DE19811211B4

DE19811211B4 - Multipath Waveguide Solid State Laser or Amplifier Array

Info

Publication number: DE19811211B4
Application number: DE1998111211
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Griebner; Horst Prof. Dr. Schönnagel
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2018-03-11
Also published as: DE19811211A1

Abstract

Multipath-Wellenleiter-Festkörper-Verstärker-Anordnung mit mehreren Bereichen aus aktivem Festkörperlasermaterial, wobei die Bereiche aus dem aktiven Festkörperlasermaterial (W1) in einem Festkörperelement (W2) vereint nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind und die Bereiche aus dem aktiven Festkörperlasermaterial (W1) durch das Material des Festkörperelementes (W2) gegeneinander abgegrenzt sind,
wobei die Bereiche aus aktivem Festkörperlasermaterial (W1) optisch seriell hintereinander in einem Resonator angeordnet sind und die Abbildung der Endfläche des vom Laserstrahl durchlaufenen Bereiches aus aktivem Festkörperlasermaterial (W1) auf die Anfangsfläche des nächsten zu durchlaufenden Bereiches (W1) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung zwei Umlenkspiegel (U1, U2) sowie zwei mit einem Versatz (Δx) der optischen Achsen positionierten Linsen (L1) und (L2), die jeweils im Abstand ihrer Brennweite (f) von den Umlenkspiegeln (U1, U2) angeordnet sind, aufweist und zur Selektion der transversalen Grundmode des Lasers eine auf einem der Umlenkspiegel (U1, U2) angeordnete Modenblende (B1) vorgesehen ist.Multipath waveguide-solid-state amplifier arrangement with several areas of active solid laser material, wherein the areas of the active solid laser material (W1) in a solid state element (W2) are arranged side by side and / or one above the other and the areas of the active solid laser material (W1) are delimited from each other by the material of the solid-state element (W2),
wherein the areas of active solid laser material (W1) are arranged in an optical series successively in a resonator and the imaging of the end face of the area of active solid laser material (W1) passed through by the laser beam on the initial surface of the next to be traversed area (W1),
characterized in that
the arrangement two deflection mirrors (U1, U2) and two lenses (L1) and (L2) positioned with an offset (Δx) of the optical axes, which are each arranged at a distance of their focal length (f) from the deflecting mirrors (U1, U2), and for selecting the transverse fundamental mode of the laser, a mode diaphragm (B1) arranged on one of the deflecting mirrors (U1, U2) is provided.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser oder Festkörperlaserverstärker, insbesondere mit einer segmentierten Verstärkungsstruktur, wobei die Pumpstrahlung in die aktiven Festkörperlasermaterialien eingestrahlt und entstehende Wärme abgeführt wird.The The present invention relates to a solid-state laser or solid-state laser amplifier, in particular with a segmented reinforcement structure, wherein the pump radiation is radiated into the active solid-state laser materials and resulting heat dissipated becomes.

Allgemein können Festkörperlaser sehr kompakt aufgebaut werden. Der Einsatzbereich von Festkörperlasern wird insbesondere durch die erforderliche Wellenlänge der erzeugten Strahlung und die Leistung bestimmt. Weiterhin spielt die Strahlqualität der Laserstrahlung, die von solchen Festkörperlasern abgegeben wird, eine große Rolle.Generally can Solid-state lasers be built very compact. The application of solid-state lasers In particular, due to the required wavelength of the generated radiation and the power determined. Continues to play the beam quality of Laser radiation emitted by such solid-state lasers a big Role.

Bei Festkörperlasern skaliert die maximal erreichbare Ausgangsleistung mit der Länge des aktiven Mediums. Der Grund hierfür liegt in der begrenzten thermischen Belastbarkeit der Lasermaterialien. Die Heizleistung, die durch den Pumpprozeß deponiert wird, darf einen bestimmten Höchstwert pro Länge nicht überschreiten, da sonst auftretende Spannungen zur Zerstörung des Mediums führen.at Solid-state lasers scales the maximum achievable output power with the length of the active medium. The reason for that lies in the limited thermal load capacity of the laser materials. The Heating power, which is deposited by the pumping process, may one certain maximum value per length do not exceed otherwise occurring stresses lead to the destruction of the medium.

Allen Festkörperlasern ist gemeinsam, daß sie nur optisch gepumpt werden können. Ein solches optisches Pumpen erfolgt entweder durch konventionelle Lampen, durch Diodenlaser- bzw. Diodelaserarray-Anordnungen oder aber durch Zuführung der Pumpstrahlung über Faserbündel.all Solid-state lasers is common that they can only be pumped optically. Such optical pumping is done either by conventional Lamps, by diode laser or Diodelaserarray arrangements or but by feeder the pump radiation over Fiber bundles.

Die erreichbare Laserstrahlqualität wird unter anderem von thermischen Störungen beeinflußt, die aufgrund der entstehenden Heizleistung im Festkörperlasermaterial hervorgerufen wird, ein Effekt, der sich insbesondere im hohen Leistungsbereich zeigt. Als Beispiel für die Wirkung der Verlustwärme sind die Effekte der thermischen Linse und der spannungsinduzierten Doppelbrechung zu erwähnen. Die Erhöhung der Strahlqualität von Festkörperlasern hängt also unter anderem von einer effizienten Abfuhr der Verlustwärme aus dem Festkörpermedium ab.The achievable laser beam quality is influenced among other things by thermal disturbances, which caused due to the resulting heating power in the solid-state laser material is an effect that is particularly evident in the high power range. As an example for the effect of heat loss are the effects of the thermal lens and stress-induced birefringence to mention. The increase the beam quality of solid-state lasers therefore depends among other things, an efficient dissipation of heat loss the solid state medium.

DE 195 21 559 A1 beschreibt den Aufbau eines segmentierten aktiven Lasermaterials, um möglichst hohe Laserleistungen zu erzielen. Es ist jedoch nicht offenbart, wie unter Verwendung der segmentierten Laserstruktur nahezu beugungsbegrenzte Strahlung erzeugt oder verstärkt werden kann. Es wird nur ein möglicher Laserresonator erwähnt, dessen Strahlqualität und damit die Fokussierbarkeit der Laserstrahlung unzureichend ist. DE 195 21 559 A1 describes the structure of a segmented active laser material in order to achieve the highest possible laser powers. However, it is not disclosed how nearly diffraction-limited radiation can be generated or amplified using the segmented laser structure. It is mentioned only one possible laser resonator, the beam quality and thus the focusability of the laser radiation is insufficient.

DE 36 17 362 A1 beschreibt den Aufbau möglicher segmentierter aktiver Lasermaterialien. Auf Laserresonator- oder Verstärkeranordnungen wird jedoch nicht eingegangen. DE 36 17 362 A1 describes the structure of possible segmented active laser materials. However, laser resonator or amplifier arrangements are not discussed.

US 5 566 196 A beschreibt den Aufbau von Multikernfaserlasern verschiedener Faserarchitektur. Dabei agiert jede aktive Einzelfaser im Array als individueller Resonator, d.h. es liegt keine serielle Anordnung der aktiven Einzelelemente im Laserresonator, sondern eine parallele Anordnung vor. Der transversale Grundmode wird hier zwar aufgrund der Singlemode-Fasergeomtrie gewährleistet (Kerndurchmesser: ca. 5μm, in unserem Fall ca. 100μm (passive Multimodestruktur)), aber die Kohärenz der Strahlung des Arrays ist für viele Applikationen zu gering, da keine phasenrichtige Kopplung der Einzelstrahlen vorliegt. US 5 566 196 A describes the construction of multi-core fiber lasers of different fiber architecture. In this case, each active individual fiber acts in the array as an individual resonator, ie there is no serial arrangement of the active individual elements in the laser resonator, but a parallel arrangement. The transverse fundamental mode is ensured here because of the singlemode fiber geometry (core diameter: approx. 5 μm, in our case approx. 100 μm (passive multimode structure)), but the coherence of the radiation of the array is too low for many applications, since no in-phase coupling of the array Single rays present.

