DE19927054A1 - Festkörperlaser - Google Patents

Abstract

Ein Festkörperlaser enthält ein aktives Medium zum Erzeugen eines Laserstrahls (L), das aus einer Mehrzahl von in einem Resonator (8) angeordneten und miteinander optisch gekoppelter und einen gemeinsamen Strahlengang für den Laserstrahl (L) bildender Kristallscheiben (2, 2a-h) besteht. Eine Pumplichtquelle (10, 10, 10b) erzeugt einen Pumplichtstrahl (P; Pa, Pb), dessen optische Achse die Flachseiten (20, 24) mehrerer optisch hintereinander angeordneter Kristallscheiben (2a-2h) schneidet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser, bei dem als laseraktives Medium eine Kristallscheibe verwendet wird.

Ein solcher Festkörperlaser ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 5,553,088 A bekannt. Laseraktives Basiselement eines solchen Festkörperlasers, der in der Literatur auch als Scheibenlaser bezeichnet wird, ist eine dünne nur wenige Zehntelmillimeter dicke und typisch einen Durchmesser im Größenord­ nungsbereich von etwa 10 mm aufweisende Kristallscheibe, die auf einem Kühl­ element angeordnet ist und auf ihrer dem Kühlelement zugewandten Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen ist.

Die von einem solchen Scheibenlaser erzeugte Laserausgangsleistung wird nun u. a. bestimmt durch die in der Kristallscheibe absorbierte Leistung des zum opti­ schen Pumpen verwendeten Pumplichtstrahls. Zur Einkopplung des Pumplicht­ strahls in die Kristallscheibe gibt es nun prinzipiell zwei Möglichkeiten. Der Pumplichtstrahl kann entweder an einer Flachseite der Kristallscheibe (longitudinal) oder an der Schmalseite (transversal) eingekoppelt werden.

Eine longitudinale Pumpanordnung hat nun den grundsätzlichen Nachteil, dass aufgrund der kleinen Wegstrecke des Pumplichtstrahls im Kristall ein erheblicher Teil des Pumplichtstrahls nicht innerhalb der Kristallscheibe absorbiert wird und somit keinen Beitrag zur Laseranregung leistet. Bei der Verwendung von Yb : YAG als laseraktives Medium mit einer Dotierung von etwa 12% und einer Scheiben­ dicke von 200 µm ergibt sich beispielsweise bei einer Wellenlänge des Pumplichtstrahls von 940 nm bei einem einfachen Durchlauf des Pumplichtstrahls durch die Scheibe eine Absorption von lediglich etwa 30%. Um die Ausnutzung der bereitgestellten Pumpleistung bei longitudinaler Pumpanordnung zu erhöhen, ist in Fig. 28 der US 5,553,088 A oder in Fig. 2 der Publikation "Effiziente dioden­ gepumpte Scheibenlaser mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlung", Laser und Optoelektronik, 29 (4), 1997, S. 76-83, eine Anordnung vorgeschlagen, bei der der Pumplichtstrahl mehrfach auf die Scheibe zurückreflektiert wird. Dies erfordert jedoch einen aufwendigen optischen Aufbau mit einer Vielzahl von fokussieren­ den Spiegeln.

Diese Probleme können durch eine transversale Pumpanordnung vermieden wer­ den, da dann die Weglänge des Pumplichtstrahls in der Kristallscheibe erhöht ist (siehe beispielsweise Fig. 1 der US 5,553,088 A). Bei einer solchen Pumpanord­ nung ist jede Kristallscheibe von einer Vielzahl von Laserdioden umgeben. Eine solche Anordnung eignet sich grundsätzlich auch zum Aufbau von Hochleistungs­ lasern, bei dem es erforderlich ist mehrere Scheibenlaser optisch miteinander zu koppeln.

