DE19927918A1 - Diode-pumped solid body laser used in ophthalmology comprises an acoustic-optical modulator, a laser crystal, a delay plate and a crystal that doubles the frequency of the laser beam - Google Patents

Diode-pumped solid body laser used in ophthalmology comprises an acoustic-optical modulator, a laser crystal, a delay plate and a crystal that doubles the frequency of the laser beam

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Abstract

Diode-pumped solid body laser comprises an acoustic-optical modulator (2), a laser crystal (1), a delay plate (8) and a crystal that doubles the frequency of the laser beam. Pulse lengthening is carried out by internal coupling of a doubler mechanism within the laser resonator Preferred Features: The end surface of the laser crystal is formed as an end mirror limiting the laser resonator. The mirror is highly reflective for the laser beam. Crystals of SiO2 or TeO2 are provided for the acoustic-optical modulator.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gütegeschalteten, diodengepumpten Festkörperlaser, der gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs ausgebildet ist, insbesondere für Anwendungen in der Medizin, speziell in der Ophthalmologie.The invention relates to a Q-switched, diode-pumped Solid-state laser, which is designed according to the preamble of the first claim, in particular for applications in medicine, especially in ophthalmology.

Diodengepumpte und frequenzverdoppelte Festkörperlaser sind in vielen Bereichen der Forschung, Technik und Medizin weit verbreitet. Konstruktionsbedingt zeichnen sie sich gegenüber blitzlampengepumpten Systemen durch einen höheren Wirkungsgrad, kompaktere Bauweise und geringere Anforderungen an die Kühlung aus. Die Güteschaltung solcher Lasersysteme dient der Erzeugung kurzer Pulse. Eine aktive, d. h. steuerbare Güteschaltung kann im allgemeinen durch elektrooptische Modulation der Laserresonatorverluste erreicht werden. Die Methode ist nicht anwendbar, wenn der Polarisationszustand des Lichtes im Innern des Laserresonators unbestimmt ist. In bestimmten Fällen ist jedoch ein unbestimmter Polarisationszustand für eine effektive Frequenzverdopplung notwendig.Diode-pumped and frequency-doubled solid-state lasers are used in many areas Research, technology and medicine widely used. Due to their design, they stand out compared to flash lamp pumped systems due to a higher efficiency, more compact design and lower cooling requirements. The Q-switching such laser systems is used to generate short pulses. An active, i.e. H. controllable Q-switching can generally by electro-optical modulation of the Laser resonator losses can be achieved. The method is not applicable if the The polarization state of the light inside the laser resonator is undetermined. In In certain cases, however, an indefinite state of polarization is necessary for an effective one Frequency doubling necessary.

Für technische und medizinische Anwendungen kann es notwendig sein, die kurzen Lichtimpulse des gütegeschalteten Lasers kontrolliert zu verlängern. Ein Beispiel dafür ist in der Augenheilkunde die Mikrosekunden-PRP (Panretinale-Photokoagulation).For technical and medical applications, the short ones may be necessary Extend light pulses from the Q-switched laser in a controlled manner. An example for is the microsecond PRP (panretinal photocoagulation) in ophthalmology.

Methoden und Anordnungen zur Verlängerung der Dauer von Laserimpulsen bei diodengepumpten Festkörperlasern sind bekannt, wobei besonders auf folgende Literatur hingewiesen wird:
[1] IEEE Journal of Quantum Elektronics, Vol QE-16, No. 7, July 1980, Seiten 790-794;
[2] DE 44 01 917 A1; DE 44 01 917 C2;
[3] Applied Physics Letters, Vol. 18, No. 4, 15 February 1971, Seiten 129-130;
[4] Journal of Applied Physics, Vol. 41, No. 2, February 1970, Seiten 609-613.Methods and arrangements for extending the duration of laser pulses in diode-pumped solid-state lasers are known, with particular reference to the following literature:
[1] IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol QE-16, No. 7, July 1980, pages 790-794;
[2] DE 44 01 917 A1; DE 44 01 917 C2;
[3] Applied Physics Letters, Vol. 18, No. 4, February 15, 1971, pages 129-130;
[4] Journal of Applied Physics, Vol. 41, No. 2, February 1970, pages 609-613.