US 5 351 259 A beschreibt das segmentierte optische Pumpen eines „kompakten" Slab, als auch einer segmentierten Anordnung der aktiven Lasermediums. Es wird auf die Pumpanordnung eingegangen und ein Laser mit vielen Ausgangsstrahlen beschrieben. Auch hier durchläuft die Strahlung das segmentierte Medium nicht seriell, sondern parallel und es werden keinerlei Maßnahmen zur Verbesserung der Strahlqualität offenbart. US 5,351,259 A describes the segmented optical pumping of a "compact" slab, as well as a segmented arrangement of the active laser medium.The pumping arrangement is described, and a laser with many output beams is described.Also, the radiation does not pass through the segmented medium serially, but in parallel does not disclose any measures to improve the beam quality.

WO 91/06994 A1 beschreibt eine segmentierte Struktur des aktiven Mediums in From planarer Slabs, wobei die Einzelelemente in einem Resonator seriell angeordnet sind. Jedoch wird keinerlei Möglichkeit angegeben, wie eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität erreicht werden kann. Die Strahlung wird ohne irgendwelche Formung durch die einzelnen Slabs geleitet und tritt damit hochgradig multimodal aus. Diese Laseranordnung liefert in serieller Anordnung einen stark asymmetrischen (elliptischen) Strahl (1 und 2), welcher durch die ausgeprägte rechteckige Form (Slabs – 3) der aktiven Einzelelemente bestimmt wird.WO 91/06994 A1 describes a segmented structure of the active medium in planar slabs, wherein the individual elements are arranged in series in a resonator. However, there is no suggestion as to how a near diffraction limited beam quality can be achieved. The radiation is passed through the individual slabs without any shaping and thus exits in a highly multimodal manner. This laser arrangement delivers in a serial arrangement a highly asymmetrical (elliptical) beam ( 1 and 2 ), which is characterized by the pronounced rectangular shape (Slabs - 3 ) of the active individual elements is determined.

Weiterhin ist eine Segmentierung des aktiven Festkörperlasermaterials erhöht zum einen die effektive Länge des aktiven Mediums und zum anderen das Verhältnis Oberfläche zu aktivem Volumen [L.E.Zapata, J.Appl.Phys. 62, 3110–3115, (1987)], was eine höhere thermische Belastbarkeit und eine Steigerung der Effizienz der Wärmeabfuhr nach sich zieht. Um die Ausgangsleistung von Festkörperlasern zu steigern, wurde auch der Weg von Multipath-Laser bzw. Multipath-Verstärkeranordnung beschritten [N. Hodgson, H. Weber, 'Optische Resonatoren', Springer Verlag 1992].Farther is a segmentation of the active solid laser material increases on the one hand the effective length of the active medium and on the other the surface to active ratio Volume [L.E. Zapata, J.Appl.Phys. 62, 3110-3115, (1987)], which is a higher thermal Resilience and an increase in the efficiency of heat dissipation pulls. To the output power of solid state lasers To increase, was also the way of multipath laser or multipath amplifier arrangement trodden [N. Hodgson, H. Weber, 'Optical Resonators', Springer Verlag 1992].

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik und der angegebenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser anzugeben, der die aktiven Medien einer Multipath-Laseranordnung oder Multipath-Verstärkeranordnung – "Multi-Faser/Waveguide-Laser" – in einem Element vereint. Dabei soll die Erfindung ein kompaktes und kostengünstiges Laser- oder Verstärkersystem sein, welches effektiv gepumpt mit hohem Wirkungsgrad Laserstrahlung im Leistungsbereich einiger Watt generiert. Die Verstärkung pro Durchgang soll hoch und die Dispersion gering sein, um unter anderem Ultrakurzpulslaser realisieren zu können. Alle aktiven Elemente werden von einer Quelle optisch gepumpt. Das Gesamtsystem emittiert nahezu beugungsbegrenzte Strahlung und nachteilige Effekte, wie thermische Linse und spannungsinduzierte Doppelbrechung werden wesentlich vermindert.Based on the above-mentioned prior art and the problem indicated, the present invention has for its object to provide a solid state laser, the active media of a multipath laser array or multipath amplifier arrangement - "multi-fiber / waveguide laser" - in one element united. The invention should be a compact and inexpensive laser or amplifier system, which effectively ge pumps with high efficiency generates laser radiation in the power range of a few watts. The amplification per pass should be high and the dispersion low in order to be able to realize among other things ultrashort pulse lasers. All active elements are optically pumped from one source. The overall system emits nearly diffraction-limited radiation, and adverse effects such as thermal lensing and stress-induced birefringence are significantly reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 4 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff.These The object is achieved by the features in the characterizing part of claims 1 to 4 in cooperation with the features in the preamble.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.Advantageous embodiments The invention are contained in the subclaims.

Das aktive Festkörperlasermaterial ist in mehrere, einzelne, faser-, stab- oder quaderförmige Festkörperlaserelemente unterteilt, die in paralleler Anordnung in ein weiteres plattenförmiges Festkörpermaterial, eingebettet sind. Das plattenförmige Festkörpermaterial ist für die Pumpstrahlung transparent. Ober- und unterhalb des plattenförmigen Festkörpermaterials sind Kühlplatten angeordnet, die entstehende Wärme abführen.The active solid-state laser material is in several, single, fiber, rod or cuboid solid state laser elements arranged in parallel arrangement in another plate-shaped solid material, are embedded. The plate-shaped solid state material is for the pump radiation transparent. Above and below the plate-shaped solid state material are cooling plates arranged the resulting heat dissipate.

Der Grundgedanke der Erfindung äußert sich darin, das aktive Laserelement in ein lineares oder 2-dimensionales Array aktiver Laserelemente von ausgesuchter Struktur (Faser/Waveguide), eingebettet in ein plattenförmiges Festkörperelement, zu unterteilen und diese Elemente parallel nebeneinander und/oder übereinander anzuordnen. Das aktive Festkörperlasermaterial wird demzufolge in einzelne Abschnitte unterteilt, was zur Folge hat, daß die Verstärkungslänge des Lasers oder Verstärkers vergrößert und eine gleichförmigere Wärmeverteilung in diesen Sandwichstrukturen erreicht werden kann. Die Brechzahl der aktiven Elemente ist größer als die des Festkörpermaterials, in welche sie eingebettet sind, so daß für die Laserstrahlung die Bedingung der Wellenleitung erfüllt ist. Länge und Durchmesser der aktiven Wellenleiter werden so gewählt, daß ein äußerer Resonator die Resonanzstruktur festlegt und damit die emittierte Strahlqualität bestimmt – d.h. die Erzeugung bzw. Leitung des transversalen Grundmodes ermöglicht, und ein effizientes seitliches Pumpen durch Laserdiodenbarren erlaubt. Die nahezu beugungsbegrenzte Emission eines Multimodefaser-Oszillators wurde erfolgreich demonstriert und ist beschrieben in: U. Griebner, R. Koch, H. Schönnagel and R. Grunwald, Opt. Lett. 21, 266 (1996). Damit ist die Erfindung der Multipath-Resonator- bzw. Multipath-Verstärkeranordnung insbesondere auf Multimode-Geometrien (Faser, Waveguides) der aktiven Elemente anwendbar.Of the The basic idea of the invention is expressed in it, the active laser element in a linear or 2-dimensional Array of active laser elements of selected structure (fiber / waveguide), embedded in a plate-shaped Solid state element, too divide and these elements parallel next to each other and / or on top of each other to arrange. The active solid-state laser material is therefore subdivided into sections, what the result has the gain length of the Laser or amplifier enlarged and a more uniform heat distribution can be achieved in these sandwich structures. The refractive index the active elements is greater than that of the solid state material, in which they are embedded, so that for the laser radiation the condition the waveguide met is. length and diameters of the active waveguides are chosen so that an outer resonator determines the resonant structure and thus determines the emitted beam quality - i. the production or management of the transverse basic mode, and an efficient lateral pumping allowed by laser diode bars. The almost diffraction-limited Emission of a multimode fiber oscillator has been successfully demonstrated and is described in: U. Griebner, R. Koch, H. Schönnagel and R. Grunwald, Opt. Lett. 21, 266 (1996). This is the invention the multipath resonator or multipath amplifier arrangement in particular on multimode geometries (fiber, waveguides) of the active elements applicable.