Die Ausgangsleistung einer Kristallscheibe ist nämlich auch bei maximaler Ab­ sorption der Pumplichtleistung auf zur Zeit etwa 500 Watt pro Scheibe begrenzt, da deren nutzbare Fläche und deren Dicke, letztere insbesondere aufgrund der erforderlichen Wärmeabfuhr und aufgrund der mit zunehmender Dicke einherge­ henden Verringerung der Bruchfestigkeit, nicht erhöht werden kann. Um einen Scheibenlaser mit Ausgangsleistungen im Bereich von einigen Kilowatt bereitzu­ stellen, ist es deshalb notwendig, eine Mehrzahl von Kristallscheiben einzusetzen. Hierzu ist es aus der US 5,553,088 A, insbesondere Fig. 17, bekannt, eine Mehr­ zahl von Kristallscheiben optisch miteinander in einem sogenannten gefalteten Strahlengang zu koppeln, wobei jede Kristallscheibe transversal von einer Vielzahl von Pumplichtquellen umgeben ist, um eine hohe Absorption des Pumplichtstrahls sicherzustellen. Ein solcher Aufbau ist jedoch technisch sehr aufwendig, da jeder Kristallscheibe eine Pumpanordnung zugeordnet ist. Außerdem wird ein erhebli­ cher Teil des Pumplichtstrahls in Randzonen der Kristallscheibe absorbiert, die nicht oder nur zu einem geringen Anteil zur Laserstrahlerzeugung beitragen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperlaser anzugeben, dessen aktives Medium zum Erzeugen einer hohen Ausgangsleistung aus einer Mehrzahl von in einem Resonator angeordneten und miteinander optisch gekop­ pelter Kristallscheiben aufgebaut ist und einen technisch unaufwendigen Aufbau ermöglicht.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Festkörperla­ ser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Der Festkörperlaser gemäß der Erfindung enthält ein aktives Medium zum Erzeugen eines Laserstrahls, das aus einer Mehrzahl von in einem Resonator angeordneter und miteinander optisch gekoppelter und einen gemeinsamen Strahlengang für den Laserstrahl bildender Kristallscheiben besteht, wobei eine Pumplichtquelle zum Erzeugen eines Pumplichtstrahls vorgesehen ist, dessen optische Achse die Flachseiten mehrerer optisch hintereinander angeordneter Kristallscheiben schneidet.

Auf diese Weise ist es möglich, mit einer einzigen Pumplichtquelle eine Mehrzahl von Kristallscheiben optisch zu pumpen. Die Pumplichtquelle kann außerdem als baulich vom Resonator getrennte Einheit außerhalb des Resonators angeordnet werden. Dadurch werden der Aufbau des Resonators vereinfacht und die War­ tungsfreundlichkeit des Festkörperlasers erhöht. Der Begriff Pumplichtquelle ist dabei so zu verstehen, dass diese auch aus einer Vielzahl einzelner Lichtquellen, beispielsweise Laserdioden, aufgebaut sein kann, deren einzelne Pumplichtstrah­ len zu einem Pumplichtstrahl zusammengesetzt werden.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der bei einer longitudina­ len Pumpanordnung die Kristallscheibe zweimal durchquerende Pumplichtstrahl nur zu einem relativ geringen Anteil, in der Praxis weniger als 30%, absorbiert wird und somit effizient zum optischen Pumpen einer weiteren, im Strahlengang des reflektierten Pumplichtstrahls angeordneten Kristallscheibe verwendet werden kann. Anders als bei den im Stand der Technik bekannten longitudinal gepumpten Anordnungen wird somit das Pumplicht nicht erneut in dieselbe Kristallscheibe eingekoppelt, sondern zum Pumpen einer optisch dahinter angeordneten Kristall­ scheibe verwendet.

Vorzugsweise ist jeweils einer der Flachseiten der Kristallscheiben eine Spiegel­ fläche zugeordnet, die den Pumplichtstrahl und den Laserstrahl in die Kristall­ scheibe zurückreflektiert. Dadurch wird einerseits die optische Weglänge des Pumplichtstrahls erhöht. Andererseits ist es auch möglich, die Kristallscheiben auf einem optisch undurchlässigen gut wärmeleitenden metallischen Kühlelement aufzubauen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Kristallscheiben derart angeordnet, dass sich für den Laserstrahl ein gefalteter Strahlengang ergibt. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau des Resonators.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung absorbieren die in Ausbreitungsrichtung des Pumplichtstrahls optisch hintereinander angeordneten Kristallscheiben im Wesentlichen dieselbe Pumplichtleistung. Durch diese Maß­ nahme ist sichergestellt, dass jede der Kristallscheiben zum gesamten Festkörper­ laser mit der gleichen Laserleistung beiträgt und in gleicher Weise thermisch be­ lastet ist, so dass die konstruktive Auslegung der Kühlelemente, auf denen sich die Kristallscheiben jeweils befinden, gleich ist. Dadurch ist der konstruktive Auf­ wand verringert.

