DE19938555A1 - Optisch gepumpter Festkörperlaser mit einem Lasermedium - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit einem Lasermedium, das von einem Pumpstrahlungsreflektor umgeben ist, der mindestens eine Öffnung zum Einkoppeln von Pumpstrahlung, die von einer Pumpstrahlungsquelle abgestrahlt ist, in den Pumpstrahlungsreflektor aufweist, wobei zwischen der Pumpstrahlungsquelle und dem Lasermedium eine Strahlungsführungs- und/oder Strahlungsformungsoptik angeordnet ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Strahlungsführungs- und/oder Strahlungsformungsoptik mindestens ein optisches Element umfaßt, das in dem Strahlengang jeder Pumpstrahlungsquelle innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors angeordnet ist, wobei das optische Element einen Teil der unmittelbar auf das Lasermedium gerichteten Pumpstrahlung in der Leistungsdichteverteilung verändert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit einem La­ sermedium, das von einem Pumpstrahlungsreflektor umgeben ist, der mindestens eine Öffnung zum Einkoppeln von Pumpstrahlung, die von einer Pumpstrahlungsquelle abge­ strahlt ist, in den Pumpstrahlungsreflektor aufweist, wobei zwischen der Pumpstrahlungs­ quelle und dem Lasermedium eine Strahlungsführungs- und/oder Strahlungsformungsop­ tik angeordnet ist.

Eine derartige Anordnung ist zum Beispiel aus der DE 689 15 421 bekannt. Bei dieser An­ ordnung wird ein Laserstab von einem Glasrohr mit Abstand umgeben. Die Außenseite des Glasrohrs ist mit einer Reflexionsbeschichtung versehen. Zwischen dem Glasrohr und dem Lasermedium ist ein Ringraum belassen, der mit einem Kühlfluid gefüllt ist. Die Re­ flektorbeschichtung weist parallel zur Achse des Lasermediums verlaufende, schlitzförmi­ ge Öffnungen auf, denen jeweils eine Pumpstrahlungsquelle in Form von Laserdioden zu­ geordnet sind. Den Laserdioden sind Linsen zugeordnet, die zwischen den Laserdioden und der Außenseite des Reflektors liegen, mit denen die von den Laserdioden abgegebe­ nen divergenten Strahlen zu parallelen Strahlen umgeformt werden. Die Breite des paral­ lelen Strahlungsfelds ist derart gewählt, daß der Querschnitt des Lasermediums annä­ hernd ausgeleuchtet wird.

Die vorstehend angegebene Anordnung beschreibt eine grundsätzliche Möglichkeit ein Lasermedium optisch zu pumpen. Pumpstrahlungsreflektoren, wie sie vorstehend be­ schrieben sind, werden auch oft als gesonderte Bauelemente ausgeführt, die das Kühl­ rohr, wie es vorstehend beschrieben ist, mit Abstand umgeben. Der Pumpstrahlungsre­ flektor ist in der Regel derart aufgebaut, daß er zur Formung der Pumpstrahlung dient, zum Beispiel zur Homogenisierung der Pumpleistungsdichteverteilung im Lasermedium. Als Quelle für die Pumpstrahlung werden hierbei in der Regel Hochleistungsdiodenlaser eingesetzt. Zur Leistungserhöhung können diese auf unterschiedliche Arten, beispielswei­ se in Form von horizontalen und vertikalen Stacks bzw. Stapeln, in n-facher Symmetrie um das Lasermedium herum gestapelt angeordnet werden. Die Reflektoren werden üblicher­ weise mit einer Verspiegelung mittels dielektrischer Schichten oder mittels metallischer Schichten, z. B. Gold, versehen. Alternativ wird der Reflektor als diffuser Reflektor ausge­ legt. Dazu werden typischerweise diffus streuende Keramiken mit geringer Absorption (z. B. Aluminiumoxid) oder Strukturen auf Teflonbasis (z. B. Spektralon®; Spektralon ist eine eingetragene Marke der Firma LABSPHERE eingesetzt.

Bei solchen Anordnungen ist es grundsätzlich erwünscht, die Pumpleistungsdichtevertei­ lung innerhalb des Reflektors homogen zu gestalten, um u. a. unerwünschte, thermisch induzierte Störungen, zum Beispiel thermisch induzierte Spannungen oder temperaturab­ hängige Variationen des Brechungsindex im Lasermedium, zu reduzieren, da gerade sol­ che Störungen zu einer geringeren Effizienz und schlechter Strahlqualität solcher Laser führen.

Im Stand der Technik sind daher viele Publikationen bekannt, die sich mit der Einkopplung der Pumpstrahlung in das Lasermedium befassen. Hierbei sind im wesentlichen folgende Ausführungsarten zu unterscheiden:

• 1. Die direkte Einkopplung der Pumpstrahlung in die Reflektoröffnung ohne optische Elemente zur Strahlformung und/oder Führung. Eine solche Anordnung ist zum Beispiel in "Diode Pumped Solid State Lasers in the kW-Range" von T. Brand, B. Ozygus, H. Weber, International Journal Laser Physics, dargestellt und beschrie­ ben. Bei einer in dieser Veröffentlichung gezeigten Anordnung wird das stabförmige Lasermaterial mit Abstand von einem Kühlrohr umgeben; um diese Anordnung her­ um ist wieder ein im Querschnitt gesehen U-förmiger Reflektor angeordnet, wobei dem Öffnungsbereich dieses Reflektors Diodenlaser zugeordnet sind.
• 2. Einkoppeln der Pumpstrahlung in die Reflektoröffnung mittels Wellenleitern. Hierzu sind beispielsweise in "62-W cw TEM₀₀ Nd:YAG laser side-pumped by fiber-coupled diode lasers" von D. Golla et al, Optics Letters/Vol. 21, No. 3; 1. Februar 1996, Pumpanordnungen beschrieben, bei denen die Pumpstrahlung mittels eines Felds aus zylindrischen Wellenleitern zu den schlitzförmigen Öffnungen des Reflektors, der den Laserstab und das Kühlmantelrohr umgibt, herangeführt und in den Re­ flektor eingekoppelt wird. Alternativ zu zylindrischen Wellenleitern sind auch unter­ schiedliche Formen von planaren Wellenleitern bekannt, wie sie beispielsweise in der EP 0 798 827 A2 in Fig. 26 dargestellt sind.
• 3. Einkopplung der Pumpstrahlung in die Reflektoröffnung mittels Strahlungsfor­ mungsoptiken, beispielsweise durch Fokussierung der Strahlung mittels Linsen, mit dem Ziel, die Reflektoröffnung möglichst klein auszuführen, um die Verluste zu ver­ ringern. Solche Maßnahmen sind zum Beispiel in "69-W-average-power Yb:YAG la­ ser" von Hans Bruesselbach und David S. Sumida, Optics Letters/Vol. 21, No. 7, 1. April 1996, beschrieben.
• 4. Schließlich können Strahlungsführungs- und Strahlungsformungsanordnungen durch die Kombination von Wellenleitern und Strahlungsformungsoptiken, wie sie vorstehend unter 2. und 3. beschrieben sind, aufgebaut werden.

Als Pumpstrahlungsquellen werden zunehmend, wie dies bereits vorstehend angespro­ chen wurde, einzelne Diodenlaser oder sogenannte Diodenlaserstapel (Diode Laser Stacks) eingesetzt. Solche Diodenlaserstapel können aus horizontal und/oder vertikal ge­ stapelten Diodenfasern bestehen. Derartige Anordnungen sind in den unterschiedlichsten Formen in der bereits erwähnten EP 0 798 827 A2 beschrieben.

Festkörperlaserverstärker und Festkörperlaser, die mit Diodenlasern gepumpt sind, sind auch in der EP 0 867 988 A2 beschrieben. Die Anordnung nach dieser Druckschrift soll sich dadurch auszeichnen, daß die Diodenlaserpumpstrahlung nicht unmittelbar in Rich­ tung der Achse des Lasermediums eingekoppelt wird, sondern in einer Richtung, die, wenn überhaupt, den Querschnitt des Lasermediums tangiert. Mit einer solchen Maßnah­ me soll eine Homogenität der Verteilung der Temperaturgradienten in Bezug auf einen Abschnitt des Laserstabs verbessert werden.

Bei allen obengenannten Anordnungen bzw. Verfahrensweisen der Pumpstrahlungsein­ kopplung treten mehr oder weniger ausgeprägte Inhomogenitäten der Pumpleistungs­ dichteverteilung im Lasermedium auf, die zu unerwünschten, thermisch induzierten Stö­ rungen, beispielsweise thermisch induzierten Spannungen, temperaturabhängigen Varia­ tionen des Brechungsindex, im Lasermedium führen. Diese Störungen führen folglich zu einer geringeren Effizienz und schlechteren Strahlqualität des Lasers. Dieser Effekt tritt umso stärker auf, wenn der Festkörper mittels der von Diodenlasern abgegebenen Strah­ lung gepumpt wird, da es sich bei Diodenlasern um eine Vielzahl von einzelnen Pumplichtquellen mit produktionsbedingten Streuungen der charakteristischen Eigen­ schaften der emittierten Strahlung (Wellenlänge, optische Leistung, Abstrahlwinkel) han­ delt. Zudem unterliegen diese Parameter Alterungseffekten (die Wellenlänge driftet über die Lebensdauer zu höheren Werten, die Leistung sinkt über die Lebensdauer um 20% (die Lebensdauer des Diodenlasers ist mit dem Erreichen von 80% der anfänglichen La­ serleistung bei gleichem Strom definiert). Durch die Weiterentwicklung der Halbleiter­ strukturen ergibt sich eine weitere Ursache für Änderungen der Abstrahlcharakteristik (dies äußert sich z. B. durch die Verringerung der Abstrahlwinkel der emittierten Pumpstrah­ lung).

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik und der damit verbun­ denen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optisch gepumpten Festkörperlaser zu schaffen, bei dem, im Vergleich zum Stand der Technik, eine gleichmäßigere Ausleuchtung des Lasermediums erreicht wird, bei dem insbesonde­ re auch die unerwünschten thermisch induzierten Störungen herabgesetzt bzw. im we­ sentlichen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem optisch gepumpten Laser, wie er eingangs angegeben ist, dadurch gelöst, daß die Strahlungsführungs- und/oder Strahlungsfor­ mungsoptik mindestens ein optisches Element umfaßt, das in dem Strahlengang jeder Pumpstrahlungsquelle innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors angeordnet ist, wobei das optische Element einen Teil der unmittelbar auf das Lasermedium gerichteten Pumpstrahlung in der Leistungsdichteverteilung verändert.