Die Pumpstrahlung wird von der Seite, wobei die Slow-Axis der Laserdiodenbarren parallel zu den Flächen der größten Ausdehnung der aktiven Laserelemente liegt, über eine freiliegende Stirnflächen der plattenförmigen Festkörperelemente in diese eingekoppelt. Das Pumplicht kann auch über zwei sich gegenüberliegende Seitenflächen der plattenförmigen Festkörperelemente eingestrahlt werden.The Pump radiation is from the side, with the slow axis of the laser diode bar parallel to the surfaces the largest extent the active laser elements is located over an exposed end faces of the disc-shaped Solid-state elements coupled into this. The pump light can also be over two opposite ones faces the plate-shaped Solid-state elements be irradiated.

Gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfingung ist es vorgesehen, dass die Anordnung zwei Umlenkspiegel sowie zwei mit einem Versatz der optischen Achsen positionierten Linsen und, die jeweils im Abstand ihrer Brennweite von den Umlenkspiegeln angeordnet sind, aufweist und zur Selektion der transversalen Grundmode des Lasers eine auf einem der Umlenkspiegel angeordnete Modenblende vorgesehen ist.According to one first embodiment of the Erfingung it is provided that the arrangement two deflection mirror and two positioned with an offset of the optical axes Lenses and, each at a distance of their focal length from the deflecting mirrors are arranged, and for the selection of the transverse fundamental mode the laser provided on one of the deflection mirror arranged mode aperture is.

Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante der Erfingung ist es vorgesehen, dass die Anordnung zwei Umlenkspiegel sowie zwei sphärische Spiegel und, die jeweils im Abstand ihrer Brennweite von den Umlenkspiegeln angeordnet sind, aufweist und zur Selektion der transversalen Grundmode des Lasers eine auf einem der Umlenkspiegel angeordnete Modenblende vorgesehen ist.According to one second embodiment of the Erfingung it is provided that the arrangement two deflection mirror as well as two spherical ones Mirror and, each at a distance of their focal length from the deflecting mirrors are arranged, and for the selection of the transverse fundamental mode of the laser arranged on one of the deflecting mode aperture is provided.

Durch Verwendung von Resonatorspiegeln kann die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung als Laserresonator eingesetzt werden.By Using resonator mirrors, the amplifier arrangement according to the invention as Laser resonator can be used.

Wird bei dieser Ausführung die Deck- und Bodenfläche des plattenförmigen Festkörperelements für die Pumpstrahlung verspiegelt bzw. beide Flächen mit jeweils einem zweiten plattenförmigen Festkörperelement gerin gerer Brechzahl als das erste plattenförmige Festkörperelement verbunden (z.B. thermisch gebondet), wirken diese Verspiegelungen bzw. die zweiten plattenförmigen Festkörperelemente als Wellenleiter für die Pumpstrahlung. Sie breitet sich somit ausschließlich im ersten plattenförmigen Festkörperelement aus und führt zu einer sehr homogenen Inversionsverteilung in den aktiven Laserelementen. Je nach Anpassung von Pumpwellenlänge zum Absorptionsquerschnitt des verwendeten aktiven Lasermaterials kann im einfachen- oder zweifachen Pumpdurchgang (Spiegel für die Pumpstrahlung auf der der gegenüberliegenden Seite) gearbeitet werden. Sind mehr als zwei Pumpdurchgänge erforderlich, so können diese durch geeignete Verfahren mit realisiert werden.Becomes in this version the deck and floor area of the plate-shaped Solid-state element for the Pump radiation mirrored or both surfaces, each with a second plate-shaped solid state element less refractive index than the first plate-shaped solid state element (e.g., thermally Bonded), these Verspiegelungen or the second plate-shaped solid state elements act as a waveguide for the pump radiation. It spreads exclusively in the first plate-shaped solid state element out and leads to a very homogeneous inversion distribution in the active laser elements. Depending on the adaptation of the pump wavelength to the absorption cross section The active laser material used may be single or double Pump passage (mirror for the pump radiation on the opposite side) worked become. If more than two pumping passes are required, they may be implemented by suitable methods.

Als Material für die aktiven Festkörperlaserelemente eignet sich in besonderer Weise ein solches, das als aktive Ionen Neodym oder Ytterbium enthält, wobei das Wirtsmaterial bevorzugt aus einem Yttrium-Aluminium-Oxid (YAG) gefertigt ist, in dessen Kristallgitter Neodym oder Ytterbium eingelagert ist. Die Einbettung der mit aktiven Ionen dotierten faser-, stab- oder quaderförmigen Festkörperlaserelemente erfolgt vorzugsweise in undotiertem Yttrium-Aluminium-Oxid (YAG) – beispielsweise mit einer thermischen Bondtechnik [z.B. E.C. Honea et al. IEEE J. Quantum Electron. 33, 1592-1600 (1997)] –, da dessen Brechzahl kleiner ist als YAG mit Neodym- bzw. Ytterbium-Dotierung [D. Pelenc, B. Chambaz, I. Chartier, B. Ferrand, C. Wyon, D.P. Shepherd, D.C. Hanna, A.C. Large, and A.C. Tropper, Opt. Comm. 115, 491 (1995)]. Mit der Verbindung solcher Materialen für die Festkörperelemente treten hinsichtlich ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten die geringsten Probleme auf. Die vorgeschlagene Anordnung läßt sich auch auf beliebige andere Festkörperlasermaterialien (Kristalle, Gläser) übertragen.As the material for the active solid-state laser elements is particularly suitable one containing neodymium or ytterbium as active ions, wherein the host material is preferably made of a yttrium-aluminum oxide (YAG), in the crystal lattice neodymium or ytterbium is embedded. The embedding of the fiber doped with active ions, rod or cuboid solid-state laser elements is preferably carried out in undoped yttrium-aluminum oxide (YAG) - for example, with a thermal bonding technique [eg EC Honea et al. IEEE J. Quantum Electron. 33, 1592-1600 (1997)] -, since its refractive index is smaller than YAG with neodymium or ytterbium doping [D. Pelenc, B. Chambaz, I. Chartier, B. Ferrand, C. Wyon, DP Shepherd, DC Hanna, AC Large, and AC Tropper, Opt. Comm. 115, 491 (1995)]. With the connection of such materials for the solid state elements occur in terms of their coefficients of thermal expansion to the smallest problems. The proposed arrangement can also be transferred to any other solid-state laser materials (crystals, glasses).

