DE3726279A1 - Laser mit einem laseraktiven festkoerpermedium und mehreren pumpquellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einem laseraktiven Festkörpermedium und mehreren Pumpquellen.

Bei Festkörperlasern besteht das aktive Medium aus Gläsern oder Kristallen, in die laseraktive Zentren eingebaut sind.

Diese Zentren müssen mit hinreichender Konzentration in einen angeregten Zustand gebracht werden, damit ein Laser­ betrieb möglich ist. Man verwendet für diese Anregung ("Pumpen") bei Festkörperlasern meist Gasentladungslampen, andere Laser oder Lumineszenzdioden. Bei dieser optischen Anregung wird notwendigerweise das aktive Material durch die Pumpstrahlung aufgeheizt. Diese Wärme wird aus dem aktiven Festkörperlasermaterial an ein Kühlmedium (Gas oder Flüssig­ keit) abgegeben. Dabei treten Temperaturunterschiede zwi­ schen den Bereichen im Innern des aktiven Mediums und seiner Oberfläche auf. Die Temperaturunterschiede sind für mechani­ sche Spannungen verantwortlich, die bei zu großen Werten zur Zerstörung des aktiven Festkörperlasermediums führen. Um die Zerstörung des Mediums zu vermeiden, sind daher die zulässigen mittleren Pumpleistungsdichten begrenzt.

Um bei gegebener Pumpleistungsdichte zu größeren Laserlei­ stungen zu gelangen, muß man das Volumen des aktiven Materials und mindestens im gleichen Verhältnis seine Oberfläche vergrößern. Gleichzeitig kann man damit die gesamte zulässige mittlere Pumpleistung erhöhen.

Aus der US-PS 45 55 786 sowie aus IEEE, QE-22, 2052 (1986) ist es bekannt, eine Platte aus laseraktivem Material zwischen zwei Laserspiegeln hin- und herzuschieben und nur längs des Weges im Resonator zu pumpen. Ist der Teil, der sich zwischen den Resonatorspiegeln befindet, durch die Pumpstrahlung erwärmt, so wird er aus dem Resonator entfernt und durch einen kalten Teil der Platte ersetzt, der wiederum von der gleichen Pumpquelle angeregt wird.

In der US-PS 45 55 786 wird außerdem eine runde Platte beschrieben, bei der kontinuierlich der erwärmte Teil aus dem Resonator gedreht wird und durch einen kalten Teil ersetzt wird.

In der US-PS 45 67 597 wird ein Rohr aus laseraktivem Material beschrieben, von dem sich nur ein stabförmiger Bereich längs einer Mantellinie in einem Laserresonator befindet. Nur dieser Bereich wird gepumpt und, wenn er erwärmt ist, aus dem Resonator oder dem Bereich der Pumpstrahlung herausgedreht und gegen einen kalten Teil des Rohres ausgetauscht.

Wesentlich für alle diese Lösungen ist, daß die thermischen Belastungen des aktiven Materials beträchtlich reduziert werden und so große mittlere Laserleistungen erreicht werden, indem jeweils der erhitzte Teil des aktiven Mediums gegen einen kälteren Teil ausgetauscht wird.

Ein wesentlicher Nachteil all dieser Lösungen besteht darin, daß das laseraktive Medium bewegt werden muß, was wiederum zu störenden Bewegungen des aus dem laseraktiven Material austretenden Laserstrahls führt.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das aktive Medium ständig von den gleichen Anregungsquellen, seien es Entla­ dungslampen, Laserdioden oder Lumineszenzdioden, gepumpt wird. Somit werden diese Pumpquellen sehr stark beansprucht, wodurch ihre Lebensdauer oder Standzeit für den praktischen Gebrauch und die Wartungsintervalle für die betreffenden Festkörperlaser recht kurz werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Laser, der diese Nachteile nicht aufweist und bei dem die Standzeit für den ungestörten Betrieb verlängert werden soll.

Dieses Ziel wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 erreicht.

Die Lösung besteht in der Kombination von drei Merkmalen.

Erstens weist das laseraktive Festkörpermedium eine mög­ lichst große Oberfläche auf, damit eine Vielzahl von Pumpquellen an der Oberfläche angeordnet werden können. Dementsprechend kann das laseraktive Medium die Gestalt eines langen dünnen Stabes aufweisen, über dessen gesamte Länge mehrere Pumpquellen hintereinander angeordnet sind.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform des laseraktiven Mediums ist eine dünne ebene Platte, deren Oberfläche ebenfalls so groß ist, daß eine Vielzahl von Pumpquellen nebeneinander oder hintereinander angeordnet werden können. Um möglichst das gesamte Volumen für die Anregung ausnutzen zu können, werden die Pumpquellen bevorzugt flächendeckend an der Oberfläche angeordnet.

Das laseraktive Medium kann auch eine andere Gestalt als ein Parallelepiped aufweisen, wie z.B. ein Trapez, solange die Oberfläche für die Anordnung mehrerer Pumpquellen ausrei­ chend groß ist.

