DE19819707C2 - Laserkristall für longitudinal diodengepumpte Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserkristall für longitudinal diodengepumpte Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Bereich der diodengepumpten Festkörperlaser werden oft Anordnungen verwendet, in denen eine Quelle 4 (eine Laserdiode oder eine Laserdiode bzw. ein Halbleiterlaser (LD) mit Strahltransferoptik, wie z. B. ein Lichtwellenleiter) Pumpstrahlung λ_P emittiert und die Pumpstrahlung λ_P, die einen Endspiegel 1 passiert, koaxial in einen Laserstab 3 eingekoppelt wird, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Die Nutzstrahlung λ_L wird über einen Auskoppelspiegel ausgekoppelt. Vielfach spricht man bei derartigen Anordnungen auch von longitudialem Pumpen oder Endpumpen. Solche zum Stand der Technik zählende Anordnungen sind z. B. in I. Schutz, S. Wiegang und R. Wallenstein: Mit Diodenlasern angeregte Festkörperlaser, in Laser und Optoelektronik 20(3) S. 39-45 1988 offenbart und weisen eine hohe Gesamteffizienz, eine gute Effizienz für transversalen Grundmodenbetrieb sowie eine einfache Aufbautechnik auf.

In Ch. Pedersen et al, Applied Optics, 36, No. 27(1997), S. 6780-6787 ist ein diodengepumpter Festkörperlaser gezeigt, der einen YAG-Laserkristall aufweist. Über ein Prisma und eine sphärische Auskoppeloptik wird die Nutzstrahlung erzeugt. Die DE 28 44 129 A1 zeigt einen longitudinal gepumpten Festkörperlaser, der im Inneren eine YAG:Nd- Faser aufweist, die von einem transparenten Mantel niedriger Brechzahl umgeben ist. Dieser Laser benötigt eine relativ geringe Pumpleistungsdichte.

In der DE 25 04 324 A1 ist ein Laserverstärker mit einem zylindrischen Stab beschrieben, der einen konvex geformten zentralen Abschnitt aus dotiertem Glas besteht, der von einer Flüssigkeit umgeben ist. Darüberhinaus zeigt die DE 40 11 634 A1 ein stabförmiges Lasermaterial mit gegenüberliegenden konkaven Flächen, um parasitäre Oszillationen zu verhindern.

Prinzipiell entsteht in allen solchen und ähnlichen Anordnungen im Laserkristall - z. B. aus mit Ionen der seltenen Erden dotiertem YAG, YALO, YLF, YVO, bei dem es sich oft um einen Stab mit Zylindergeometrie handelt, der an der Mantelfläche gekühlt wird - eine induzierte Linse, die durch thermische Effekte - wie Absorption der Pumpstrahlung im Lasermaterial - gebildet wird. Neben der im Bereich der Absorption erzeugten Inversion entsteht auch Wärme, die an die Umgebung abgeführt werden muß. Bekanntlich ergibt sich die Brechkraft der Linse aus den entstehenden Temperaturgradienten, die entstehen, wenn die Wärme zur gekühlten Fläche fließt. Durch die Abhängigkeit des Brechungsinde­ xes von der Temperatur (dn/dT) entsteht damit eine Gradientenlinse, die beliebi­ ge Verteilungen annehmen kann. In dem Diagramm der Fig. 4 ist der qualitative Verlauf des Bechungsindexes n in einem Laserkristall in Abhängigkeit von dem Radius r veranschaulicht. Das Diagramm gilt für einen positiven Wert von dn/dT, aber auch negative Werte von dn/dT sind möglich.

Zudem entsteht durch Wärmeausdehnung zusätzlich eine Wölbung zumindest einer der Endflächen des Laserkristalls 3 und damit eine zusätzliche Linsenwir­ kung. Bei einem positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten zeigt sich diese Wölbung nach außen und erzeugt somit eine positive Brechkraft, wie in Fig. 5 dargestellt.