Es hat sich gezeigt, daß mit einer Anordnung eines optischen Elements in den Strahlen­ gang jeder Pumpstrahlungsquelle innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors die auf das Medium gerichtete Pumpstrahlung ohne Einbußen an Wirkungsgrad homogenisiert wird. Durch die Anordnung des optischen Elements im Reflektor wird erreicht, daß die am opti­ schen Element reflektierte Strahlung im wesentlichen im Reflektor verbleibt (z. B. transmit­ tiert bzw. reflektiert ein idealer Diffusor jeweils 50% der von einer Seite einfallenden Strahlung (Lambertsches Gesetz)).

Ein solcher Effekt kann, im Gegensatz zu einer Anordnung eines optischen Elements au­ ßerhalb des Reflektors, d. h. zwischen der Strahlungsquelle und der Öffnung des Reflek­ tors, durch die die Strahlung in den Reflektor eintritt und auf das Lasermedium gerichtet wird, nicht erreicht werden, da bei einer solchen Anordnung immer die Leistungsverluste der Pumpstrahlung mit zunehmender Homogenisierung größer werden. Die Homogenisie­ rungswirkung der reflektorexternen optischen Elemente steht zudem die zweite Aufgabe dieser Elemente entgegen, nämlich die Pumpstrahlung zu bündeln, um diese verlustarm durch möglichst schmale Reflektoröffnungen zu bringen.

Mit der Anordnung nach der Erfindung ist demzufolge eine optimale Pumplichtformung im Lasermedium, beispielsweise eine gleichmäßige Ausleuchtung, möglich, da z. B. optische Elemente mit hohem Streugrad und dem daraus resultierenden, vergleichsweise hohen reflektierten Pumpstrahlungsanteil ohne Wirkungsgradeinbußen eingesetzt werden kön­ nen.

Bevorzugt wird das optische Element nahe der Innenseite des Pumpstrahlungsreflektors positioniert. Unter einer nahen Anordnung des optischen Elements zu der Innenseite des Pumpstrahlungsreflektors, im Bereich der Öffnung ist eine solche Positionierung des opti­ schen Elements zu verstehen, daß dieses nicht in die Öffnung hineinragt, sondern höch­ stens die Innenseite des Reflektors, d. h. die Reflexionsfläche, tangiert. Gerade mit einer solchen Anordnung wird ein möglichst großer Abstand des optischen Elements vom La­ sermedium erreicht, so daß bei z. B. gegebenem Streugrad des optischen Elements eine maximale Homogenisierungswirkung am Ort des Lasermediums erzielt wird. Das optische Element muß, abhängig von der Breite des Reflektorspalts und der Breite des optischen Elements (diese hängt wiederum von der Pumpstrahlungscharakteristik hinter der Reflek­ toröffnung ab), einen Mindestabstand von der Reflektoröffnung aufweisen. Dieser Min­ destabstand wird unter Berücksichtigung der oben genannten Randbedingungen nume­ risch (z. B. mittels Ray Tracing Programm) dahingehend optimiert, daß möglichst wenig Pumpstrahlung infolge von Reflexion am optischen Element auf die Reflektoröffnung trifft.

Eine technische Realisierungsmöglichkeit für das optische Element ist ein für die Pumpstrahlung transparentes Medium mit einseitig/beidseitig diffus streuender Oberflä­ che, z. B. Glas mit mechanisch oder chemisch aufgerauhter Oberfläche). Der über die Oberflächenrauhigkeit bzw. die Oberflächentopologie sowie den Brechungsindex des opti­ schen Materials beeinflußbare Streugrad bestimmt hier sowohl die Strahlformungswirkung (z. B. Homogenisierung) als auch die Aufspaltung der Pumpstrahlung in reflektierte und transmittierte Leistungsanteile. Zusätzlich läßt sich der Streugrad über die Anzahl der streuenden Oberflächen, d. h. gegebenenfalls auch der nacheinander angeordneten opti­ schen Elemente, vergrößern.

Eine weitere Ausführungsart des optischen Elements ist durch den Einsatz eines im Volu­ men streuenden und ebenfalls für die Pumpstrahlung nicht bzw. schwach absorbierenden Materials gegeben. Der Streugrad läßt sich in diesem Fall sowohl über die Anzahl der Streuzentren im optischen Element als auch über seine Dicke (Ausdehnung in Richtung der Pumpstrahlung) beeinflussen. Eine zusätzliche Beeinflussung der Charakteristik des optischen Elements mittels einer geeigneten Oberflächentopologie kann im Einzelfall sinn­ voll sein.

Weitere allgemeine Vorteile von im Volumen streuenden Materialien sind: einfachere Inte­ gration in den Kühlmantel; eine effiziente Entspiegelung der Oberfläche ist anders als bei aufgerauhten Oberflächen möglich.