Die Egalisierung der absorbierten Pumplichtleistung geschieht vorzugsweise durch Variation der Dicke der Kristallscheiben, wobei bei Verwendung nur eines einzigen Pumplichtstrahls die Dicke der Kristallscheiben in Ausbreitungsrichtung des Pumplichtstrahls zunimmt. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist zur Egalisierung der absorbierten Pumpleistung vorgesehen, Kristallscheiben zu verwenden, deren chemische Zusammensetzung, insbesondere deren Dotie­ rung voneinander verschieden ist, wobei bei Verwendung nur eines einzigen Pumplichtstrahls die Dotierung in Ausbreitungsrichtung des Pumplichtstrahls von Kristallscheibe zu Kristallscheibe zunimmt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb des Re­ sonators zumindest ein Abbildungselement zur Fokussierung des aus einer Kri­ stallscheibe austretenden Pumplichtstrahls auf die optisch nachgeschaltete Kri­ stallscheibe angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass der aus der Kristallscheibe austretende und eine schlechte Strahlqualität, d. h. eine große Divergenz aufwei­ sende Pumplichtstrahl auch bei der nächsten Kristallscheibe vollständig zur Anre­ gung ausgenutzt wird. Der divergent aus der vorgeschalteten Kristallscheibe aus­ tretende Pumplichtstrahl wird gebündelt, so dass er mit einem vorgegebenen Strahldurchmesser auf die optisch nachgeordnete Kristallscheibe auftrifft. Dabei wird vorzugsweise der aus der vorgeordnete Kristallscheibe austretende Pumplichtstrahl auf die optisch nachfolgende Kristallscheibe abgebildet, d. h. die nachfolgende Kristallscheibe befindet sich annähernd in der Bildebene und die vorgeschaltete Kristallscheibe annähernd in der Objektebene des Abbildungsele­ mentes.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beeinflusst das Abbildungsele­ ment im Wesentlichen nur den Strahlengang des Pumplichtstrahls, da eine reso­ natorinterne Strahlformung des Laserstrahls aufgrund dessen hoher Strahlqualität nicht erforderlich ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die optische Ach­ se des Pumplichtstrahls und die optische Achse des Laserstrahls annähernd kolli­ near zueinander. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau mit wenig optischen Komponenten, da in diesem Falle die Kristallscheiben zugleich die Aus­ breitungsrichtung des Pumplichtstrahls festlegen.

Vorzugsweise ist als Abbildungselement eine Linse mit einer zentralen Öffnung vorgesehen. Dadurch wird durch das Abbildungselement nur der Strahlengang des Pumplichtstrahls beeinflußt und der Laserstrahl, dessen Divergenz gering ist, breitet sich ungestört im Resonator aus.

Alternativ hierzu kann als Abbildungselement auch eine Linse vorgesehen sein, deren Oberfläche nur in einem ringförmigen Randbereich gekrümmt ist und deren zentraler Bereich sich optisch wie eine Platte mit planparallelen Oberflächen ver­ hält.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in den Resonator ein Pumplichtstrahl mit ringförmigem Querschnitt eingekoppelt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist als Abbildungselement ein Spiegelelement mit einer wellenlängenselektiv den Laserstrahl reflektierenden und den Pumplichtstrahl transmittierenden Planfläche und einer optisch dahinter an­ geordneten reflektierenden Konkavfläche vorgesehen. Alternativ hierzu ist die Planfläche in einem zentralen Bereich verspiegelt und in einem diesen ringförmig umgebenden Bereich durchlässig für den Pumplichtstrahl.

In einer alternativen Ausführungsform beeinflusst das Abbildungselement sowohl den Strahlengang des Laserstrahls als auch den Strahlengang des Pumplicht­ strahls, wobei insbesondere zumindest einer der Resonatorspiegel eine derart gekrümmte Reflexionsfläche aufweist, dass diese gemeinsam mit den resonatorin­ ternen Abbildungselementen einen stabilen Resonator bilden.

Vorzugsweise ist zur Einkopplung des Pumplichtstrahls in den Resonator ein wel­ lenlängenselektiver Resonatorspiegel vorgesehen, der für den Laserstrahl reflek­ tierend und für den Pumplichtstrahl transmittierend ist. Dies ermöglicht eine be­ sonders einfache Einkopplung des Pumplichtsstrahles in den Resonator.

Alternativ hierzu kann zur Einkopplung des Pumplichtstrahls in den Strahlengang des Laserstrahls auch ein Strahlteiler vorgesehen sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Auskopplung des Laserstrahls ein wellenlängenselektiver Resonatorspiegel vorgesehen, der zumindest einen Teil des Laserstrahls transmittiert (auskoppelt) und den Pumplichtstrahl reflektiert. Dadurch wird eine besonders effiziente Ausnutzung der Pumpleistung erzielt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft die optische Achse des Pumplichtstrahls zumindest teilweise geneigt zur optischen Achse des Laser­ strahls, wobei das oder die Abbildungselemente zum Abbilden des Pumplicht­ strahls außerhalb des vom Laserstrahl erfassten Volumen des Resona­ tors angeordnet sind. Durch diese Maßnahme können Anordnungen bereitgestellt werden, bei denen auf einfache Weise sichergestellt werden kann, dass die zur Abbildung bzw. Fokussierung des Pumplichtstrahles erforderlichen Abbildungs­ elemente den Strahlengang des Laserstrahles nicht beeinflussen.

