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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Resonatorkonfiguration gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Die Erzeugung von Laserstrahlung
spielt heutzutage aufgrund der Vielzahl von Anwendungsgebieten eine
große
Rolle. Hierbei besteht insbesondere ein Bedarf an kompakten und
zuverlässigen
Laseranlagen.
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Im Stand der Technik sind je nach
Anwendungszweck und aktivem Lasermedium unterschiedliche Resonatortypen
mit den unterschiedlichsten Geometrien im Einsatz (vgl. z.B. W.
Brunner u. K. Junge, Lasertechnik, Hüthig Verlag, Heidelberg, 4. Aufl.,
1989)
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Gerade bei der Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen
sind aufgrund der komplexen Aufbauten zur Erzeugung kürzester
Laserpulse der Kompaktheit der Laserresonatoren jedoch Grenzen gesetzt. Ein
Beispiel für
eine Laseranordnung zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen ist
der
EP-0492994 A2 zu
entnehmen.
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Im Mittelpunkt des aktuellen Interesses
stehen Oszillator- und Verstärkeranordnungen
auf der Basis neuer aktiver Materialien, wie beipielsweise Ti:Saphir,
Cr:LiSAF, etc., die eine Anregung durch Diodenlaser oder diodengepumpte
Festkörperlaser
erlauben. Wesentliche Anwendungen dieser breitbandigen Verstärkungsmedien
sind in der Frequenz abstimmbare Laser sowie Femtosekunden-Laser.
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Gerade derart breitbandige Verstärkungsmedien
besitzen jedoch einen kleinen Wert für das Produkt σ × τ (σ: Wirkungsquerschnitt
für den
optischen Übergang; τ: Lebensdauer
des Laserniveaus), der eine hohe Laserschwelle zur Folge hat. Für diese Medien
muß daher
eine Resonatorkonfiguration gewählt
werden, bei der im Laserstab eine kleine Resonator- und Pumpmode
gewährleistet
ist.
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Die übliche Lösung besteht in der Wahl einer Resonatoranordnung,
bei der der Laserstab zwischen zwei gekrümmten Resonatorspiegeln angeordnet
ist. Eine derartige Anordnung ist in 1 dargestellt.
Einer der beiden Resonatorendspiegel (1) und (2)
des dargestellten Resonators stellt den Auskoppelspiegel der umlaufenden
Laserstrahlung dar. Im Resonator wird der Strahl über die
beiden gekrümmten
Spiegel (3) und (4) in das Verstärkungsmedium
(5) fokussiert, so daß sich
darin eine Strahltaille des Laserstrahles bildet. Zwischen den Endspiegeln
und den gekrümmten
Spiegeln kann eine beliebige Optik (6), beispielsweise
Prismen zur Erzeugung einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion, angeordnet
sein. Das Verstärkungsmedium
wird von Laserdioden (7) mit zugehöriger Diodenoptik (8),
beispielsweise einem Linsensystem zur Fokussierung, durch die gekrümmten Spiegel
hindurch gepumpt. Es versteht sich von selbst, daß diese
gekrümmten Spiegel
für die
Wellenlänge
der Pumpstrahlung transparent sein müssen. Im gezeigten Beispiel
wird das Verstärkungsmedium
von beiden Seiten gepumpt.
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Erfolgt, wie im obigen Beispiel,
die Anregung des aktiven Lasermediums (Verstärkungsmedium) mit Laserdioden
als nicht-beugungsbegrenzten Pumpquellen, so sind große Optiken
und Abstände zwischen
den Laserdioden und dem Verstärkungsmedium
erforderlich, um einen geeigneten Strahlverlauf der Pumpstrahlung
im Lasermedium zu erzielen. Dies führt zu einer unerwünschten
ausladenden Bauweise der Laseranordnung.