Als thermisch vorteilhafter Effekt ist die wärmeverteilende Wirkung durch Kühlung des aktiven Elements symmetrisch von gegenüberliegenden Seiten zu erwähnen, die darüberhinaus zu einer effektiven Wärmeabfuhr auf kontaktivem Wege beitragen. Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß dünne, plattenförmige Festkörperelemente eine gute Möglichkeit bieten, durch geeignete Dimensionierung die thermooptischen Störungen, wie die thermische Linsenwirkung und Depolarisierungsverluste, herabzusetzen. Als bevorzugte Dicke der plattenförmigen Festkörperelemente ist eine Dicke zwischen 0,2 und 1 mm, zu nennen. Ausgehend insbesondere von einer solchen Dicke der plattenförmigen Festkörperelemente sollte das Verhältnis von Plattenbreite zu Plattendicke möglichst groß gewählt werden, da mit größer werdendem Verhältnis die maximale Pumpleistung pro Länge größer wird, d.h. man kann sehr dünne Schichten mit größer werdendem Verhältnis mit höherer Leistung belasten. Die Dicke, wie sie vorstehend angesprochen wird, ist die Ausdehnung des plattenförmigen Festkörperelements senkrecht zur Ebene der linearen Arrays der aktiven Festkörperlaserelemente und damit in Richtung des bevorzugten Wärmeflusses.When thermally advantageous effect is the heat-distributing effect cooling of the active element to be mentioned symmetrically from opposite sides, the Furthermore to an effective heat dissipation contributing in a counteractive way. It has also been found that thin, plate-shaped solid state elements a good opportunity offer, by appropriate dimensioning, the thermo-optic disturbances, such as the thermal lensing effect and depolarization losses, to minimize. As the preferred thickness of the plate-shaped solid state elements is a thickness between 0.2 and 1 mm, to name a few. Starting in particular from such a thickness of the plate-shaped solid state elements should the ratio be selected as large as possible from plate width to plate thickness, as with becoming larger relationship the maximum pumping power per length gets bigger, i.e. you can be very thin Layers with increasing relationship with higher Load power. The thickness, as mentioned above, is the extension of the plate-shaped Solid-state element perpendicular to the plane of the linear arrays of solid state laser active elements and thus in the direction of the preferred heat flow.

Insbesondere im Hinblick darauf, daß die Festkörperlaserelemente W1 vergleichbare Dimensionen wie Wellenleiter haben, mit Längen bis zu einigen Zentimetern, und die Dimensionen der Wärmekontaktfläche der Kühlplatten etwa denen der großen Flächen der Festkörperelemente W2 angepaßt sind, kann eine effektive Wärmeabfuhr erzielt werden. In dieser Weise ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau mit diesen Kühlmaßnahmen. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, die Kühlplatten aus jedem gut wärmeleitenden Material (z.B. Kupfer) herzustellen.Especially in view of the fact that the solid state laser elements W1 have comparable dimensions as waveguides, with lengths up to to a few centimeters, and the dimensions of the thermal contact surface of the cooling plates about those of the large areas of the Solid-state elements W2 adapted are, can be effective heat dissipation be achieved. In this way, a very compact structure with these cooling measures. In principle, there is the possibility the cooling plates from any good heat-conducting Material (e.g., copper).

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to at least partially in the Figures illustrated embodiments be explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung das Festkörperelement W2, in welches das aktive Medium in Form einzelner faser-, stab- oder quaderförmige Festkörperlaserelemente W1 eingebettet ist, 1 schematically in a perspective view of the solid state element W2, in which the active medium is embedded in the form of individual fiber, rod or cuboid solid-state laser elements W1,

2 analog 1 mit zusätzlicher, für die Pumpstrahlung hochreflektierender, optischer Bedampfung der Ober- und Unterseite W6 das Festkörperelements W2 zur Leitung der Pumpstrahlung, 2 analogous 1 with additional, for the pump radiation highly reflective, optical vapor deposition of the top and bottom W6 the solid state element W2 for guiding the pump radiation,

3 analog 1 jedoch mit zusätzlichem zweiten Festkörperelement W3 jeweils an der Ober- bzw. Unterseite des ersten Festkörperelements W2 angebracht, 3 analogous 1 however, with additional second solid-state element W3 respectively attached to the upper or lower side of the first solid-state element W2,

4 transversale Pumpanordnung mittels Diodenlaserbarren D1 und Pumpoptik (O1, O2), wobei die aktiven Festkörperlaserelemente W1 nach 1 oder 2 über die Stirnseiten optisch gepumpt werden – Ansicht in Richtung der Resonatorachse, 4 Transverse pumping arrangement by means of diode laser bars D1 and pumping optics (O1, O2), wherein the active solid-state laser elements W1 after 1 or 2 optically pumped over the front sides - view in the direction of the resonator axis,

5 analog 4 einen Aufbau, wobei die aktiven Festkörperlaserelemente W1 nach 3 über die Stirnseiten optisch gepumpt werden – Ansicht in Richtung der Resonatorachse, 5 analogous 4 a structure, wherein the active solid laser elements W1 after 3 optically pumped over the front sides - view in the direction of the resonator axis,

6 Draufsicht des Multipath-Resonators mit Strahlführung durch den Resonator unter Verwendung von Linsen (L1, L2), Umlenkspiegeln (U1, U2) und Resonatorspiegeln (M1, M2), 6 Top view of the multipath resonator with beam guidance through the resonator using lenses (L1, L2), deflecting mirrors (U1, U2) and resonator mirrors (M1, M2),

7 Draufsicht des Multipath-Resonators mit Strahlführung durch den Resonator unter Verwendung von sphärischen Spiegeln (S1, S2), Umlenkspiegeln (U1, U2) und Resonatorspiegeln (M1, M2), 7 Top view of the multipath resonator with beam guidance through the resonator using spherical mirrors (S1, S2), deflecting mirrors (U1, U2) and resonator mirrors (M1, M2),

8 Draufsicht des Multipath-Verstärkers mit Strahlführung durch den Verstärker unter Verwendung von Linsen (L1, L2) ebenen Umlenkspiegeln (U1, U2) und Spiegeln (K1, K2), 8th Top view of the multipath amplifier with beam guidance through the amplifier using lenses (L1, L2) plane deflection mirrors (U1, U2) and mirrors (K1, K2),

9 Draufsicht des Multipath-Verstärkers mit Strahlführung durch den Resonator unter Verwendung von sphärischen Spiegeln (S1, S2), Umlenkspiegeln (U1, U2) und Spiegeln (K1, K2). 9 Top view of the multipath amplifier with beam guidance through the resonator using spherical mirrors (S1, S2), deflecting mirrors (U1, U2) and mirrors (K1, K2).