Vorzugsweise werden in den Resonator wenigstens zwei Pumplichtstrah­ len eingekoppelt, die sich im Resonator in einander entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Auf diese Weise ist es möglich, bei kollinearen optischen Achsen die Anzahl der in einem gefalteten Strahlengang hintereinander angeordneten Kri­ stallscheiben zu erhöhen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Festkörperlaser gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines eine Kristallscheibe enthaltenden Laser­ elementes in einem Schnitt,

Fig. 3 einen Festkörperlaser gemäß der Erfindung, bei dem zwei Pumplicht­ strahlen in den Resonator eingekoppelt werden,

Fig. 4a, b Ausführungsformen, bei denen der Pumplichtstrahl im Innern des Re­ sonators auf die Kristallscheiben mit ringförmigen Linsen fokussiert wird,

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform einer zur Fokussierung des Pumplichtstrahls geeigneten Linse,

Fig. 6 eine Ausführungsform, bei der als resonatorinterne Abbildungselemen­ te Spiegel vorgesehen sind,

Fig. 7a, b jeweils einen für die Ausführungsform gem. Fig. 6 geeigneten Spiegel in einer vergrößerten Darstellung,

Fig. 8 eine alternative Einkopplung des Pumplichtstrahls in den Resonator,

Fig. 9 eine Ausführungsform mit einem Resonatorspiegel mit gekrümmter Oberfläche,

Fig. 10 eine Ausführungsform, bei der der Strahlengang des Laserstrahls und der Strahlengang des Pumplichtstrahles nicht kollinear zueinander sind.

Gemäß Fig. 1 umfasst der Festkörperlaser vier auf ihrer Rückseite verspiegelte Kristallscheiben 2a-d, die gemeinsam mit einem als Endspiegel dienenden Reso­ natorspiegel 4 und einem als Auskoppelspiegel dienenden Resonatorspiegel 6 einen Resonator 8 mit einem gefalteten Strahlengang für einen Laserstahl L fest­ legen. Außerhalb des Resonators ist eine Pumplichtquelle 10 angeordnet, die ei­ nen Pumplichtstrahl P erzeugt, der über den Resonatorspiegel 4 in den Resona­ tor 8 eingekoppelt wird. Der als End- bzw. Einkoppelspiegel dienende Resonator­ spiegel 4 ist hierzu hochreflektierend für den Laserstrahl L und transmittierend für den Pumplichtstrahl P.

Der als Auskoppelspiegel dienende Resonatorspiegel 6 ist im Ausführungsbeispiel hochreflektierend für den Pumplichtstrahl P und teildurchlässig (5 bis 10%) für den Laserstrahl L.

Die optische Achse des Pumplichtstrahls P verläuft innerhalb des Resonators 8 kollinear zur optischen Achse des Laserstrahls L.

In der Figur ist dabei sowohl der Pumplichtstrahl P als auch der Laserstrahl L durch Wiedergabe der jeweils zugehörigen optischen Achsen dargestellt, wobei zur Erhöhung der Übersichtlichkeit die die optische Achse der Pumplichtstrahls P darstellende Linie gestrichelt und die die optische Achse des Laserstrahls L dar­ stellende Linie durchgezogen ist. Pumplichtstrahl P und Laserstrahl L bestehen in der Realität jeweils aus einem Strahlenbündel, wobei der Laserstrahl L aufgrund seiner hohen Strahlqualität ein nahezu paralleles Strahlenbündel bildet, während der Pumplichtstrahl P eine hohe Divergenz aufweist.