Hier ist wesentlich, daß die in [1] und [2] beschriebenen Verfahren einen bestimmten Polarisationszustand des Lichtes voraussetzen und außerdem eine umfangreiche elektronische Steuerung und Rückkopplung notwendig machen. Daraus ist auch bekannt, daß innerhalb des Laserresonators angeordnete nichtlineare Kristalle zur einer Pulsverlängerung beitragen können, sofern der nichtlineare Kristall in geeigneter Winkellage zur Polarisationsebene der Fundamentalwelle orientiert ist ([2], Spalte 1). Dabei wird auch das nichtlineare Verhalten des innerhalb des Laserresonators angeordneten Kristalls ausgenutzt. Die Benutzung von Pockelszellen zur Pulsverlängerung ist ebenfalls aus [2] bekannt. Die Güteschaltung mittels Pockelszellen verlangt jedoch einen gerichteten Polarisationszustand des Lichtes und außerdem eine relativ aufwendige elektronische Steuerung und Rückkopplung. Außerdem werden Pockelszellen mit Hochspannungen im Bereich bis 10 kV betrieben, was insbesondere für Laseranwendungen in der Medizin ungünstig ist und nicht gewünscht wird.It is essential here that the methods described in [1] and [2] have a certain Assume polarization state of light and also extensive make electronic control and feedback necessary. That is also  known that arranged within the laser resonator nonlinear crystals to one Pulse lengthening can help provided the nonlinear crystal is more appropriate Angular position to the polarization plane of the fundamental wave is oriented ([2], column 1). The non-linear behavior of the inside of the laser resonator arranged crystal exploited. The use of Pockels cells for Pulse extension is also known from [2]. Quality control using Pockels cells however requires a directional state of polarization of the light and also one relatively complex electronic control and feedback. Also be Pockels cells operated with high voltages in the range up to 10 kV, which in particular is unfavorable for laser applications in medicine and is not desired.

Es ist aus [2] ferner bekannt, neben der Verlängerung der Pulsdauer auch Möglichkeiten der Pulsformung auszunutzen, in dem Sinne, daß flachere Pulse erzeugt werden. Eine derartige Pulsformung und Verlängerung wird besonders bei hohen, durch eine oder mehrere Quarzfasern zu übertragenden Strahlungsleistungen erforderlich, um die Fasern nicht zu beschädigen.It is also known from [2], in addition to the extension of the pulse duration, also possibilities exploit pulse shaping in the sense that flatter pulses are generated. A such pulse shaping and elongation is particularly high, by one or several quartz fibers required to transmit the radiation powers Do not damage fibers.

Bei der in [3] beschriebenen Methode ist dieser hohe Aufwand nicht erforderlich, wobei allerdings die großen Vorteile der diodengepumpten Festkörperlaser nicht ausgenutzt werden.With the method described in [3] this high effort is not necessary, whereby however, the great advantages of the diode-pumped solid-state laser were not exploited become.

Bei den in der genannten Literatur beschriebenen Methoden und Anordnungen erfolgt die Pulsverlängerung mittels überkoppelter, interner Frequenzverdopplung ([3] und [4]).The methods and arrangements described in the literature mentioned are carried out pulse extension by means of coupled internal frequency doubling ([3] and [4]).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen gütegeschalteten, diodengepumpten und frequenzverdoppelten Festkörperlaser zu schaffen, bei welchem besonders einfach und effizient eine Verlängerung der Laserimpulse realisiert ist.The object of the invention is therefore to provide a Q-switched, to create diode-pumped and frequency-doubled solid-state lasers, in which an extension of the laser pulses is particularly simple and efficient.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem diodengepumpten Festkörperlaser mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs angegebenen Mitteln erreicht. In den weiteren Ansprüchen sind Einzelheiten der Erfindung dargelegt.According to the invention, this object is achieved with a diode-pumped solid-state laser achieved the means specified in the characterizing part of the first claim. In the further claims details of the invention are set forth.