Wie in 1 schematisch dargestellt, setzt sich das aktive Medium des erfindungsgemäßen Festkörperlasers aus einzelnen, parallel angeordneten, faser-, stab- oder quaderförmigen Festkörperlaserelementen W1 eingebettet in ein plattenförmiges Festkörperelement W2 zusammen. Die Brechzahl der aktiven Elemente W1 ist größer als die des plattenförmigen Festkörperelementes W2, so daß die Bedingung der Wellenleitung für die Laserstrahlung erfüllt ist. Bevorzugte Dimensionen der Anordnung sind:
Aktive Festkörperlaserelemente W1: Querschnitt des dotierten Bereiches: ~100 μm × 100 μm; Abstände der aktiven Elemente untereinander: ~100–200 μm; Länge: 1–20 mm
Festkörperelement W2: Dicke: 0,2–1 mm; Breite: 1–2 mm (je nach Anzahl der aktiven Elemente), Länge: 1–20 mm.As in 1 schematically illustrated, the active medium of the solid state laser according to the invention consists of individual, parallel, fiber, rod or cuboid solid-state laser elements W1 embedded in a plate-shaped solid state element W2 together. The refractive index of the active elements W1 is greater than that of the plate-shaped solid state element W2, so that the condition of the waveguide for the laser radiation is satisfied. Preferred dimensions of the arrangement are:
Active Solid State Laser Elements W1: Cross section of the doped region: ~ 100 μm × 100 μm; Distances between the active elements: ~ 100-200 μm; Length: 1-20 mm
Solid state element W2: thickness: 0.2-1 mm; Width: 1-2 mm (depending on the number of active elements), length: 1-20 mm.

Die aktiven Festkörperlaserelemente W1 können in verschiedener Weise – zum einen je nach Herstellungsprozeß (thermisch gebondete Komposit-Strukturen, faser-technisch gezogene Strukturen) und entsprechend den Anforderungen an die benötigten Strahlparameter – dimensioniert werden. Dieser Aufbau ist erweiterbar zu einem zweidimensionalen Array aktiver Elemente, ähnlich einer Matrixanordnung. Das aktive Laser- oder Verstärkermedium soll im Ausführungsbeispiel aus einer Komposition von dotiertem und undotiertem Yttrium Aluminum Oxid (YAG) bestehen. Vier mit 15at.% Ytterbium dotierte Wellenleiter der Ausdehnung 100 μm × 100 μm × 10 mm sind in undotiertes YAG der Ausdehnung 300 μm × 1 mm × 10 mm mittels Bondtechnik eingebettet. Eine Dotierung von YAG mit seltenen Erden, z.B. Neodym, erhöht den Brechwert um Δn = 0,001 pro 1at.% Dotierung [I. Charter et al., Opt. Lett. 17, 810–812 (1992)] oder Ytterbium 0,0002 pro 1at.% Dotierung [D. Pelenc, B. Chambaz, I. Chartier, B. Ferrand, C. Wyon, D.P. Shepherd, D.C. Hanna, A.C. Large, and A.C. Tropper, Opt. Comm. 115, 491 (1995)]. Bei einer Dotierung von 15at.% Yb beträgt so der Brechwertunterschied zwischen Yb-dotiertem und undotiertem YAG zirka Δn = 0,003.The active solid state laser elements W1 can in different ways - to one depending on the manufacturing process (thermal bonded composite structures, fiber-technically drawn structures) and accordingly the requirements for the required Beam parameters - dimensioned become. This structure is expandable to a two-dimensional Array of active elements, similar a matrix arrangement. The active laser or amplifier medium should in the embodiment from a composition of doped and undoped yttrium aluminum oxide (YAG) exist. Four waveguides doped with 15at% ytterbium the extent of 100 microns × 100 microns × 10 mm are in undoped YAG of the extension 300 .mu.m.times.1 mm.times.10 mm by means of bonding technology embedded. A doping of YAG with rare earths, e.g. neodymium, elevated the refractive power by Δn = 0.001 per 1%.% Doping [I. Charter et al., Opt. Lett. 17, 810-812 (1992)] or ytterbium 0.0002 per 1at.% doping [D. Pelenc, B. Chambaz, Chartier, B. Ferrand, C. Wyon, D.P. Shepherd, D.C. Hanna, A.C. Large, and A.C. Tropper, Opt. Comm. 115, 491 (1995)]. At a Doping of 15at.% Yb is so the difference in refractive index between Yb-doped and undoped YAG about Δn = 0.003.

2 zeigt die gleiche Struktur wie 1 mit zusätzlicher optischer Bedampfung der Ober- und Unterseite mit der Spiegelschicht W6 des Festkörperelements W2 hochreflektierend für die Pumpstrahlung. 2 shows the same structure as 1 with additional optical vapor deposition of the top and bottom with the mirror layer W6 of the solid state element W2 highly reflective of the pump radiation.

3 zeigt wiederum die gleiche Struktur wie 1 jedoch mit zusätzlichem zweiten Festkörperelement W3, welches jeweils an der Ober- bzw. Unterseite des ersten Festkörperelements W2 angebracht ist. Die Brechzahl des zweiten Festkörperelements W3 ist kleiner als die Brechzahl des ersten Festkörperelements W2, so daß die Bedingung der Wellenleitung für die Pumpstrahlung erfüllt ist. 3 again shows the same structure as 1 but with additional second solid-state element W3, which is respectively attached to the top and bottom of the first solid-state element W2. The refractive index of the second solid-state element W3 is smaller than the refractive index of the first solid-state element W2, so that the condition of the waveguide for the pump radiation is fulfilled.

Wird beispielsweise ein Brechzahlunterschied von Δn = 0,015 realisiert, beträgt der Akzeptanzwinkel θ_A für die Pumpstrahlrichtungen, der noch eine Totalreflektion im Wellenleiter garantiert (Brechzahl von YAG: n_w = 1,82), nach sinθA ≈ √2·Δn·n w, (1)sinθ_A = 0,23, woraus θ_A = 13,5° folgt.If, for example, a refractive index difference of Δn = 0.015 is realized, the acceptance angle θ _A for the pump beam directions, which still guarantees a total reflection in the waveguide (refractive index of YAG: n _w = 1.82), is sinθ A ≈ √ 2 · .DELTA.n * n w , (1) sinθ _A = 0.23, from which θ _A = 13.5 ° follows.

Dieser Aufbau ist erweiterbar zu einem zweidimensionalen Array, so daß ein sandwichartiger Aufbau in Form einer abwechselnden Anordnung eines Festkörperelements W2 und eines Festkörperelements W3 gebildet wird, wobei jedem weiteren Festkörperelement W2 jeweils eine Pumpdiode D1 und Pumpoptik (O1, O2) nach 4 und 5 zugeordnet wird.This structure is expandable to a two-dimensional array, so that a sandwich-like structure in the form of an alternating arrangement of a solid state element W2 and a solid state element W3 is formed, each further solid state element W2 each having a pumping diode D1 and pumping optics (O1, O2) 4 and 5 is assigned.

Die Dicke des zweiten Festkörperelements W3 sollte sich im Bereich von 0,2–0,3 mm bewegen, während die sonstigen Dimensionen denen des Festkörperelements W2 angepaßt sind.The Thickness of the second solid-state element W3 should be in the range of 0.2-0.3 move mm while the other dimensions are adapted to those of the solid state element W2.