Gemäß Fig. 2 ist jede Kristallscheibe 2 auf einem Kühlelement 12 angeordnet, wobei zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit eine gut wärmeleitende Zwi­ schenschicht aus duktilem Metall verwendet wird, so dass ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Kühlelement 12 und der Kristallscheibe 2 gewährleistet ist. Auf ihrer dem Kühlelement 12 zugewandten Flachseite 20 ist die Kristallscheibe 2 mit einer reflektierendem Schicht 22 versehen, so daß der auf der gegenüberlie­ genden Flachseite 24 eintretende Pumplichtstrahl P nach Durchqueren der Kri­ stallscheibe 2 in deren Dickenrichtung reflektiert wird, die Kristallscheibe 2 erneut durchquert und aus der Flachseite 24 austritt. Es handelt sich hiermit um eine longitidunale Pumpanordnung, d. h. der Pumplichtstrahl P tritt an einer der Flach­ seiten, im Beispiel die Flachseite 24, der Kristallscheibe 2 ein und an einer der Flachseiten, im Beispiel aufgrund der reflexiven Anordnung ebenfalls die Flachsei­ te 24, erneut aus. Hierzu müssen die optische Achse des Pumplichtstrahls P und die Normale der Flachseite 24 nicht parallel zueinander verlaufen. Wichtig ist es nur, daß die optische Achse des Pumplichtstrahls P die Flachseite 24 der Kristall­ scheibe 2 schneidet.

Gemäß Fig. 3 sind acht Kristallscheiben 2a-2h optisch hintereinander angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Pumplichtquellen 10a, 10b vorgesehen, da die in den ersten vier Kristallscheiben 2a-d erfolgende Absorption des von der Pumplichtquelle 10a erzeugten Pumplichtstrahls Pa eine Anregung der optisch dahinterangeordneten Kristallscheiben 2e-2h nicht mehr im ausreichendem Maße gewährleistet. Die beiden Pumplichtstrahlen Pa, Pb breiten sich ineinander in ent­ gegengesetzter Richtung im Resonator 8 aus und werden an den einander entge­ gengesetzten Enden des Resonators 8 in die Resonatorspiegel 4 bzw. 6 einge­ koppelt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der als Auskoppelspiegel dienende Resonatorspiegel 6 für die Wellenlänge des Pumplichtstrahls Pa, Pb transparent ist. Zur Einkopplung des Pumplichtstrahls Pb in den Strahlengang des Laser­ strahls L ist ein außerhalb des Resonators 8 angeordneter Strahlteiler 26 vorge­ sehen.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a sind die vorstehend bereits erläuterten unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen für den Pumplichtstrahl P einerseits und für den Laserstrahl L andererseits deutlicher hervorgehoben. In einer ersten resonatorinternen Linse 30 wird der beispielsweise von einem Laserdiodenstack erzeugte Pumplichtstrahl P auf die erste Kristallscheibe 2a derart fokussiert, dass sein Querschnitt an der Flachseite 24 eine Kreisscheibe mit einem Durchmes­ ser D von beispielsweise etwa 5 mm bildet. In der auf diese Weise festgelegten Zone wird nun der Laserstrahl L erzeugt. Der auf der Rückseite der Kristallschei­ be 2a reflektierte und aus ihr austretende Pumplichtstrahl P hat eine hohe Diver­ genz und wird durch die Linse 32 auf die optisch nachgeordnete Kristallscheibe 2b fokussiert, so daß auf der Flachseite 24 dieser Kristallscheibe 2b ein Bild der vom Pumplichtstrahl P beleuchteten Fläche der Kristallscheibe 2a erzeugt wird. Der Laserstrahl L hat einen Durchmesser, der in etwa dem Durchmesser der beleuch­ teten Fläche entspricht und ist in der Figur der Übersichtlichkeit halber nur als mit der optischen Achse beider Strahlen P, L zusammenfallende Linie dargestellt. Die im Ausführungsbeispiel verwendeten Linsen 30, 32 sind im Bereich der optischen Achse hohl, d. h. als Ringlinsen ausgebildet, so daß sie keine Abbildung oder Fo­ kussierung des Laserstrahls L bewirken und keine Wirkung auf die den Laser­ strahl L beeinflussenden Eigenschaften des Resonators 8 haben.

Der Pumplichtstrahl P hat gemäß dem Ausführungsbeispiel vorzugsweise einen ringförmigen Querschnitt, so dass der gesamte Pumplichtstrahl P von den Linsen 30, 32 erfasst und fokussiert wird.

Um sicherzustellen, dass die von jeder Kristallscheibe 2a-d absorbierte Pumplei­ stung trotz der von Kristallscheibe zu Kristallscheibe abnehmenden Intensität des Pumplichtstrahls gleich groß ist, nimmt die Dicke d_a-d_d der Kristallscheiben 2a-d mit wachsender Anzahl der jeweils vorgeordneten Kristallscheiben zu, d. h. d_a<d_b<d_c<d_d, wie dies in der Figur schematisch veranschaulicht ist. Die Variation der Dicke ist an die konkreten Ausbreitungsverhältnisse für den Pumplichtstrahl im Resonator 8 anzupassen. In der Anordnung gemäß Fig. 3 nimmt deshalb die Dic­ ke der Kristallscheiben jeweils zur Mitte des Resonators hin zu, so daß in dieser Anordnung die mittig angeordneten Kristallscheiben eine größere Dicke als die resonatorendseitig angeordneten Kristallscheiben haben. Alternativ hierzu kann auch die chemische Zusammensetzung, d. h. die Dotierung entsprechend einge­ stellt werden.