In einer einfacheren, aber dennoch wirkungsvollen Ausführung kann das optische Element aus einem Milchglas oder einem vorbehandelten Kieselglas gebildet werden. Als Milchglas eignet sich beispielsweise das von der Firma Schott unter der Bezeichnung "Milchüber­ fangglas" vertriebene Material. In Bezug auf das vorbehandelte Kieselglas wird ein ähnli­ cher Herstellungsprozeß wie bei der Herstellung von Glaskeramik verwendet. Ziel ist das erreichen eines optimalen Streugrads sowie geringer Absorptionsverluste. Als eine alter­ native Maßnahme, um die Pumplichtstrahlung im Volumen innerhalb des Pumpstrahlungs­ reflektors zu verteilen, bietet sich, alternativ zu der diffus streuenden Oberfläche, eine auf der Strahlungseintritts- und/oder Strahlungsaustrittsfläche aufgebaute Mikrolinsenanord­ nung an. Eine solche Mikrolinsenanordnung kann darüber hinaus speziell so ausgelegt werden, daß zum einen eine Richtcharakteristik erzielt wird, das heißt eine unterschiedli­ che Formung der Strahlung in axialer und radialer Richtung. Zudem kann durch eine Ent­ spiegelungsschicht der reflektierte Pumpstrahlungsanteil verringert werden. Optimierungs­ kriterium für die Abmessungen des Linsenarrays ist neben der Strahlformung der Pumpstrahlung die Justageunempfindlichkeit der Anordnung. Die Optimierung erfolgt auch hier numerisch mittels Ray Tracing Programm. Nach Vorgabe der Abstrahlcharakteristik der Pumpstrahlungsquelle sowie der geometrischen Anordnung der übrigen Elemente im Pumpstrahlreflektor werden die Parameter des Linsenarrays (Brennweite, Abmessungen und Anzahl der Linsen) zum Erreichen einer z. B. möglichst homogenen Verteilung der Pumpstrahlung im Lasermedium optimiert.

Als dritte Möglichkeit, um die Pumpstrahlung im Volumen zu streuen, kann das optische Element als diffraktive Optik ausgebildet werden. Eine solche diffraktive Optik kann so ausgelegt werden, daß eine Homogenisierung der Pumpstrahlung unter Minimierung des reflektierten Strahlungsanteils erfolgt, ohne daß Entspiegelungsschichten notwendig sind. Weiterhin kann durch geeignete Auslegung des diffraktiven Elements (d. h. der Oberflä­ chentopologie) dessen Strahlformungscharakteristik gemäß der Forderung für die optimale Pumpstrahlungsverteilung im Lasermedium optimiert werden. Die Auslegung und Optimie­ rung des diffraktiven Elements ist ebenfalls nur mittels numerischer Verfahren möglich. Diffraktive Elemente werden z. B. durch Veränderung der Oberflächentopologie optisch transparenter Materialien hergestellt (z. B. Folien oder Platten aus Kunststoffen).

Es sind im Stand der Technik optisch gepumpte Festkörperlaser bekannt, bei denen das Lasermedium von einem für die Pumpstrahlung transparenten Kühlmantel umgeben ist. In Verbindung mit einer solchen Anordnung kann das optische Element in die Wand des Kühlmantels integriert werden. Dies kann zum einen dadurch erfolgen, daß das optische Element auf den Außenumfang des Kühlmantels aufgesetzt wird, zum anderen auch da­ durch, daß das optische Element in den Kühlmantel eingearbeitet wird. In jedem Fall muß darauf geachtet werden, daß dieses optische Element jeweils, in Bezug auf die Öffnung in dem Pumpstrahlungreflektor und in Bezug auf die Pumpstrahlung, so dimensioniert und ausgelegt ist, daß die Forderung hinsichtlich Abstand vom Lasermedium (z. B. um bei ge­ gebenem Streugrad eine hinreichende Homogenisierungs- oder allgemeiner Strahlfor­ mungswirkung zu erzielen) sowie der Minimierung der Verluste infolge der Reflektoröff­ nungen, durch am optischen Element reflektierte Strahlung erfüllt werden.

Der Kühlmantel solcher Anordnungen wird in der Regel als Rohr aus einem für die Pumpstrahlung transparenten Material, zum Beispiel Quarz, ausgeführt, das ein ebenfalls für die Pumpstrahlung transparentes, meist flüssiges Kühlmedium, zum Beispiel Wasser, entlang der Oberfläche des Lasermediums führt, um das Lasermedium unmittelbar zu kühlen.

Als weitere Dimensionierungsvorschrift für das optische Element sollte dessen Abmes­ sung und Position so gewählt werden, daß nur der Anteil der von der Pumpstrahlungs­ quelle abgestrahlten Strahlung, der unmittelbar auf das Lasermedium hin gerichtet ist, d. h. wenn kein optisches Element vorhanden wäre, von dem optischen Element erfaßt wird. Hierdurch wird gewährleistet, daß der Anteil der Pumpstrahlung, der im wesentlichen für die Störungen der Pumpstrahlungsverteilung im Lasermedium verursachend ist, angepaßt (z. B. homogenisiert) wird. Dabei wird vorausgesetzt, daß die nicht vom optischen Element erfaßte Pumpstrahlung geeignet mittels des Reflektors beeinflußt wird (z. B. diffuser Re­ flektor bzw. geeignet geformter, direkter Reflektor).

Es ist ersichtlich, daß ein gewisser Anteil der Pumpstrahlung, die innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors auf die Rückseite des optischen Elements, d. h. auf die Seite, die dem Lasermedium abgewandt ist, reflektiert wird, in einem bestimmten Anteil wieder in die dem optischen Element zugeordneten Öffnung reflektiert wird und folglich aus dem Pumpstrahlungsreflektor austritt. Um dies im wesentlichen zu vermeiden, ist eine Maß­ nahme von Vorteil derart, daß die Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements um einen Winkel ungleich 90° gegenüber der Linie zwischen Pumpstrahlungsquelle und dem Zentrum des Lasermediums gekippt ist, so daß dann der an der Strahlungseintrittsfläche reflektierte Anteil der Pumpstrahlung im wesentlichen auf den Pumpstrahlungsreflektor, und zwar außerhalb des Öffnungsquerschnitts der zugeordneten Öffnung, auftrifft.