4 zeigt das optische Pumpschema der Multipath-Anordnung. Zum optischen Pumpen der aktiven Elemente W1 können vorzugsweise Diodenlaserbarren oder Diodenlaserarrays D1 eingesetzt werden. Die Pumpstrahlung wird über ein optisches System in das Festkörperelement W2 eingekoppelt. Es ist ersichtlich, daß natürlich das Festkörperelement W2 aus einem für die Pumpstrahlung transmissivem Material gebildet werden muß, um die Pumpstrahlung in die aktiven Festkörperlaserelemente W1 einzukoppeln. Ein Hochleistungs-Diodenlaser D1 mit Barrenlänge 1 cm wird gekoppelt mit einer Mikrozylinderlinse O1. Diese führt in der Fast-Axis-Ebene des Hochleistungs-Diodenlasers (Ebene in der nahezu beugungsbegrenzte Strahlung emittiert wird) eine Kollimation der Dioden-Emissionsverteilung, welche mit einer Gaußverteilung angenähert werden kann, durch. Die Optik O2, ebenfalls vorzugsweise eine Zylinderlinse wirksam in der Fast-Axis-Ebene der Laserdiode, gewährleistet die Transformation der Pumplichtverteilung in die Eintrittsfläche des Festkörperelements W2 und damit der zu pumpenden aktiven Festkörperlaserelemente W1 bei einer Reduzierung der Ausdehnung innerhalb der Fast-Axis-Ebene von 500 μm zu kleiner als 100 μm. Dafür wird eine Brennweite der Optik O2 von f ~10 mm benutzt. Dies berücksichtigt, daß die Kollimation der Pumpstrahlung in der Fast-Axis-Ebene nur mit 2-fach beugungsbegrenzter Divergenz erreicht wird. 4 shows the optical pumping scheme of the multipath arrangement. For optically pumping the active elements W1, diode laser bars or diode laser arrays D1 can preferably be used. The pump radiation is coupled via an optical system in the solid state element W2. It will be appreciated that, of course, the solid state element W2 must be formed of a material transmissive to the pump radiation in order to couple the pump radiation into the active solid state laser elements W1. A high-power diode laser D1 with ingot length 1 cm is coupled with a micro cylindrical lens O1. This results in the fast-axis plane of the high-power diode laser (level in which nearly diffraction-limited radiation is emitted) by a collimation of the diode emission distribution, which can be approximated with a Gaussian distribution. The optic O2, also preferably a cylindrical lens effective in the fast-axis plane of the laser diode, ensures the transformation of the pumping light distribution into the entrance surface of the solid-state element W2 and thus the active solid-state laser elements W1 to be pumped while reducing the expansion within the fast-axis plane from 500 μm to less than 100 μm. For this, a focal length of optics O2 of f ~ 10 mm is used. This takes into account that the collimation of the pump radiation in the fast-axis plane is achieved only with 2-fold diffraction-limited divergence.

Um die Pumpstrahlung im zweifachen Durchgang durch das Festkörperelement W2 zu leiten, befindet sich auf der der Pumpseite gegenüberliegenden Seite ein für die Pumpstrahlung hochreflektierender Spiegel W5 in Kontakt mit dem Festkörperelement W2. Ein Mehrfachdurchgang der Pumpstrahlung kann somit realisiert werden. Erfolgt die Absorption der Pumpstrahlung nahezu im einfachen Durchgang – je nach Absorptionsquerschnitt und Dotierung der aktiven Elemente – kann das System auch von beiden sich gegenüberstehenden Seiten (4) durch Diodenlaserbarren D1 und D2 oder Diodenlaserarrays gepumpt werden.In order to guide the pump radiation in two passes through the solid state element W2, located on the opposite side of the pump a highly reflective for the pumping radiation mirror W5 in contact with the solid state element W2. A multiple passage of the pump radiation can thus be realized. If the absorption of the pump radiation occurs almost in a single pass - depending on the absorption cross section and doping of the active elements - the system can also be viewed from both sides ( 4 ) are pumped through diode laser bars D1 and D2 or diode laser arrays.

Die an der Ober- und Unterseite des Festkörperelements W2 angebrachten Kühlplatten W4 gewährleisten eine quasi eindimensionale Wärmeleitung, was zu einer geringen, spannungsinduzierten Doppelbrechung führt und damit eine gute Strahlqualität gewährleistet. Um thermoopti sche Störungen, wie thermische Linsenwirkungen und Depolarisationsverluste, zu verringern bzw. weitgehend zu vermeiden, wird das Verhältnis von Breite der Festkörperelemente W2, zur Dicke der Festkörperelemente W2 möglichst groß gewählt.The attached to the top and bottom of the solid state element W2 cooling plates W4 ensure a quasi one-dimensional heat conduction tion, which leads to a low, stress-induced birefringence and thus ensures a good beam quality. To thermoopti cal disturbances, such as thermal lensing effects and depolarization, to reduce or largely avoid the ratio of width of the solid state elements W2, the thickness of the solid state elements W2 is chosen to be as large as possible.

Der Aufbau bietet den Vorteil, daß mit der transversalen Einstrahlung und der Leitung der Pumpstrahlung eine sehr gleichmäßige optische Anregung der Festkörperlaserelemente W1 erfolgt.Of the Structure offers the advantage that with the transverse irradiation and the direction of the pump radiation a very uniform optical Excitation of the solid-state laser elements W1 takes place.

5 zeigt die Pumpanordnung analog 4 unter Verwendung der Struktur 3. Da die Brechzahl der zweiten Festkörperelemente W3 kleiner als die des Festkörperelements W2 ist, erfolgt Wellenleitung der Pumpstrahlung innerhalb des Festkörperelements W2 zwischen den Festkörperelementen W3. Auf diese Anordnung treffen ansonsten die gleichen Eigenschaften wie in 4 beschrieben zu. 5 shows the pumping arrangement analog 4 using the structure 3 , Since the refractive index of the second solid-state elements W3 is smaller than that of the solid-state element W2, waveguiding of the pump radiation occurs within the solid state element W2 between the solid state elements W3. Otherwise, the same properties as in 4 described to.

6 zeigt das Schema eines bevorzugten Resonatoraufbaus des erfindungsgemäßen Festkörperlasers. Bei der erfindungsgemäßen Laseranordnung handelt es sich um ein Konzept, basierend auf dem "Multi-Rod-Festkörper-Laser" [N. Hodgson, H. Weber, 'Optische Resonatoren', Springer Verlag 1992, S.182]. Die Anordnung der aktiven Festkörperlaserelemente W1 erfolgt parallel (Array) in einer gemeinsamen Kavität im Gegensatz zum "Multi-Rod-Festkörper-Laser" (mehrere Kavitäten linear in einem gemeinsamen Resonator). Die Strahlführung im Resonator ist jedoch analog zum "Multi-Rod-Festkörper-Laser", eine serielle Aufreihung der einzelnen aktiven Festkörperlaserelemente. Dadurch ist die Erzeugung beugungsbegrenzter Strahlung ohne die Notwendigkeit der Kopplung der einzelnen Festkörperlaserelemente (Parallelschaltung vieler Einzelemitte – z.B. Diodenlaser) möglich. In diesem Fall sind 6 aktive Festkörper laserelemente W1 in das Festkörperelement W2 integriert – Fasern/Waveguides mit einem Durchmesser (bzw. Seitenflächenlängen) von d ~ 100 μm. Die Zahlen an der optischen Achse des Resonators beschreiben den "Strahlweg" innerhalb des Resonators. Die Spiegel M1 und M2 bilden den Laserresonator. Der Resonatorspiegel M2 ist so dimensioniert, daß er einen Teil der erzeugten Strahlung auskoppelt. Da die aktiven Festkörperlaserelemente W1 (Fasern/Waveguides) optisch seriell in einem Resonator angeordnet sind, lassen sich ihrer Anzahl entsprechend höhere Ausgangsleistungen erzielen, vorausgesetzt alle Festkörperlaserelemente W1 werden in gleicher Weise gepumpt. Die Anordnung ist besonders vorteilhaft für Lasersysteme mit relativ geringer Verstärkung bzw. wenn keine ausreichende Pumpleistung zur Verfügung steht, da der geometrische Querschnitt aller akiven Elemente gleich ist. 6 shows the diagram of a preferred resonator structure of the solid-state laser according to the invention. The laser arrangement according to the invention is a concept based on the "multi-rod solid-state laser" [N. Hodgson, H. Weber, 'Optical Resonators', Springer Verlag 1992, p.182]. The arrangement of the active solid-state laser elements W1 is parallel (array) in a common cavity in contrast to the "multi-rod solid state laser" (multiple cavities linearly in a common resonator). However, the beam path in the resonator is analogous to the "multi-rod solid-state laser", a serial arrangement of the individual active solid-state laser elements. As a result, the generation of diffraction-limited radiation is possible without the need for coupling of the individual solid-state laser elements (parallel connection of many individual elements - eg diode lasers). In this case, 6 active solid laser elements W1 are integrated into the solid state element W2 - fibers / waveguides with a diameter (or side surface lengths) of d ~ 100 microns. The numbers on the optical axis of the resonator describe the "beam path" within the resonator. The mirrors M1 and M2 form the laser resonator. The resonator mirror M2 is dimensioned so that it decouples a portion of the generated radiation. Since the active solid-state laser elements W1 (fibers / waveguides) are arranged optically serially in a resonator, their number correspondingly higher output powers can be achieved, provided all the solid-state laser elements W1 are pumped in the same way. The arrangement is particularly advantageous for laser systems with relatively low gain or when no sufficient pump power is available, since the geometric cross section of all akiven elements is the same.