Die Brechkraft dieser beiden vorstehend genannten thermischen Linsen wirken sich im Laserresonator als zusätzlich optisch wirksame Größe aus, die z. B. zu­ dem von der jeweiligen Pumpleistung der Laserdioden, der abgegebenen Lei­ stung (Nutzstrahlung) mit der Wellenlänge λ_L und der Temperatur der Wärme­ senke abhängig ist. Demnach kann sich abhängig von dem speziellen Design des Resonators - beispielsweise Krümmungsradien, Brechungsindex und Abständen der gewählten Komponenten, wie z. B. Spiegel und Linsen, etc. - diese zusätzli­ che thermische Linse sehr nachteilig auf die Stabilität des Resonators und die Effizienz zur Erzeugung des transversalen Grundmodes auswirken. Der stabile und effiziente Arbeitsbereich kann dadurch ebenfalls wesentlich eingeschränkt werden.

Zur weitgehenden Vermeidung dieses zuletzt genannten Linseneffektes und um die Kühlung des gepumpten Bereiches im Laserkristall zu verbessern, werden beim neueren Stand der Technik häufig durch thermisches Bonden hergestellte Laserstab-Komposite verwendet, bei denen eines oder beide Enden des Laser­ stabes (dotierter Bereich 6) durch einen undotierten Bereich 5 abgeschlossen sind, wie in Fig. 6 dargestellt.

Insbesondere in 3-Niveau-Systemen ist es wichtig, durch Absorption der Pumpstrahlung in einem möglichst kleinen Volumen eine hohe Pumpintensität zu erzeugen. Deshalb sind dort solche vorstehend erwähnten Laserstäbe von be­ sonderem Vorteil. Hier wird auch bei relativ kurzem dotiertem Bereich 6 noch eine gute Kühlung und die mechanische Fixierung des Kristalles realisiert. Bei 3-Niveau-Systemen ist es nämlich wichtig, die absolute Temperatur des Laser­ kristalls möglichst niedrig zu halten, um die thermische Besetzung des unteren Laserniveaus möglichst klein zu halten. Damit wird die Laserschwelle niedriger und die Gesamteffizienz gesteigert. Die absolute Temperatur ist dadurch senk­ bar, daß der Laserstab möglichst dünn ausgeführt wird. Diese Möglichkeit hat jedoch bei der Herstellung Grenzen, beispielsweise muß bei der Beschichtung der Endflächen eine gleichmäßige Reflexionseigenschaft über die genutzte Flä­ che erreicht werden. Eine zweite Grenze ergibt sich durch die notwendige Apertur (Öffnung) für die Pumpquelle, damit diese nicht unnötig begrenzt wird.

Zusammenfassend ist demzufolge zu sagen, daß der Stand der Technik mit einer Reihe von zum Teil gravierenden Problemen behaftet ist. Als Beispiele seien angeführt:

• a) Der Öffnungswinkel für die Pumpstrahlung von Laserdioden wird begrenzt, was unter Umständen die Effizienz verringert.
• b) In den Fällen, in denen nur der durch die Geometrie eines üblichen Laserkri­ stalles mögliche Öffnungswinkel genutzt wird, kann häufig die Fokussierung nicht auf den notwendig kleinen Durchmesser erfolgen. Dies ist aber besonders für 3-Niveau-Systeme wesentlich, um effizienten Laserbetrieb zu erhalten.
• c) Um die Begrenzungen einzuhalten, ist die Anpassung der Pumpoptik zu auf­ wendig und kostenintensiv.
• d) Bei 3-Niveau-Systemen kann die optimale Betriebstemperatur nicht erreicht werden, weil im gepumpten Bereich der Laserstab eine zu große Dicke aufweist.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Laserkri­ stall der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die vorgenannten Probleme beseitigt beziehungsweise weitgehend minimiert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Figen. 1A bis 1C Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Laserstabes, insbesondere für 3-Niveau-Systeme,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserkristalls, bei dem eine thermische Linse mit asphärischer Wirkung zu einer sphärischen Linsenwirkung korrigiert ist,

Fig. 3 ein Beispiel eines herkömmlichen diodengepumpten Festkörperlasers mit einer Anordnung, die die Pumpstrahlung koaxial in den Laserstab einkoppelt,

Fig. 4 eine Darstellung des qualitativen Verlaufs des Brechungsindexes n in ei­ nem herkömmlichen Laserkristall in Abhängigkeit vom Radius,

Fig. 5 ein Beispiel eines herkömmlichen Laserstabes mit einer Wölbung nach außen zur Erzeugung einer positiven Brechkraft und

Fig. 6 ein Beispiel eines herkömmlichen Laserstabes bei dem beide Enden durch einen undotierten Bereich abgeschlossen sind.