Um eine gleichmäßige Verteilung der Pumpstrahlung in dem Pumpstrahlungsreflektor zu erzielen, kann, in Umfangsrichtung des Lasermediums gesehen, von n Seiten aus über eine jeweilige Öffnung, der jeweils ein optisches Element innerhalb des Pumpstrahlungs­ reflektors zugeordnet ist, gepumpt werden, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 20 ist. Die einzelnen Öffnungen sollten dabei gleichmäßig um den Umfang verteilt werden, d. h. sie sollten beispielsweise im Fall von vier Öffnungen um jeweils 90° und im Fall von acht Öff­ nungen um jeweils 45° zueinander versetzt sein.

Da das Lasermedium üblicherweise stabförmig ist, werden die Öffnungen vorzugsweise als Schlitze ausgebildet, deren Länge etwa der Länge des Lasermediums entsprechen. Folglich werden dann auch die optischen Elemente als langgestreckte Element ausgebil­ det, beispielsweise als quaderförmiges Element oder als langgestrecktes Teil des Kühl­ mantels.

Falls optische Elemente eingesetzt werden, die glatte Oberflächen haben, beispielsweise auf der Strahlungseintrittsfläche, sollten diese Oberflächen entspiegelt werden, um die Reflexionen an diesen Flächen gering zu halten.

Falls ein optisches Element je Öffnung im Hinblick auf die Streuwirkung nicht ausreicht bzw. eine zu schwache Beeinflussung der Pumpstrahlung erreicht wird, können mehrere optische Elemente hintereinander angeordnet werden. In einem solchen Fall sollten die jeweiligen optischen Elemente, die einer Pumpstrahlungsquelle zugeordnet sind, so auf­ gebaut sein, daß sie möglichst, ohne ein größeres Volumen zu beanspruchen, das einzel­ ne Element ersetzen.

Wie eingangs erwähnt ist, soll ein optimaler Diffusorgrad bzw. Grad der Homogenisierung in der in den Pumpstrahlungsreflektor eingestrahlten Pumpstrahlung erzielt werden.

Es hat sich gezeigt, daß nur mit der Maßnahme, der jeweiligen Öffnung in dem Pumpstrahlungsreflektor ein optisches Element zuzuordnen, das innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors angeordnet ist, erreicht werden kann, daß sowohl die Abstrahl­ charakteristik der Pumpstrahlquelle (in diesem Fall kleinere Abstrahlwinkel infolge des Einsatzes von LargeOpticalCavity-Diodenlasern) als auch eine höhere Inhomogenität der Pumpanordnung infolge der Halbierung der Anzahl der Öffnungen im Pumplichtreflektor kompensiert werden kann. Entscheidend dabei ist, daß in einer optimierten Anordnung keine Reduktion des Pumpwirkungsgrads zu beobachten ist (d. h. die Laserschwelle in Relation zur Leistung der Pumpstrahlquelle sowie die Steigung der Ausgangsleistung über der Pumpleistung ändert sich nicht).

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1A schematisch einen Schnitt durch eine Laseranordnung gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung, wobei der Schnitt senkrecht zur Achse des Laser­ mediums vorgenommen ist, mit vier einzelne Pumpstrahlungsquellen,

Fig. 1B vergrößerte Ausschnitte B₁-B₃, wie sie in Fig. 1A gekennzeichnet sind, mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen für das optische Element,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verlaufs verschiedener Strahlungsan­ teile einer Pumpstrahlungsquelle bei einer Anordnung, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, und

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, bei der die jeweiligen optischen Elemente gegenüber der Anordnung der Fig. 2 gekippt ist.

Die Anordnung, wie sie in Fig. 1A schematisch dargestellt ist, umfaßt ein zylindrisches Lasermedium 1, beispielsweise Nd:YAG, dessen Achse mit dem Bezugszeichen 2 be­ zeichnet ist. Das Lasermedium 1 ist von einem Kühlmantel 3 mit Abstand so umgeben, daß ein Zwischenraum 4 zwischen dem Lasermedium 1 und dem Kühlmantel 3 blassen ist, in dem ein Kühlfluid 5, beispielsweise Wasser, geführt ist. Der Kühlmantel 3 ist wieder­ um, unter Belassung eines weiteren Zwischenraums 6, von einem Pumpstrahlungsreflek­ tor 7 umgeben. Die Anordnung des Kühlmantels 3 und des Pumpstrahlungsreflektors 7 ist konzentrisch um die Achse 2 des Lasermediums 1 aufgebaut.

In dem Pumpstrahlungsreflektor 7 sind, gleichmäßig um den Umfang verteilt, vier Öffnun­ gen 8 ausgebildet, bei denen es sich um langgestreckte Schlitze handelt, die in Richtung der Achse 2 des Lasermediums 1 verlaufen.

Jeder Öffnung 8 ist ein Diodenlaser oder eine Diodenlaseranordnung 9 als Pumpstrah­ lungsquelle zugeordnet, wobei die Strahlungsachse 12 der davon abgegebenen Strahlung durch die jeweilige Öffnung 8 auf die Achse 2 des Lasermediums 1 hin gerichtet ist. Zwi­ schen der Diodenlaseranordnung 9 und der Öffnung 8 des Pumpstrahlungsreflektors 7 ist eine schematisch gezeigte, externe Strahlführungs- und Strahlformungsanordnung ange­ ordnet.