Gemäß Fig. 4b ist anstelle eines resonatorextern ein paralleles Bündel bildenden Pumplichtstrahles ein von der Pumplichtquelle 10 erzeugter divergenter Pumplichtstrahl P vorgesehen, der über eine resonatorexterne Linse 31 auf den Resonatorspiegel abgebildet wird, so daß er sich ausgehend von diesem resona­ torintern in gleicher Weise ausbreitet wie der von den Kristallscheiben 2a (-d) je­ weils ausgehende Pumplichtstrahl. Dadurch können die resonatorintern zu seiner Abbildung verwendeten Linsen 32 identisch sein.

Als resonatorinternes Abbildungselement kann anstelle einer Linse mit einer zen­ tralen Öffnung auch gemäß Fig. 5 eine Linse 34 vorgesehen sein, die nur in einem ringförmigen Bereich 42 gekrümmte Oberfläche 44 aufweist, in ihrem zentralen Bereich 46 jedoch mit planen Oberflächen 48 versehen ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 umfaßt der Festkörperlaser vier Kristall­ scheiben 2a-2d, die in einer Reihe angeordnet sind, und denen gegenüberliegend jeweils ein Spiegelelement 50a-50d zugeordnet ist. Sowohl der auf einer der Kri­ stallscheiben 2a-2d austretende Laserstrahl L als auch der Pumplichtstrahl P wer­ den vor ihrem erneuten Eintritt in die optisch dahinter angeordnete Kristallschei­ be 2a-2d an dem Spiegelelement 50a-d reflektiert.

Gemäß Fig. 7a ist das Spiegelelement 50 an seiner den Kristallscheiben zuge­ wandten Oberfläche 52 als Planspiegel an seiner in Ausbreitungsrichtung des La­ serstrahls L oder des Pumplichtstrahls P dahinterliegenden Oberfläche 54 aus­ gebildet, wobei die Oberfläche 52 für den Laserstrahl L hochreflektierend und für den Pumplichtstrahl P transmittierend und die rückseitige Oberfläche 54 für den Pumplichtstrahl P hochreflektierend ist. Auf diese Weise kann der Pumplicht­ strahl P refokussiert werden, ohne dass hiermit eine Strahlformung des Laser­ strahls L einhergeht.

Alternativ hierzu kann gemäß Fig. 7b in Analogie zu den Ausführungsbeispielen, bei denen Linsen zur Abbildung eingesetzt werden, eine räumlich variierende Ver­ spiegelung der Oberfläche 52 vorgesehen sein, die nicht wellenlängenselektiv sein muss, beispielsweise eine lediglich an den Durchmesser des Laserstrahls L angepaßte scheibenförmige zentrale Verspiegelung 56 der Oberfläche 52 und eine vollständige Verspiegelung der Oberfläche 54. Mit anderen Worten: Die Oberfläche 52 ist in einem ringförmigen Bereich außerhalb der Verspiegelung 56 hochtransmittierend für den Pumplichtstrahl P und an der rückseitigen Oberflä­ che 54 zumindest für den Pumplichtstrahl P hochreflektierend.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 wird der Pumplichtstrahl nicht durch einen der Resonatorspiegel 4, 6 sondern quer zum Laserstrahl L mittels eines Strahltei­ lers 60 eingekoppelt. Eine solche Einkopplung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Vielzahl, beispielsweise mehr als 8 Kristallscheiben optisch gekoppelt werden, so dass auch eine beidseitige Einkopplung eines Pumplichtstrahls P nicht mehr zur Anregung der in der Mitte des Resonators 8 angeordneten Kristallschei­ ben ausreicht. In diesem Falle kann durch einen solchen innerhalb des Resona­ tors 8 angeordneten Strahlteiler 60 an beliebiger Stelle Pumplicht in den Strahlen­ gang des Laserstrahls L eingekoppelt werden.