Nachfolgend wird der Aufbau und die Struktur eines erfindungsgemäßen Laser­ kristalls anhand der Figen. 1A bis 1A erläutert.

Wie aus den Figen. 1A bis 1C ersichtlich, ist beim erfindungsgemäßen Laserkri­ stall ein Verjüngungsbereich 7, 7', 7", d. h. das Zentrum des Laserkristallstabes mit dem dotierten Bereich des Laserkristalles auf einen solchen Durchmesser d verkleinert, d. h. "verjüngt", daß sich im Laserbetrieb eine niedrige Temperatur einstellt, während die Enden 8 des Laserstabes ihren ursprünglichen Durchmes­ ser D behalten. Daraus folgt - insbesondere für 3-Niveau-Systeme - eine Steige­ rung der Effizienz des Laserbetriebes, da die absolute Temperatur des Laserkri­ stalls möglichst gering gehalten werden kann. Hierbei muß jedoch die Verjün­ gung nicht auf den dotierten Bereich des Laserkristallstabes begrenzt sein und muß auch nicht gleichmäßig über die Länge erfolgen.

Der Verjüngungsbereich 7, 7', 7" kann eine Form besitzen, wie beispielsweise die in den Figen. 1A bis 1C gezeigten Ausführungsbeispielen angegebene. So kann der Verjüngungsbereich 7 beispielsweise, wie in Fig. 1A gezeigt, derart ausgebildet sein, daß der ursprünglich zylindrische Laserkristall im Bereich der Verjüngung in der Längsschnittdraufsicht die Form einer bikonkaven Linse be­ sitzt, d. h. die Verjüngung kreisbogenförmig gleichmäßig über die Länge vom Ursprungsdurchmesser D bis zu einem Minimaldurchmesser d und wieder zu­ rück zum Ursprungsdurchmesser D erfolgt. Anstelle davon kann ebenso, wie in Fig. 1B veranschaulicht, an beiden Enden des Verjüngungsbereichs 7' der Durchmesser des Laserkristalls kontinuierlich und linear vom Ursprungsdurch­ messer D ausgehend auf einen Minimaldurchmesser d verringert werden, wäh­ rend in der Mitte des Verjüngungsbereichs über einen bestimmten Bereich der Minimaldurchmesser konstant beibehalten wird. Somit ergeben sich in der Längsschnittansicht trapezförmige Einschnitte auf beiden Seiten des Laserkri­ stalls. Eine vorstehend erwähnte ungleichmäßige Form des Verjüngungsbereichs 7" ist in Fig. 1C gezeigt, wobei der Verjüngungsbereich in der Draufsicht weder linear noch elliptisch ausgebildet ist, sondern beispielsweise die "Form eines halben Eies" aufweist und der Minimaldurchmesser d nicht in der Mitte des Verjüngungsbereichs 7" erreicht wird.

Zusätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Laserkristall der Durchmesser des Verjüngungsbereichs so optimiert werden, daß das Anschwingen höherer Moden unterdrückt wird, d. h. eine Modenblende verwirklicht ist.

Weiterhin kann für die Pumpstrahlung λ_P beim erfindungsgemäßen Laserkristall eine relativ große numerische Apertur genutzt werden. Dies ist besonders für die Pumpeffizienz von großem Vorteil, weil bei einer Fokussierung auf einen klei­ nen Durchmesser im Laserkristall zur Anpassung der Pumpmode an die Laser­ mode große numerische Aperturen entstehen. Die dadurch erreichte hohe Pum­ pintensität erhöht insbesondere bei 3-Niveau-Systemen die Gesamteffizienz ganz erheblich.