Innerhalb des Strahlungsreflektors 7, d. h. zwischen der jeweiligen Öffnung 8 und dem Kühlmantel 3, ist in dem Strahlengang 12 der Pumpstrahlung jeweils ein optisches Ele­ ment, mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet, positioniert. Dieses jeweilige optische Ele­ ment 11, das einen wesentlichen Bestandteil der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt, dient dazu, die von der jeweiligen Diodenlaseranordnung 9 abgegebene Strahlung so zu gestalten, daß eine gezielte Beeinflussung der Pumpstrahlverteilung im Lasermedium er­ folgt (z. B. eine homogene Verteilung der im Lasermedium absorbierten Leistung). Es ist bekannt, daß die von der Diodenlaseranordnung 9 abgegebene Strahlung einen typi­ scherweise elliptischen Strahlquerschnitt aufweist. Diese Strahlung wird dann zunächst mit den jeweiligen Strahlführungs- und Strahlformungsanordnungen 10 so geformt, daß die Strahlung durch die jeweiligen Öffnungen 8 bzw. Längsschlitze ungehindert in den Innen­ raum des Strahlungsreflektors 7 eintreten kann. Aus der schematischen Darstellung in Fig. 1A ist zu erkennen, daß die Pumpstrahlung, die in den Pumpstrahlungsreflektor 7 eingestrahlt werden kann, zum einen von dem Divergenzwinkel der Pumpstrahlung ab­ hängt, zum anderen von dem Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 8. Grundsätzlich ist es erwünscht, den Öffnungsflächenbereich der Öffnungen 8 möglichst klein zu halten, um eine möglichst große Reflexionsfläche 13 auf der Innenseite des Pumpstrahlungsreflektors 7 zu erhalten. Andererseits müssen die Öffnungsquerschnittsflächen so groß gehalten werden, daß eine ausreichende Pumpstrahlung in den Pumpstrahlungreflektor eingekop­ pelt und damit auf das Lasermedium 2 gerichtet werden kann. Aufgrund der jeweiligen optischen Elemente 8, die den jeweiligen Öffnungen 9 in dem Pumpstrahlungsreflektor 7 zugeordnet sind, ist es möglich die Pumpstrahlung zum einen so zu gestalten, daß ein definierter Anteil der abgestrahlten Pumpstrahlung den Querschnitt des Lasermediums ausleuchtet, falls keines der Elemente 11 vorhanden wäre, andererseits ist es dann mög­ lich mittels den optischen Elementen 11 den Anteil der in den Pumpstrahlungsreflektor 1 über die Öffnungen 8 eingekoppelten Strahlung, der ohne die Elemente 11 das Laserme­ dium ausleuchten würde, derart mit den Elementen 11 zu beeinflussen, daß die geforderte Pumpstrahlungsverteilung (beispielsweise homogene Leistungsdichteverteilung) im La­ sermedium erreicht wird.

Wesentlich ist, daß die jeweiligen optischen Elemente 11 innerhalb des Pumpstrahlungs­ reflektors 7 angeordnet sind, d. h. in Richtung der Strahlungsachse 12 der Diodenlaser­ strahlung gesehen zwischen der inneren (im Bereich der Öffnungen 8 fiktiv ergänzten) Reflexionsfläche 13 des Pumpstrahlungsreflektors 7 und dem Lasermedium 2 bzw. dem Kühlmantel 3. Folglich kann das jeweilige optische Element 2 unmittelbar, in Strahlrichtung der Pumpstrahlung gesehen, an die innere Reflexionsfläche 13 anschließen, oder aber unmittelbar auf den Kühlmantel 3 aufgesetzt werden bzw. in die Oberfläche des Kühl­ mantels 3 eingearbeitet werden. Die Anordnung des optischen Elements 2 unmittelbar an die Reflexionsfläche 13 anschließend hat den Effekt, daß zwar eine Strahlformung (z. B. Homogenisierung) stattfindet, daß jedoch die vom optischen Element 11 reflektierte Pumpstrahlung im wesentlichen durch die Reflektoröffnung verlorengeht, so daß in diesem Fall nur Ausführungen des optischen Elements mit geringem Reflexionsgrad in Frage kommen.

In den Fig. 1B sind mit B₁, B₂ und B₃ bezeichnet, vergrößerte, schematische Darstel­ lungen des optischen Elements 11 zu sehen, bei denen entweder auf der zum Lasermedi­ um 1 hin gewandten Seite (Ausführung B₁) oder auf der zu der Pumplichtstrahlungsquelle hin gelegenen Seite (Ausführung B₂) oder auf beiden Seiten bzw. Flächen (Ausführung B₃) ein Mikrolinsenfeld angeordnet ist. Durch diese Oberflächengestaltung kann definiert die Pumplichtstrahlung im Volumen innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors 7 verteilt werden. Das Mikrolinsenfeld kann darüberhinaus so gestaltet werden, daß eine unterschiedliche Formung der Strahlung sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung erfolgt.

Falls das jeweilige optische Element, das einer Öffnung 8 zugeordnet ist, auf den Kühl­ mantel 3 aufgesetzt oder in diesen integriert wird, kann erreicht werden, daß die mechani­ sche Komplexität und damit die Kosten der Anordnung reduziert werden.