Durch zwei Umlenkspiegel U1 und U2 und zwei Linsen L1 und L2 im Resonator, die sich jeweils im Abstand der Brennweite f der Linsen befinden, erfolgt eine Abbildung der Endfläche eines aktiven Laserelements auf die nächste zu durchlaufende. Der Versatz Δx der optischen Achsen der beiden Linsen zueinander ist notwendig, um den Durchlauf durch das Array der aktiven Elemente zu realisieren. Die auftretenden Verluste durch den Vielfachdurchlauf durch beide entspiegelten Linsen und dem Verstärkungsmedium im Resonator betragen etwa 1% pro Umlauf. Die Selektion des transversalen Grundmodes des Lasers erfolgt durch eine Modenblende B1 direkt auf beiden Umlenkspiegeln. Aus der vorstehenden Beschreibung wird ersichtlich, daß trotz mehrerer aktiver Medien für diese Resonatoranordnung ein einzelner nahezu beugungsbegrenzter Ausgangsstrahl erzeugt wird.By two deflection mirrors U1 and U2 and two lenses L1 and L2 in the resonator, each located at the distance of the focal length f of the lenses, a picture of the end face takes place one active laser element to the next to be traversed. The offset Δx of the optical Axes of the two lenses to each other is necessary to pass through the array of active elements. The occurring Losses through the multiple pass through both anti-reflective lenses and the gain medium in the resonator is about 1% per revolution. The selection of the transversal Basic mode of the laser is done by a mode aperture B1 directly on two deflecting mirrors. From the above description it will be apparent that despite several active media for this resonator arrangement a single nearly diffraction-limited Output beam is generated.

Durch Auszeichnung eines einzelnen aktiven Elements (oder mehrerer) z.B. durch Beschichtung mit Mikrospiegeln [R. Grunwald, U. Griebner, "Segmented solid-state laser resonators with graded reflectance micro-mirror arrays", Pure Appl. Opt. 3 (1994) 435] kann dieses Laserschema auch als Oszillator-Verstärkeranordnung betrieben werden. Die Generation des Grundmodes des so ausgezeichneten Oszillators kann wie in [U. Griebner, R. Koch, H. Schönnagel and R. Grunwald, Opt. Lett. 21, 266 (1996)] erfolgen. Gepumpt wird durch eine Seitenfläche des Festkörperelements W2 im zweifachen Pumpdurchgang unter Verwendung eines Reflektors.By Marking a single active element (or more) e.g. by coating with micromirrors [R. Grunwald, U. Griebner, "Segmented solid-state laser resonators with graded reflectance micro-mirror arrays ", Pure Appl. Opt. 3 (1994) 435], this laser scheme can also be used as an oscillator amplifier arrangement operate. The generation of the basic mode of the so excellent Oscillator can, as in [U. Griebner, R. Koch, H. Schönnagel and R. Grunwald, Opt. Lett. 21, 266 (1996)]. Is pumped through a side surface of the solid state element W2 in double pump passage using a reflector.

Sofort einzusehen ist, daß ein (oder mehrere) Festkörperelement W2, welches die Multimodefasern/-waveguides W1 enthält, ein sehr kompaktes Lasersystem (Länge etwa 10–20 mm) darstellt.Immediately is to be seen that a (or more) solid state element W2 containing the multi-mode fibers / waveguides W1 very compact laser system (length about 10-20 mm).

7 zeigt eine alternative Ausführungsform der prinzipiell gleichen Resonatoranordnung wie 6 nur das anstelle der Linsen L1 und L2 sphärische Spiegel S1 und S2 verwendet werden. Daraus resultieren geringere Verluste (weniger Grenzflächen) und eine geringere Dispersion des Gesamtsystems. Für dieses Beispiel mit fünf aktiven Festkörperlaserelementen W1 mit d ~100 μm sind bei Verwendung von sphärischen Spiegeln mit einer Brennweite f = 200 mm der zur Selektion des transversalen Grundmodes notwendige Blendendurchmesser B1 auf den ebenen Resonatorspiegeln (M1, M2) mit 5,2 mm angegeben. In diesem Beispiel ist gezeigt, wie die Pumpanordnung bei beidseitigen Pumpen (D1 und D2) zu gestalten ist. 7 shows an alternative embodiment of the same principal resonator arrangement as 6 only the spherical mirrors S1 and S2 are used instead of the lenses L1 and L2. This results in lower losses (fewer interfaces) and less dispersion of the overall system. For this example, with five active solid-state laser elements W1 with d ~ 100 microns when using spherical mirrors with a focal length f = 200 mm required for selection of the transverse fundamental mode aperture diameter B1 on the planar resonator mirrors (M1, M2) with 5.2 mm , In this example it is shown how the pumping arrangement is to be designed for double-sided pumps (D1 and D2).

Zur Erhöhung der Impulsenergie bzw. der mittleren Leistung von Laserstrahlung soll sich die Erfindung nicht nur auf die in 6 und 7 beschriebenen "Multipath"-Laserresonatoren beschränken, sondern auf eine parallele "Multipath"-Anordnung aktiver Elemente – vorzugsweise bestehend aus Fasern bzw. Waveguides – als Laserverstärker-Anordnung erweitert werden.To increase the pulse energy or the average power of laser radiation, the invention should not be limited to the in 6 and 7 restrict the described "multipath" laser resonators, but to a parallel "multipath" arrangement of active elements - preferably consisting of fibers or waveguides - be extended as a laser amplifier arrangement.