Bei dem vorgeschlagenen Laserkristall ist zudem eine Flüssigkeitskühlung direkt am Kristall oder auch eine trockene Kontaktkühlung möglich. Bei der Kontakt­ kühlung können dabei alle gängigen Verbindungstechniken, wie beispielsweise elastische Zwischenlagen, Kleben und Löten, angewendet werden bzw. zum Einsatz kommen.

Darüberhinaus kann die erfindungsgemäße Gestaltung des Laserkristalls auch bei Kristallen zur Anwendung kommen, die radial keine gleichmäßige Wärme­ leitung aufweisen. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 gezeigt, ist es nämlich möglich, die bei derartigen Kristallen nor­ malerweise vorhandene thermische Linse mit asphärischer Wirkung - beispiels­ weise Zylinder - durch die Wahl eines nicht kreisförmigen Querschnitts 9 im dotierten Bereich bzw. im Verjüngungsbereich 7''' zu einer sphärischen Lin­ senwirkung zu korrigieren. Dies bringt in vielen Fällen Vorteile, weil damit das Design des Resonators vereinfacht und damit effizienter gestaltet werden kann. Eine thermische Linse mit sphärischer Wirkung ist nämlich im allgemeinen leichter im Resonatordesign zu berücksichtigen und gegebenenfalls leichter zu kompensieren als eine beliebig definierte thermische Linse (z. B. mit Zylinder­ wirkung, asphärischer Wirkung, usw.).

Demnach bringt die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Laserkristalls, wie vorstehend ausführlich diskutiert, die folgenden Vorteile mit sich:

• a) Der Öffnungswinkel für die Pumpstrahlung λ_P von Laserdioden kann sehr groß gewählt werden, so daß die Effizienz des Gesamtsystems wesentlich erhöht ist.
• b) Die Fokussierung auf den notwendig kleinen Durchmesser wird ermöglicht, was insbesondere für 3-Niveau-Systeme wesentlich ist, um einen effizienten La­ serbetrieb zu erhalten.
• c) Die Anpassung der Pumpoptik ist einfach, problemlos und kostengünstig her­ stellbar.
• d) Bei 3-Niveau-Systemen wird eine vorteilhafte niedrige Betriebstemperatur im gepumpten Bereich des Laserkristalls erreicht, weil im gepumpten Bereich der Querschnitt nach Bedarf reduziert ist.

Claims (9)

1. Laserkristall für longitudinal diodengepumpte Festkörperlaser, mit dotierten und undotierten Bereichen und einer durch thermische Effekte induzierten Linse, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkristall (3) an seinen Enden (8) einen Querschnitt mit einem ersten Durchmesser (D) aufweist und einen Verjüngungsbereich (7; 7', 7", 7''') in seinem Zentrum aufweist.

2. Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verjüngungsbereich (7; 7'; 7") einen kreisförmigen Querschnitt mit einem zweiten Durchmesser (d) kleiner als der erste Durchmesser (D) der Enden (8) des Laserkristalls (3) aufweist.

3. Laserkristall nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Durchmesser (d) des Verjüngungsbereichs (7; 7'; 7") derart gewählt ist, daß eine Modenblende ausgebildet ist.

4. Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verjüngungsbereich (7''') einen nichtkreisförmigen Querschnitt (9) auf­ weist.

5. Laserkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verjüngungsbereich (7; 7'; 7"; 7''') nur den dotierten Bereich (6) des La­ serkristalls (3) umfaßt.

6. Laserkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verjüngungsbereich (7; 7'; 7"; 7''') den dotierten Bereich (6) und auch den undotierten Bereich (5) des Laserkristalls (3) umfaßt.

7. Laserkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verjüngungsbereich (7; 7', 7", 7''') über seine Länge asymmetrisch ausgestaltet ist.

8. Laserkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verjüngungsbereich (7; 7', 7", 7''') über seine Länge symmetrisch ausgestaltet ist.

9. Laserkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einrichtung zur Flüssigkeitskühlung direkt am Laserkristall (3) oder eine Einrichtung zur Kontaktkühlung des Laserkristalls (3) ausgebildet ist.