenn rotationssymmetrische Strah­ lungsfelder benötigt werden oder wenn eine Übertragung (auch Reflexion) der Strahlung über größere Distanzen mit herkömmlichen rotationssymmetrischen optischen Systemen notwendig wird.
Bezüglich der Ausführung der speziellen Optik wird verwiesen auf die Patentanmeldung Nr. 196 23 762.9 vom 14.6.1997 ("Vorrichtung zur Transformation astigmatischer Laserstrahlung in rotationssymmetrische Strahlprofile").

Claims (3)

1. Pumpanordnung zur Anregung endgepumpter Laser und Scheibenlaser mit stacked Arrays, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Übertragungsoptik zur Strahlformung und Transformation der von einem stacked Array emittierten astigmatischen Strahlung verwendet wird, die die astigmatische Strahlung in ein bezüg­ lich der zweiten Momente der Intensitätsverteilung zirkularsymmetrisches Strahlungsfeld transfor­ miert und,
  • - daß diese Übertragungsoptik aus einem Satz von Zylinderlinsen besteht, bei denen die Achsen der einzelnen Linsen jeweils unter einem Winkel von 90° zueinander und insgesamt unter 45° zu den Hauptachsen des Astigmatismus des Pumpmoduls angeordnet sind und,
  • - daß die Rayleighlänge f des Strahlungsfeldes durch zylindrische Mikrooptiken aneinander ange­ paßt wurden und die Brennweiten der im Abstand f/2 zueinander stehenden Zylinderlinsen sich wie f/2 : f : f/2 verhalten.
2. Pumpanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß vor der Strahlformung durch die zylindrische Optik mehrere stacked Arrays durch Polarisationskopplung oder durch Kopplung verschiedener Emissionswellenlängen mit Hilfe von Kantenfiltern oder entsprechenden Dünnschichtsystemen überlagert werden und,
  • - daß die überlagerte Strahlung nach der Strahlformung auf ein gemeinsames Ziel gerichtet wird.
3. Pumpanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - daß das durch diese Anordnung erzeugte stigmatische Strahlungsfeld unter Verwendung von zirkularsymmetrischen Reflektoren zu Mehrfachdurchgängen durch schwach absorbierende Lasermedien gelenkt wird.
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