8 zeigt einen zur Anordnung 6 vergleichbaren Aufbau. Es entfallen die Resonatorspiegel (M1, M2). Die zu verstärkende Laserstrahlung wird durch den Spiegel K1 eingekoppelt und durch den Spiegel K2 aus dem "Multipath"-Verstärker ausgekoppelt. Die Zahlen an den optischen Achsen beschreiben den Strahlweg innerhalb des "Multipath"-Verstärkers. Für die Verstärker sollen ebenfalls transversale Pumpgeometrien verwendet werden. Die "Multipath"-Verstärkeranordnung in 9 ist vom Aufbau analog zum Resonator 7 und beinhaltet die gleichen Modifikationen wie von 6 zu 8. 8th shows one to the arrangement 6 comparable structure. It eliminates the resonator mirror (M1, M2). The laser radiation to be amplified is coupled in through the mirror K1 and coupled out through the mirror K2 from the "multipath" amplifier. The numbers on the optical axes describe the beam path within the "multipath" amplifier. Transverse pump geometries should also be used for the amplifiers. The "multipath" amplifier arrangement in 9 is similar in construction to the resonator 7 and contains the same modifications as from 6 to 8th ,

Als kompakte Variante für Singlemode-Faserlaser stellt der "Multimodefaser/-waveguide-Verstärker" eine aussichtsreiche Option dar. Sättigung und Zerstörschwelle (ca. 1 GW/cm² im cw-Fall für Quarz) limitieren die Leistungsparameter. Ein kompakter Multimodefaserverstärker läßt aufgrund seines größeren Querschnitts im Vergleich zu Singlemode-Fasern größere Leistungen bzw. Impulsenergien zu.As a compact variant for single-mode fiber lasers, the "multimode fiber / waveguide amplifier" represents a promising option. Saturation and damage threshold (about 1 GW / cm ² in the cw case for quartz) limit the performance parameters. A compact multimode fiber amplifier, due to its larger cross-section compared to singlemode fibers allows for greater power or pulse energies.

Besonders interessant ist dabei die Verstärkung von ultrakurzen Impulsen (Femtosekundenbereich), welche in Singlemode Fasern generiert werden. Die schon genannten Effekte – Sättigung und Zerstörschwelle – limitieren die Impulsenergie in Singlemodefasern, abhängig von der Folgefrequenz, auf einige Pikojoule.Especially interesting is the gain of ultra-short pulses (femtosecond range), which are in singlemode Fibers are generated. The already mentioned effects - saturation and damage threshold - limit the pulse energy in single mode fibers, depending on the repetition frequency, on some pikojoules.

Claims

Multipath waveguide-solid-state amplifier arrangement with several areas of active solid laser material, wherein the areas of the active solid laser material (W1) in a solid state element (W2) are arranged side by side and / or one above the other and the areas of the active solid laser material (W1) are defined by the material of the solid state element (W2) against each other, wherein the regions of active solid laser material (W1) are arranged in series serially in a resonator and the image of the end face of the laser beam through the active solid laser material range (W1) on the initial surface of the next to be traversed area (W1), characterized in that the arrangement comprises two deflection mirrors (U1, U2) and two with an offset (.DELTA.x) of the optical axes positioned lenses (L1) and (L2), each at a distance of its focal length (f ) of the deflecting mirrors (U1, U2) sin sin d, and for selecting the transversal fundamental mode of the laser, a mode diaphragm (B1) arranged on one of the deflecting mirrors (U1, U2) is provided.

Multipath waveguide-solid-state amplifier arrangement with several areas of active solid laser material, wherein the areas of the active solid laser material (W1) in a solid state element (W2) are arranged side by side and / or one above the other and the areas of the active solid laser material (W1) are delimited from one another by the material of the solid-state element (W2), the regions of active solid-state laser material (W1) being arranged in series behind one another in a resonator, and the image of the end surface of the region of active solid-state laser material (W1 _n ) passing through the laser beam being incident on the initial surface of the next to passing region (W1 _{n + 1} ), characterized in that the arrangement comprises two deflection mirrors (U1, U2) and two spherical mirrors (S1) and (S2), each at a distance of their focal length from the deflection mirrors (U1, U2 ) are arranged, and for the selection of the transversa len fundamental mode of the laser on one of the deflection mirror (U1, U2) arranged mode aperture (B1) is provided.

Multipath waveguide solid state laser array with multiple Areas of active solid-state laser material, which are arranged in the beam path between two resonator mirrors (M1, M2) are, wherein the areas of the active solid laser material (W1) in a Solid state element (W2) are arranged side by side and / or one above the other and the areas of the active solid laser material (W1) by the material of the solid state element (W2) are delimited against each other, the areas are out active solid-state laser material (W1) arranged optically in series behind one another in a resonator are and the figure of the end face of the laser beam traversed area of active solid laser material (W1) on the starting surface the next to be traversed area (W1), characterized, that the resonator has two deflection mirrors (U1, U2) and two with an offset (Δx) the optical axes positioned lenses (L1) and (L2), respectively at the distance of their focal length (f) from the deflecting mirrors (U1, U2) are arranged, and for the selection of the transverse fundamental mode of the laser arranged on one of the deflection mirror (U1, U2) Mode aperture (B1) is provided.

Multipath waveguide-solid-state laser arrangement with several areas of active solid-state laser material, which in the beam path between two Resonator mirrors (M1, M2) are arranged, wherein the areas of the active solid laser material (W1) in a solid state element (W2) are arranged side by side and / or one above the other and the areas of the active solid laser material (W1) through the material of the solid state element (W2 ) are separated from each other, wherein the regions of active solid laser material (W1) are arranged in series serially in a resonator and the image of the end surface of the laser beam through the range of active solid laser material (W1 _n ) on the initial surface of the next to be traversed area (W1 _{n +1} ), characterized in that the resonator has two deflecting mirrors (U1, U2) and two spherical mirrors (S1) and (S2) which are each arranged at a distance of their focal length from the deflecting mirrors (U1, U2), and to Selection of the transversal fundamental mode of the laser on one of the deflecting mirrors (U1, U2) angeord Nete mode aperture (B1) is provided.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that for the lateral coupling of pump radiation in the solid state element (W2) at least one pump diode (D1, D2) and cylindrical lenses (O1, O2) are provided.

Arrangement according to claim 5, characterized in that that for the coupling of pump radiation in the solid state element (W2) a pumping diode (D1 or D2) is provided, with respect to the pumping diode (D1 or D2) a reflector (W5) is arranged.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the areas of active solid laser material (W1) rod-shaped and / or fibrous and / or cuboid are.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the areas of active solid laser material (W1) are arranged parallel to each other.

Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized that the material of the solid state element (W2) for the pump radiation is transparent.

Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized that the material of the solid state element (W2) plate-shaped is trained.

Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized the refractive index of the active solid-state laser material (W1) is greater as the refractive index of the material of the solid state element (W2).

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at the top and / or bottom of the solid state element (W2) a second solid state element (W3) is arranged.

Arrangement according to claim 12, characterized that the refractive index of the material of the second solid state element (W3) is smaller than the refractive index of the solid state element (W2).

Arrangement according to one of claims 1 to 4 or 12, characterized characterized in that above the solid state element (W2) or the second solid state element (W3) cold plates (W4) for heat dissipation are arranged.

Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized that the deck and floor area of the plate-shaped Solid state element (W2) is provided with a mirror layer (W6).

Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized that the active solid laser material (W1) yttrium aluminum oxide is in whose crystal lattice neodymium or ytterbium embedded is and the solid state element (W2) consists of undoped yttrium-aluminum oxide.

Arrangement according to claim 10, characterized that the thickness of the plate-shaped solid state elements (W2) in the range of 0.2 mm to 1 mm, the width in the range of 1 mm to 2 mm and the length in the range of 1 mm to 20 mm.

Arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized that the cross section of the range of active solid laser material (W1) in the range of 100 microns × 100 microns, the length in the range from 1-20 mm and the distance between the active elements is 100-200 microns.