Die Güteschaltung des Lasers mit einem akusto-optischen Modulator anstelle einer elektrooptischen Anordnung hat dem Vorteil, daß ein gerichteter Polarisationszustand der Strahlung des Lasers und Hochspannungen zum Betrieb des akusto-optischen Modulators nicht erforderlich sind. Auch können akusto-optische Modulatoren wesentlich kleiner als Pockelszellen hergestellt werden, was einer Verwendung von akusto­ optischen Modulatoren in kompakten, diodengepumpten Festkörperlasern entgegenkommt. Es ist vorteilhaft, wenn zwischen dem Verdopplerkristall und dem akusto-optischen Modulator eine Verzögerungsplatte im Form einer λ/4- oder λ/8-Platte angeordnet ist. Damit kann im Laserresonator auf der Grundfrequenz Strahlung mit veränderlicher Polarisation erzeugt werden.Q-switching the laser with an acousto-optical modulator instead of one electro-optical arrangement has the advantage that a directional polarization state  the radiation of the laser and high voltages for the operation of the acousto-optical Modulators are not required. Also acousto-optical modulators can be essential can be made smaller than Pockels cells, which requires the use of acousto optical modulators in compact, diode-pumped solid-state lasers accommodates. It is advantageous if between the doubler crystal and the acousto-optical modulator a delay plate in the form of a λ / 4 or λ / 8 plate is arranged. This allows radiation in the laser resonator at the fundamental frequency variable polarization are generated.

So ist es auch vorteilhaft, wenn der akusto-optische Modulator zwischen der Verzögerungsplatte und dem frequenzverdoppelnden Kristall angeordnet ist und auf seiner dem frequenzverdoppelnden Kristall zugewandten Fläche für die frequenzverdoppelte Strahlung hochverspiegelt ist. Als Werkstoff für den akusto­ optischer Modulator kann vorteilhaft Te O2 oder Si O2 Anwendung finden. Durch die für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierende Beschichtung der dem frequenzverdoppelnden Element zugewandten Fläche des akusto-optischen Modulators wird erreicht, daß auch der Teil der frequenzverdoppelten Strahlung, welche in Richtung des akusto-optischen Modulators abgestrahlt wird, in Richtung des End- oder Auskoppelspiegels reflektiert und somit der Auskopplung zugeführt wird.It is also advantageous if the acousto-optical modulator is arranged between the delay plate and the frequency-doubling crystal and is highly mirrored for the frequency-doubled radiation on its surface facing the frequency-doubling crystal. Te O 2 or Si O 2 can advantageously be used as the material for the acousto-optical modulator. The highly reflective coating for the frequency-doubled radiation of the surface of the acousto-optic modulator facing the frequency-doubling element ensures that that part of the frequency-doubled radiation which is emitted in the direction of the acousto-optic modulator is reflected in the direction of the final or decoupling mirror and thus the coupling is fed.

Es ist vorteilhaft im Sinne einer kompakten Bauweise des Lasers, daß eine Endfläche des Laserkristalls als ein den Laserresonator begrenzender Endspiegel ausgebildet ist, der für die Strahlung der Grundfrequenz hochreflektierend ist. Diese Endfläche des Laserkristalls ist weiterhin für die von der Pumpstrahlungsquelle emittierte Pumpstrahlung hochgradig transparent.It is advantageous in the sense of a compact construction of the laser that an end surface the laser crystal is designed as an end mirror delimiting the laser resonator, which is highly reflective for the radiation of the fundamental frequency. This end face of the Laser crystal is still for that emitted by the pump radiation source Pump radiation highly transparent.