Es ist ersichtlich, daß Fig. 1A die erfindungsgemäße Anordnung nur schematisch dar­ stellt. Die Querschnittsabmessung des optischen Elements 11, dessen Ausgestaltung bei­ spielsweise als linsenförmiges Element oder als diffus streuendes Element, hängt von der grundsätzlichen Dimensionierung der Laseranordnung ab. In jedem Fall ist zu beachten, daß bei Einsatz von optischen Elementen mit vergleichsweise hoher Reflexion (diffus streuende Elemente) nur ein möglichst geringer Anteil der Oberfläche des Kühlmantels bzw. einer gedachten Mantelfläche um das Lasermedium herum von den optischen Ele­ menten bedeckt wird, um Wirkungsgradeinbußen (durch Reflexion zwischen optischen Elementen und Reflektor) zu vermeiden. Gleichzeitig muß das optische Element eine hin­ reichende Fläche aufweisen, um den wesentlichen Anteil der direkt von der Pumpstrah­ lungsquelle kommenden Pumpstrahlung zu beeinflussen, die das Lasermedium ohne Re­ flexion am Reflektor treffen würde.

Bei dem Einsatz von Mikrolinsenarrays und diffraktiven Optiken ist der reflektierte Anteil der Pumpstrahlung gering, jedoch ist zusätzlich auf die Unempfindlichkeit der Anordnung gegenüber der Positionierung des optischen Elements zu achten, d. h. die Abmessungen der Strukturen des optischen Elements (z. B. Durchmesser der Mikrolinsen) müssen klein gegenüber den Querabmessungen des optischen Elements sein.

Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung, bei der wiederum, entsprechend der Fig. 1A, in dem Pumpstrahlungsreflektor 7, gleichmäßig um den Umfang des Lasermediums 1 verteilt, vier Öffnungen 8 vorgesehen sind. Jeder Öffnung 8 ist wiederum ein optisches Element 11 zugeordnet. In dieser Darstellung sind verschiedene Strahlengänge der über die in Fig. 2 linksseitige Öffnung 8 eingestrahlten Pumpstrahlung 14, die auf ein unmittel­ bar hinter der Öffnung liegendes optisches Element 11 gerichtet ist, dargestellt. Die Refle­ xionsflächen 13 des Pumpstrahlungsreflektors 7 sind hierbei idealisiert durch ebene Refle­ xionsflächen, mit dem Bezugszeichen 13' bezeichnet, und zwar durch insgesamt acht sol­ cher Reflexionsflächen 13', dargestellt. Die jeweiligen Strahlengänge sind so ausgelegt, als wäre kein optisches Element in der Anordnung vorgesehen. Bei dieser Anordnung sind, zur Berechnung der Strahlengänge, folgende Parameter berücksichtigt:

• - Reflexions-, Transmissions- und Absorptionseigenschaften aller optische Materiali­ en (Reflektor, Kühlmantel (hier: Quarz), Kühlmedium (hier: Wasser), Lasermedium (hier: Nd.YAG),)
• - Abstrahlcharakteristik der Pumpstrahlungsquelle (vom Abstrahlwinkel abhängige Leistungsdichteverteilung, spektrale Verteilung der Pumpstrahlung).

Diese Berechnung verdeutlicht lediglich die Strahlengänge bei einer typischen Konfigu­ ration.

Zur Berechnung der Leistungsdichteverteilung im Lasermedium sind erheblich mehr Strahlen, als hier der Übersicht halber dargestellt, notwendig (um eine hinreichende Orts­ auflösung im Lasermedium zu erreichen, werden einige 1000 Strahlengängen für jede der Pumpstrahlquellen berechnet).

Aufgrund dieser Berechnung wird nun das optische Element 1, das links liegt, das der lin­ ken Öffnung 8 zugeordnet ist, so dimensioniert, daß es im wesentlichen diejenigen direkt von der Pumpstrahlungsquelle kommenden Strahlen erfaßt, die das Lasermedium ohne das optische Element direkt erreichen würden. Weiterhin legt die Darstellung des Strah­ lengangs nahe, daß bei geeignetem Streugrad des optischen Elements (Reflexion und Transmission sind ebenfalls bestimmt) eine optimale Position des optischen Elements zwischen Lasermedium und Reflektor existiert, an der sowohl die Forderung nach hinrei­ chender Homogenisierung als auch die Forderung nach möglichst geringen Verlusten in­ folge von reflektierter Pumpstrahlung auf die Reflektoröffnung erfüllt ist.

Angestrebte Effekte des optischen Elements:

• - Formung der Verteilung der absorbierten Pumpleistung im Lasermedium (sowohl in radialer als auch in axialer Richtung) mit dem Ziel z. B. entweder eine homogene oder eine gezielt beeinflußbare Verteilung der absorbierten Pumpstrahlung im La­ sermedium zu erhalten. Auf diese Weise wird die Verringerung der thermisch indu­ zierten Störungen im Lasermedium (thermische Linsenwirkung, Depolarisation in­ folge thermisch induzierter Spannungsdoppelbrechung) erreicht. Dies führt zu einer höheren Ausgangsleistung unter Erhalt der Strahlqualität sowie zu einer Linearisie­ rung der Ausgangskennlinie (Ausgangsleistung als Funktion der Pumpleistung) des Festkörperlasers.
• - Unabhängigkeit von der Abstrahlcharakteristik der Pumpstrahlquelle z. B. infolge von technischen Änderungen der Diodenlaser bzw. Alterungseffekten des Dioden­ lasers.
• - Vermeidung von Einbußen bzw. Verbesserung des Pumpwirkungsgrads des Fest­ körperlasers.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist; allerdings wurden die optischen Elemente 11 bzw. deren Strahlungseintrittsfläche aus Richtung der Pumpstrahlungsquelle 9 gesehen, und zwar in Bezug auf die Achse 12 zwi­ schen der Pumpstrahlungsquelle 9 und der Achse 2 des Lasermediums 1 (tatsächlich handelt es sich bei der Achse 12 um eine Ebene, wenn man davon ausgeht, daß es sich bei dem Lasermedium 1 um ein zylindrisches Medium handelt), so gekippt ist, daß der Winkel zwischen der Achse 12 bzw. der Ebene und der Strahlungseintrittsfläche des opti­ schen Elements 11 ungleich 90° beträgt; in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung entspricht der Winkel etwa 135°. Durch diese Verkippung der optischen Elemente 11 wird erreicht, daß Pumpstrahlung, die an der inneren Reflexionsfläche 13 bzw. 13' des Pumpstrahlungs­ reflektors 7 auf das optische Element 11 reflektiert wird, von dem optischen Element 11 nicht unmittelbar auf die Öffnung 8 zurückreflektiert wird, sondern auf die Reflexionsfläche 13 bzw. 13'.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß, aufgrund der optischen Elemente 11, die jeder Öffnung 8 zugeordnet sind, und zwar innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors 7, die in den Pumpstrahlungsreflektor 7 eingestrahlte Strahlung in ihrer Leistungsdichteverteilung opti­ miert werden kann. Inhomogenitäten der Pumpleistungsdichteverteilung im Lasermedium können dadurch minimiert bzw. vermieden werden, demzufolge auch unerwünschte ther­ misch induzierte Störungen im Lasermedium.

Claims (19)

1. Optisch gepumpter Festkörperlaser mit einem Lasermedium, das von einem Pumpstrahlungsreflektor umgeben ist, der mindestens eine Öffnung zum Einkop­ peln von Pumpstrahlung, die von einer Pumpstrahlungsquelle abgestrahlt ist, in den Pumpstrahlungsreflektor aufweist, wobei zwischen der Pumpstrahlungsquelle und dem Lasermedium eine Strahlungsführungs- und/oder Strahlungsformungsoptik an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsführungs- und/oder Strahlungsformungsoptik (10, 11) mindestens ein optisches Element (11) umfaßt, das in dem Strahlengang (14) jeder Pumpstrahlungsquelle (9) innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors (7) angeordnet ist, wobei das optische Element (11) einen Teil der unmittelbar auf das Lasermedium (1) gerichteten Pumpstrahlung (14) in der Leistungsdichteverteilung verändert.

2. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (11) innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors (7) unter maxi­ maler Entfernung vom Lasermedium (1) positioniert ist.

3. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das optische Element (11) eine diffus streuende Oberfläche/diffus streuen­ de Oberflächen aufweist.

4. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das optische Element (11) in seinem Volumen die Pumpstrahlung (14) streut.

5. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (11) aus einem Milchglas bzw. Opalglas oder einer Glaske­ ramik, wie beispielsweise einem vorbehandelten Kieselglas, gebildet ist.

6. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das optische Element (11) auf seiner Strahlungseintritts- und/oder Strah­ lungsaustrittsfläche als Mikrolinsenanordnung ausgebildet ist. (eventuell Figur zeichnen).

7. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das optische Element (11) als diffraktive Optik ausgeführt ist.

8. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (1) von einem für die Pumpstrahlung (14) transparenten Kühlmantel (3) umgeben ist und daß das optische Element in die Wand des Kühlmantels (3) integriert ist.

9. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element auf dem Außen- und/oder Innenumfang des Kühlmantels (3) aufgesetzt ist.

10. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element/die Elemente in den Kühlmantel (3) eingearbeitet ist/sind.

11. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element den Kühlmantel (3) bzw. eine gedachte Mantelfläche um das Lasermedium nur partiell bedeckt.

12. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Abmessungen und Positionen des optischen Elements (11) derart gewählt sind, daß nur der Anteil der von der Pumpstrahlungsquelle (9) abge­ strahlten Strahlung (14), der unmittelbar auf das Lasermedium (1) gerichtet ist, von dem optischen Element (11) erfaßt wird.

13. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements (11) um einen Winkel ungleich 90° gegenüber der Linie zwischen Pumpstrahlungsquelle (9) und dem Zentrum (2) des Lasermediums (1) gekippt ist, so daß der an der Strah­ lungseintrittsfläche reflektierte Anteil der Pumpstrahlung (14) im wesentlichen auf den Pumpstrahlungsreflektor (7) außerhalb dessen Öffnungsquerschnitts (8) auf­ trifft.

14. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (1), in Umfangsrichtung gesehen, von n Seiten aus über eine jeweilige Öffnung (8), der jeweils ein optisches Element (11) innerhalb des Pumpstrahlungsreflektors (7) zugeordnet ist, gepumpt wird, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 20 ist.

15. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (8) gleichmäßig um den Umfang des Pumpstrahlungsreflektors (7) herum verteilt sind.

16. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (8) die Form von Schlitzen aufweisen, die in ih­ rer Länge etwa der Länge des Lasermediums entsprechen.

17. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungseintritts- oder Strahlungsaustrittsflächen des optischen Elements (11) entspiegelt sind.

18. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (11) mit einer dielektrischen Spiegelschicht beschichtet ist und die Pumpstrahlungsformung im wesentlichen durch die Charakteristik des Reflektors erfolgt.

19. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsformung sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung erfolgt.