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Desweiteren treten beim Pumpen durch
die gekrümmten
(konkaven) Resonatorspiegel zusätzlich
Abbildungsfehler im Strahlengang der Pumpstrahlung auf, die zu reduzierter
Lasereffizienz führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Resonatorkonfiguration mit kompakter Einkopplungsmöglichkeit
von Pumpstrahlung einer nicht beugungsbegrenzten Pumpstrahlungsquelle
bereitzustellen, die eine Erhöhung
der Lasereffizienz ermöglicht.
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Die Erfindung wird mit der Resonatorkonfiguration
gemäß dem geltenden
Anspruch 1 gelöst.
Besondere Ausgestaltungen der Resonatorkonfiguration sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine Resonatorkonfiguration
bereitgestellt, bei der über
zumindest ein als gekrümmter
Spiegel ausgebildetes Fokussierelement zwischen zwei Resonatorendspiegeln
eine Strahltaille von im Resonator verstärkter Strahlung im Bereich
des Verstärkungsmediums
gebildet wird. Zwischen dem Fokussierelement und dem Verstärkungsmedium
ist im Strahlengang der im Resonator verstärkten Strahlung ein für die Pumpstrahlung durchlässiges Strahlumlenkelement
in Form eines ebenen Spiegels angeordnet, durch das hindurch die Einkopplung
der Pumpstrahlung in das Verstärkungsmedium
ermöglicht
wird und Abbildungsfehler im Pumpstrahlengang minimiert werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration
läßt sich
auf einfache und vorteilhafte Weise die Lasereffizienz erhöhen, da
durch das Strahlumlenkelement in Form des ebenen Spiegels Abbildungsfehler
im Strahlengang der Pumpstrahlung vermieden werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen
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1 ein
Beispiel für
eine Resonatorkonfiguration des Standes der Technik;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration;
und
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration
mit angegebener Bemaßung;
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Das in 1 gezeigte
Beispiel einer Resonatorkonfiguration des Standes der Technik wurde bereits
in der Einleitung näher
beschrieben.
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Im Vergleich zu dieser Anordnung
ist in 2 ein Beispiel
einer Resonatoranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Laserresonator wird hier durch die beiden
Resonatorendspiegel (1) und (2) gebildet. Auch
im vorliegenden Beispiel wird im Verstärkungsmedium (5) aufgrund der
beiden konkaven Resonatorspiegel (3) und (4) eine
Strahltaille gebildet. Der Strahlengang zwischen dem jeweiligen
konkaven Resonatorspiegel (3 oder 4) und dem Verstärkungsmedium
ist allerdings erfindungsgemäß durch
ein weiteres Umlenkelement, einen Planspiegel (9 bzw. 10)
gefaltet. Durch diese Faltung wird erreicht, daß die beiden Pumplichtquellen (7;
Laserdioden) näher
am Verstärkungsmedium
positioniert werden können,
da die notwendige Fokussierlänge
der Diodenoptiken (8) verkürzt ist. Dies ist in der Figur
(im Vergleich zu 1)
deutlich zu erkennen. Die beiden planen Spiegel (9) und
(10) sind beispielsweise dichroitische Spiegel, die für die Pumpstrahlung
durchlässig
und für
den Wellenlängenbereich
der Strahlung im Resonator hoch reflektierend sind. Im Strahlengang
zwischen der Fokussieranordnung mit den gekrümmten Spiegeln (3)
bzw. (4) und den Endspiegeln (2) bzw. (1)
können
beliebige weitere optische Elemente (6) vorgesehen sein.
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Das Verstärkungsmedium wird im vorliegenden
Beispiel durch einen Laserkristall repräsentiert, der zur Vermeidung
von Reflexionsverlusten unter dem Brewsterwinkel geschnitten ist.
Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. So kann beispielsweise auch
eine Antireflexbeschichtung auf den Ein- bzw. Austrittsflächen des
Kristalls vorgesehen sein.
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Als Verstärkungsmedien werden hierbei
vorzugsweise Festkörperlasermaterialien
wie z.B. Cr:Forsterit, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGaF, Cr:YAG, Er:YAG,
Yb:YAG, Nd:Glas und Ti:Saphir eingesetzt. Es versteht sich von selbst,
daß die
erfindungsgemäße Resonatorkonfiguration
nicht auf diese beispielhaften aktiven Medien beschränkt ist.