Um eine besonders effiziente Frequenzverdopplung und ein effektives Güteschalten des Lasers zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Strahlungsführung innerhalb des Laserresonators so vorgesehen ist, daß mindestens ein Strahlungsfokus ausgebildet ist, in welchem der Verdopplerkristall oder der als Güteschalter dienende akusto-optische Modulator angeordnet sind. Vorteilhaft ist es auch, wenn mehrere Strahlungsfoki innerhalb des Laserresonators vorgesehen sind, in denen der Verdopplerkristall und der akusto-optische Modulator angeordnet sind. In order to achieve particularly efficient frequency doubling and effective switching of the To achieve laser, it is advantageous if the radiation guidance within the Laser resonator is provided so that at least one radiation focus is formed, in which the doubler crystal or the acousto-optic serving as a quality switch Modulator are arranged. It is also advantageous if several radiation foci are provided within the laser resonator, in which the doubler crystal and acousto-optical modulator are arranged.  

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist schematisch ein erfindungsgemäß aufgebauter, diodengepumpter Festkörperlaser dargestellt.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawing is a schematic of a diode pumped according to the invention Solid-state laser shown.

Der erfindungsgemäße, gütegeschaltete, diodengepumpte Festkörperlaser umfaßt einen Laserkristall 1, dem ein als Güteschalter dienender akusto-optischer Modulator 2 nachgeordnet ist. Zur Erzeugung der notwendigen Pumpstrahlung 3 ist eine Pumpstrahlungsquelle 4, beispielsweise eine oder mehrere Laserdioden oder eine andere geeignete Strahlungsquelle, dem Laserkristall 1 vorgeordnet. Die den Laserkristall 1 anregende Pumpstrahlung 3 kann dabei direkt (Zeichnung) oder indirekt, unter Zwischenschaltung entsprechender Lichtleiter oder anderer optischer Übertragungsmittel (nicht dargestellt) übertragen, und dann durch eine Endfläche des Laserkristalls 1, die der Pumpstrahlungsquelle zugewandt ist, in den Laserkristall 1 eingekoppelt werden. Durch die Verwendung von Lichtleitern ist ferner die Möglichkeit gegeben, die Pumpstrahlungsquelle 4 und den Laserkristall 1 getrennt voneinander anzuordnen und so flexiblere Aufbauten zu realisieren. Die eine Endfläche 5.1 ist dabei mit einer Beschichtung versehen, die für die Pumpstrahlung 4 hochgradig transparent, für die durch den Laserkristall 1 emittierte Strahlung der Lasergrundfrequenz jedoch hochreflektierend ist. Diese Endfläche 5.1 stellt die eine Begrenzungsfläche für den Laserresonator 6 dar, die andere Begrenzungsfläche wird durch den Auskoppelspiegel 7 gebildet. Die andere Endfläche 5.2 des Laserkristalls 1 weist eine Beschichtung auf, welche für die Grundwellenstrahlung transparent und für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierend ist.The Q-switched, diode-pumped solid-state laser according to the invention comprises a laser crystal 1 , which is followed by an acousto-optical modulator 2 serving as a Q-switch. To generate the necessary pump radiation 3 , a pump radiation source 4 , for example one or more laser diodes or another suitable radiation source, is arranged upstream of the laser crystal 1 . The pump radiation 3 which excites the laser crystal 1 can be transmitted directly (drawing) or indirectly, with the interposition of appropriate light guides or other optical transmission means (not shown), and then coupled into the laser crystal 1 through an end face of the laser crystal 1 which faces the pump radiation source become. Through the use of light guides, there is also the possibility of arranging the pump radiation source 4 and the laser crystal 1 separately from one another and thus realizing more flexible structures. One end face 5.1 is provided with a coating that is highly transparent to the pump radiation 4 , but is highly reflective for the radiation of the fundamental laser frequency emitted by the laser crystal 1 . This end surface 5.1 represents one boundary surface for the laser resonator 6 , the other boundary surface is formed by the coupling mirror 7 . The other end face 5.2 of the laser crystal 1 has a coating which is transparent for the fundamental wave radiation and highly reflective for the frequency-doubled radiation.