Eine Einkopplung mit einem Strahlteiler 60 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 vorgesehen, bei dem zumindest einer der Resonatorspiegel 4, 6 mit einer gekrümmten reflektierenden Oberfläche 61 versehen ist, so daß ein stabiler Re­ sonator entsteht. In diesem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass durch die zur Fokussierung des Pumplichtstrahls P verwendeten resonatorinternen Ab­ bildungselemente, im Beispiel Linsen 62, 63 die im Unterschied zu der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 5 im zentralen Bereich eine gekrümmte Oberfläche aufwei­ sen, auch eine Strahlformung des Laserstrahls L durchgeführt wird. Durch die Verwendung eines entsprechend strahlformenden Resonatorspiegel ergibt sich ein Resonator mit den jeweils gewünschten strahlformenden Eigenschaften.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 verlaufen die optischen Achsen des La­ serstrahls L geneigt zu den optischen Achsen des Pumplichtsstrahls P, d. h. die beiden optischen Achsen sind nicht kollinear. Dies ist in der Figur durch die Win­ kel α1, α2 zwischen den die Oberfläche 24 schneidenden optischen Achsen des Laserstrahls L und Pumplichtstrahls P veranschaulicht. Hierzu ist jeder Kristall­ scheibe 2a-2c eine Umlenkspiegeleinheit 64a-c zugeordnet, der den mit geringem Winkel β zur Normalen aus der Oberfläche der Kristallscheibe 2a-2c austretenden Laserstrahl L umlenkt und über den der optisch nachgeordneten Kristallschei­ be 2a-2c zugeordneten Umlenkspiegel 64a-c auf diese Kristallscheibe 2a-c proji­ ziert. Der Pumplichtstrahl P trifft unter einem größeren Einfallswinkel α1+β auf die Kristallscheiben 2a-c auf, so daß sich Pumplichtstrahl P und Laserstrahl L nur in einem kleinen Bereich in der Nähe der Kristallscheibe 2a-c überlappen. Aufgrund der zueinander geneigten optischen Achsen erfolgt eine Trennung von Pumplichtstrahl P und Laserstrahl L, so daß die zur Weiterleitung des Pumplicht­ strahls P auf die nächste Kristallscheibe 2a-c erforderlichen optischen Abbildungs­ elemente außerhalb des Strahlengangs des Laserstrahls L angeordnet werden können. Im Ausführungsbeispiel ist hierzu jeweils ein Konkavspiegel 66 vorgese­ hen. Außerdem ist zur Einkopplung des Pumplichtstrahls P in den Resonator 8 weder ein Strahlteiler noch ein entsprechend durchlässiger Resonatorspiegel er­ forderlich.

Bezugszeichenliste

2

;

2

a-

2

h Kristallscheibe

4

,

6

Resonatorspiegel

8

Resonator

10

,

10

a,

10

b Pumplichtquelle

12

Kühlelement

20

,

24

Flachseite

22

Schicht

26

Strahlteiler

30

,

31

,

32

Linse

34

Öffnung

42

ringförmiger Bereich

44

Oberfläche (gekrümmt)

46

zentraler Bereich

48

Oberfläche (plan)

50

;

50

a-

50

d Spiegelelement

52

Oberfläche (plan)

54

Oberfläche (konkav)

56

Verspiegelung

60

Strahlteiler

61

gekrümmte Oberfläche

62

,

63

Linse

64

a-c Umlenkspiegeleinheit

66

Konkavspiegel
L Laserstrahl
P; Pa, Pb Pumplichtstrahl
D Durchmesser
α1, α2, β

Claims (21)

1. Festkörperlaser mit einem aktiven Medium zum Erzeugen eines Laser­ strahls (L), das aus einer Mehrzahl von in einem Resonator (8) angeordneter und miteinander optisch gekoppelter und einen gemeinsamen Strahlengang für den Laserstrahl (L) bildender Kristallscheiben (2; 2a-h) besteht, und mit ei­ ner Pumplichtquelle (10; 10, 10b) zum Erzeugen eines Pumplicht­ strahls (P; Pa, Pb), dessen optische Achse die Flachseiten (20, 24) mehrerer optisch hintereinander angeordneter Kristallscheiben (2a-2h) schneidet.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, bei dem jeweils einer der Flachseiten (20) der Kristallscheiben (2; 2a-h) eine Spiegelfläche (22) zugeordnet ist, die den Pumplichtstrahl (P; Pa, Pb) und den Laserstrahl (L) in die Kristallscheibe (2; 2a-2h) zurückreflektiert.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 2, bei dem die Kristallscheiben (2; 2c-2h) der­ art angeordnet sind, dass sich für den Laserstrahl (L) ein gefalteter Strahlen­ gang ergibt.

4. Festkörperlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in Ausbreitungsrichtung des Pumplichtstrahls (P; Pa, Pb) optisch hintereinander angeordneten Kristallscheiben (2; 2a-2h) im wesentlichen dieselbe Pumplicht­ leistung absorbieren.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 4, bei dem zur Egalisierung der absorbierten Pumplichtleistung die Dicke (d) der Kristallscheiben (2; 2a-2h) voneinander verschieden ist.

6. Festkörperlaser nach Anspruch 4 oder 5, bei dem zur Egalisierung der absor­ bierten Pumplichtleistung die chemische Zusammensetzung der Kristallschei­ ben (2; 2a-2h) voneinander verschieden ist.

7. Festkörperlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem inner­ halb des Resonators (8) zumindest ein Abbildungselement (30, 32; 40; 50; 50a-d; 64) zur Fokussierung des aus einer Kristallscheibe (2; 2a-h) austretenden Pumplichtstrahls (P; Pa, Pb) auf die optisch nachgeschaltete Kristallscheibe angeordnet ist.

8. Festkörperlaser nach Anspruch 7, bei dem das Abbildungsele­ ment (30, 32, 40,64) im wesentlichen nur den Strahlengang des Pumplicht­ strahls (P; Pa, Pb) beeinflusst.

9. Festkörperlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die op­ tische Achse des Pumplichtstrahls (P; Pa, Pb) und die optische Achse des La­ serstrahls (L) annähernd kollinear zueinander sind.

10. Festkörperlaser nach Anspruch 9, bei dem als Abbildungselement eine Lin­ se (30, 32) mit einer zentralen Öffnung (34) vorgesehen ist.

11. Festkörperlaser nach Anspruch 9, bei dem als Abbildungselement eine Lin­ se (40) vorgesehen ist, deren Oberfläche (44) nur in einem ringförmigen Randbereich (42) gekrümmt ist.

12. Festkörperlaser nach Anspruch 10 oder 11, bei dem ein Pumplichtstrahl (P) mit ringförmigem Querschnitt in den Resonator (8) eingekoppelt wird.

13. Festkörperlaser nach Anspruch 9, bei dem als Abbildungselement ein Spiegel­ element (50; 50a-d) mit einer wellenlängenselektiv den Laserstrahl (L) reflek­ tierenden und den Pumplichtstrahl (P) transmittierenden Planfläche (52) und einer optisch dahinter angeordneten reflektierenden Konkavfläche (54) vorge­ sehen ist.

14. Festkörperlaser nach Anspruch 9, bei dem als Abbildungselement ein Spiegel­ element (50; 50a-d) vorgesehen ist, das eine in einem zentralen Bereich mit einer Verspiegelung (56) versehene Planfläche (52) und eine optisch dahinter angeordnete reflektierende Konkavfläche (54) aufweist.

15. Festkörperlaser nach Anspruch 7, bei dem das Abbildungselement (62, 63) sowohl den Strahlengang des Laserstrahls (L) als auch den Strahlengang des Pumplichtstrahls (P) beeinflusst.

16. Festkörperlaser nach Anspruch 15, bei dem zumindest einer der Resonator­ spiegel (4, 6) eine derart gekrümmte Reflexionsfläche aufweist, dass diese gemeinsam mit dem resonatorinternen Abbildungselement (62, 63) einen stabi­ len Resonator bilden.

17. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem zur Einkopplung des Pumplichtstrahls (P; Pa, Pb) in den Resonator (8) ein wellenlängenselekti­ ver Resonatorspiegel (4, 6) vorgesehen ist, der für den Laserstrahl reflektie­ rend und für den Pumplichtstrahl transmittierend ist.

18. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem zur Einkopplung des Pumplichtstrahls (P; Pa, Pb) in den Strahlengang des Laserstrahls (L) ein Strahlteiler (60) vorgesehen ist.

19. Festkörperlaser nach Anspruch 17 oder 18, bei dem der zur Auskopplung des Laserstrahls (L) ein wellenlängenselektiver Resonatorspiegel (6) vorgesehen ist, der zumindest einen Teil des Laserstrahls (L) transmittiert und den Pumplichtstrahl (P) reflektiert.

20. Festkörperlaser nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die optische Achse des Pumplichtstrahls (P) zumindest teilweise geneigt zur optischen Achse des La­ serstrahls (L) verläuft und das oder die Abbildungselemente (64) zum Abbil­ den des Pumplichtstrahls (P) außerhalb des vom Laserstrahl (L) erfassten Volumen des Resonators (8) angeordnet sind.

21. Festkörperlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei denen in den Resonator (8) zwei Pumplichtstrahlen (Pa, Pb) eingekoppelt werden, die sich im Resonator (8) in einander entgegengesetzte Richtungen ausbreiten.