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Da der Pumpstrahlengang durch die
beiden ebenen Spiegel (9) bzw. (10) hindurch verläuft, werden
im Vergleich zur Anordnung des Standes der Technik nach 1, bei dem die Pumpstrahlung durch
die gekrümmten
Spiegel hindurch eingekoppelt wird, Abbildungsfehler im Pumpstrahlengang
minimiert und damit die Lasereffizienz verbessert. Durch Plazierung
der ebenen Faltungsspiegel (9, 10) in unmittelbarer
Nähe zum
Laserstab können
sehr kompakte Pumpoptiken mit kleinen Abständen ermöglicht werden.
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Dies ist insbesondere im Vergleich
der 1 und 2 zu erkennen. Gerade für den kommerziellen Einsatz
werden die Resonatorkonfigurationen in ein Gehäuse eingebracht. Mit der erfindungsgemäßen Konfiguration
können
in vorteilhafter Weise bei erhöhter
Lasereffizienz (bei sonst gleichen Lasereigenschaften) kompaktere
Gehäuseabmessungen
realisiert werden.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration.
Bei dieser Anordnung stellt der Auskoppelspiegel (1) den ersten
Resonatorendspiegel dar. Der zweite Resonatorendspiegel wird durch
die Endfläche
(11) des Laserkristalls (5) mit einer hochreflektierenden
Beschichtung gebildet. Erfindungsgemäß ist im Strahlengang zwischen
dem gekrümmten
Spiegel (3) und dem Verstärkungsmedium (5) ein
ebener Umlenkspiegel (9) angeordnet, der den Strahlengang
zwischen dem gekrümmten
Spiegel und dem Verstärkungsmedium
faltet. Damit wird wie im vorhergehenden Beispiel ermöglicht,
die Pumpoptik (7, 8) kompakter zu gestalten. Durch
die gezeigte Anordnung des Umlenkspiegels (9), bei der
der Pumpstrahlengang parallel zum Resonatorstrahlengang zwischen gekrümmtem Spiegel
(3) und Resonatorendspiegel (1) verläuft, kann
somit eine äußerste kompakte
Anordnung realisiert werden. Auch hier werden aufgrund des Pumpens
durch den planen Spiegel (9) Abbildungsfehler vermieden
und damit die Lasereffizienz erhöht.
Im Strahlengang vor dem Resonatorendspiegel (1) kann wiederum
eine beliebige Optikanordnung (6) realisiert sein.
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4 zeigt
schließlich
ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration, ähnlich der
der 2. In der Figur
sind Beispiele für
Abstände
der optischen Elemente angegeben (Zahlenangaben in mm). Die Bezugszeichen
entsprechen denen der vorherigen Beispiele. Der Endspiegel (2)
stellt den Auskoppelspiegel dar. Die Optiken (6) der 2 sind in diesem Beispiel
durch die dispersiven Spiegel (12 und 13 bzw. 14 und 15)
realisiert, die der Pulsverkürzung
dienen. Als Laserkristall wurde ein Cr3+:LiSAF
eingesetzt, der mittels der beiden Laserdioden (7)(500
mW Diodenlaser mit Emissionswellenlänge bei 680 nm) mit zugehöriger Fokussieroptik
(Linsen (8a) und (8b) der Brennweiten 36 bzw.
27 mm) gepumpt wird. Bei den beiden gekrümmten Spiegeln (3) und
(4) handelt es sich um 100-mm-Spiegel. Die gezeigte Resonatorkonfiguration
dient zur Erzeugung von Femtosekunden-Laserpulsen. Die kompakte
Anordnung ist auf die erfindungsgemäße Resonatorkonfiguration zurückzuführen.
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Auch wenn in den gezeigten Beispielen
ausschließlich
lineare (standing wave) Laserresonatoren eingesetzt wurden, so ist
offensichtlich, daß auch Ringresonatoren
zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Resonatorkonfiguration
möglich
sind.