Im Resonator 6 sind ferner dem akusto-optischen Modulator 2 eine Verzögerungsplatte 8, z. B. eine λ/4- oder λ/8-Platte, und ein frequenzverdoppelnder Kristall 9 nachgeordnet. Die Verzögerungsplatte 8 dient vorallem der Stabilisierung der Ausgangsleistung des Lasers und, bei bestimmten Kristalltypen, auch zur effizienten Frequenzverdopplung. Es können weiterhin eine Fokussieroptik 10, beispielsweise eine Fokussierlinse oder andere geeignete Elemente, zwischen der Verzögerungsplatte 8 und dem frequenzverdoppelnden Kristall 9 vorgesehen sein.In the resonator 6 are also the acousto-optical modulator 2, a delay plate 8 , z. B. a λ / 4 or λ / 8 plate, and a frequency doubling crystal 9 downstream. The delay plate 8 mainly serves to stabilize the output power of the laser and, for certain crystal types, also for efficient frequency doubling. Furthermore, focusing optics 10 , for example a focusing lens or other suitable elements, can be provided between the delay plate 8 and the frequency-doubling crystal 9 .

Die Güteschaltung des Festkörperlasers wird mit Hilfe des akusto-optischen Modulators 2 realisiert, wobei als Kristallwerkstoffe z. B. Te O2 oder Si O2 zur Anwendung kommen. So ist es auch wesentlich, daß der akusto-optische Modulator 2 an seiner, dem frequenzverdoppelnden Kristall 9 zugewandten Fläche eine Beschichtung 11 besitzt, welche hochreflektierend für die frequenzverdoppelte Strahlung ist und welche bewirkt, daß auch der Teil dieser Strahlung, der in Richtung des akusto-optischen Modulators 2 abgestrahlt wird, in Richtung des Auskoppelspiegels 7 zurückreflektiert und somit der Auskopplung zugeführt wird.The Q-switching of the solid-state laser is realized with the aid of the acousto-optical modulator 2 , with z. B. Te O 2 or Si O 2 are used. It is also essential that the acousto-optical modulator 2 has a coating 11 on its surface facing the frequency-doubling crystal 9 which is highly reflective for the frequency-doubled radiation and which also causes that part of this radiation which is in the direction of the acousto -optical modulator 2 is emitted, reflected back in the direction of the coupling-out mirror 7 and thus fed to the coupling-out.

Der frequenzverdoppelnde Kristall 9 besitzt ferner an seinen beiden Endflächen eine für die frequenzverdoppelte und die Grundwellenstrahlung hochtransparente Beschichtung 9.1 und 9.2, welche jedoch für die Strahlung mit der Grundfrequenz des Laserkristalls 1 hochtransparent ist.The frequency-doubling crystal 9 also has at its two end faces a coating 9.1 and 9.2 which is highly transparent for the frequency-doubled and the fundamental wave radiation, but which is highly transparent for the radiation with the fundamental frequency of the laser crystal 1 .

Als Werkstoffe für den frequenzverdoppelnden Kristall 6 können bekannterweise KTP, KDP, BBO, Li Nb O3 oder Ba2 Na Nb5 O15 Anwendung finden. Der Laserkristall 1 ist auf der dem akusto-optischen Modulator 2 zugewandten Fläche durch die Beschichtung 5.2 für die Grundwellenstrahlung entspiegelt und für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierend ausgebildet.As is known, KTP, KDP, BBO, Li Nb O 3 or Ba 2 Na Nb 5 O 15 can be used as materials for the frequency-doubling crystal 6 . The laser crystal 1 is anti-reflective on the surface facing the acousto-optic modulator 2 by the coating 5.2 for the fundamental wave radiation and is highly reflective for the frequency-doubled radiation.

Claims (7)

1. Gütegeschalteter, diodengepumpter Festkörperlaser mit einer Pumpstrahlungsquelle und eine nachgeordnete, das Pumplicht auf den Laserkristall fokussierende Optik, umfassend innerhalb eines durch reflektierende Flächen begrenzten Laserresonators
  • - einen Laserkristall,
  • - eine Verzögerungsplatte,
  • - und einen die Laserstrahlung frequenzverdoppelnden Kristall,
dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsverlängerung durch interne Überkopplung des Verdopplermechanismus innerhalb des Laserresonators erfolgt und daß als Güteschalter ein akusto-optischer Modulator vorgesehen ist.1. Q-switched, diode-pumped solid-state laser with a pump radiation source and a downstream optics focusing the pump light on the laser crystal, comprising within a laser resonator delimited by reflecting surfaces
  • - a laser crystal,
  • - a delay plate,
  • and a crystal which doubles the frequency of the laser radiation,
characterized in that the pulse extension takes place through internal coupling of the doubler mechanism within the laser resonator and that an acousto-optical modulator is provided as a Q-switch. 2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der akusto-optische Modulator zwischen der Verzögerungsplatte und dem Laserkristall angeordnet ist und auf seiner dem frequenzverdoppelnden Kristall zugewandten Fläche für die frequenzverdoppelte Strahlung hochverspiegelt ist.
2. Solid-state laser according to claim 1, characterized in that
  • - That the acousto-optical modulator is arranged between the delay plate and the laser crystal and is highly mirrored on its surface facing the frequency-doubling crystal for the frequency-doubled radiation.
3. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Endfläche des Laserkristalls als ein den Laserresonator begrenzender Endspiegel ausgebildet ist, der für die Laserstrahlung hochreflektierend ist.
3. Solid-state laser according to claim 1, characterized in that
  • - That an end surface of the laser crystal is designed as an end mirror delimiting the laser resonator, which is highly reflective for the laser radiation.
4. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Strahlungsführung innerhalb des Laserresonators so vorgesehen ist, daß mindestens ein Strahlungsfokus gebildet ist, in welchem der Verdopplerkristall oder der akusto-optische Modulator angeordnet sind.
4. Solid-state laser according to at least one of the preceding claims, characterized in
  • - That the radiation guide is provided within the laser resonator so that at least one radiation focus is formed, in which the doubler crystal or the acousto-optical modulator are arranged.
5. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß mehrere Strahlungsfoki innerhalb des Laserresonators so vorgesehen ist, in welchen der Verdopplerkristall und der akusto-optische Modulator angeordnet sind.
5. Solid-state laser according to at least one of the preceding claims, characterized in
  • - That several radiation foci are provided within the laser resonator, in which the doubler crystal and the acousto-optical modulator are arranged.
6. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß für den akusto-optischer Modulator Kristalle aus Si O2 oder Te O2 vorgesehen sind.
6. Solid-state laser according to at least one of the preceding claims, characterized in that
  • - That crystals of Si O 2 or Te O 2 are provided for the acousto-optical modulator.
7. Festkörperlaser nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der akusto-optische Modulator zwischen der Verzögerungsplatte und dem Laserkristall angeordnet ist und auf beiden Seiten für die frequenzverdoppelte Strahlung als auch für die Strahlung auf der Grundfrequenz entspiegelt ist und der Laserkristall auf der dem akusto-optischen Modulator zugewandten Seite für die Grundwellenstrahlung entspiegelt und für die frequenzverdoppelte Strahlung hochreflektierend verspiegelt ist.
7. Solid-state laser according to at least one of the preceding claims, characterized in that
  • - That the acousto-optical modulator is arranged between the delay plate and the laser crystal and is anti-reflective on both sides for the frequency-doubled radiation and for the radiation at the fundamental frequency and the anti-reflective coating on the side facing the acousto-optical modulator for the fundamental wave radiation and is highly reflective mirrored for the frequency-doubled radiation.
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