Zweitens ist der Laserstrahl durch das gesamte zur Verfügung stehende Volumen des laseraktiven Mediums geführt. In der US-PS 45 55 786 wird der Laserstrahl beispielsweise nur einmal in Querrichtung durch die laseraktive Platte geführt. Entsprechend wird auch nur ein schmaler Streifen der Platte durch die dort beschriebenen beiden Pumpquellen angeregt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Laserstrahl bei der Verwendung einer Platte mehrfach im laseraktiven Medium umgelenkt, so daß im wesentlichen das gesamte Volumen ausgenutzt wird. Diese Umlenkung kann durch die Ausnutzung der Totalreflexion an den Grenzflächen des laseraktiven Mediums zur Umgebung (z.B. Luft) oder durch Reflexion an einer Spiegelschicht erreicht werden, die auf dem laserak­ tiven Medium aufgebracht ist. Wenn die Umlenkung des Laserstrahls auch an den Stellen erfolgt, wo die Pumpquellen angeordnet sind, dann ist diese Spiegelschicht vorzugsweise teildurchlässig ausgebildet.

Diese Spiegelschichten können auch gezielt nur an den Stellen auf dem laseraktiven Medium aufgebracht sein, an dem der Laserstrahl in das laseraktive Medium zurückreflektiert wird.

Auch die Resonatorspiegelschichten sind vorzugsweise direkt auf dem laseraktiven Medium aufgebracht.

Drittens wird eine Vielzahl dieser Pumpquellen derart an der Oberfläche des laseraktiven Mediums angeordnet, daß bei vorgegebener Laserleistung jeweils nur ein Teil der Pump­ quellen das laseraktive Medium anregen.

Hierzu wird zunächst die Ausgangsleistung des Lasers definiert und anschließend die Gestalt und die Größe der Oberfläche so gewählt, daß diese Leistung erreicht wird, wenn nur ein Teil der Pumpquellen, entweder eine oder auch die Kombination von mehreren Pumpquellen in Betrieb sind und das laseraktive Medium anregen. Dies hat den Vorteil, daß eine Überhitzung des laseraktiven Materials dadurch verhin­ dert werden kann, daß nach einer gewissen Zeit auf andere Pumpquellen umgeschaltet werden kann, die einen anderen Bereich des laseraktiven Mediums anregen. Da der Laserstrahl auch durch diese Bereiche geführt ist, ist eine räumliche Verschiebung des laserakti­ ven Mediums, wie aus dem Stand der Technik nachteilig bekannt, nicht erforderlich.

Vorzugsweise sind diese Pumpquellen längs des Wegs des Laserstrahls im laseraktiven Medium an dessen Oberfläche angeordnet. Die Pumpquellen können aber auch unabhängig von der Strahlrichtung, beispielsweise senkrecht zu dieser, angeordnet sein, solange ein ausreichend großer Bereich des laseraktiven Mediums angeregt wird. Vorteilhaft ist eine flächendeckende Anordnung der Pumpquellen.

Als diese Pumpquellen können z.B. Gasentladungslampen, Laser- oder Lumineszenzdiodenarrays eingesetzt werden.

Ein derart angebrachter Laser zeichnet sich aufgrund der geringen Belastung des laseraktiven Mediums und dem Einsatz einer Vielzahl von Pumpquellen durch weitaus höhere Stand­ zeiten als herkömmliche Laser aus, ohne daß deren Vorzüge eingebüßt werden.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a, b schematisch einen erfindungsgemäßen Laser mit einem stabförmigen laseraktiven Medium,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine laseraktive Platte mit zick-zack-Strahlführung und Anordnung der Pump­ quellen längs des Strahls,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der laseraktiven Platte,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform mit einer laseraktiven Platte, wobei die Pump­ quellen flächendeckend angeordnet sind,

Fig. 5a, b eine Draufsicht und Schnitt durch eine Ausfüh­ rungsform mit verspiegelten Flächen,

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein laseraktives Medium in Form eines Trapezes.

In Fig. 1a ist eine Anordnung mit einem langen Laserstab 1 dargestellt. Der Laserresonator wird entweder durch externe Spiegel, die nicht eingezeichnet sind, oder durch die verspiegelten Endflächen des Stabes gebildet.

Der Laserstab ist so lang, daß mehrere Pumplampen 2, die an eigene Spannungsversorgungen 3 angeschlossen sind, längs seiner Achse angeordnet sind. Laserstab 1 und Pumplampen 2 befinden sich jeweils auf unterschiedlichen Brennlinien einer Pumpkavität 5. In Fig. 1b ist der Querschnitt der Pumpkavität 5 eine Ellipse. Andere Querschnittsprofile für die Pumpkavitäten sind ebenfalls möglich, z.B. Doppelellip­ sen. Bei Lumineszenz- oder Laserdioden als Pumpquellen kann solch eine Pumpkavität entfallen, da solche Dioden direkt auf der Oberfläche des aktiven Mediums angeordnet werden können.

Der Laserstab 1 nach Fig. 1a kann wechselweise durch die Pumpquellen 2 angeregt werden. Dabei ist sowohl Pulsbetrieb als auch Dauerstrichbetrieb, eventuell mit kurzen Schaltpau­ sen möglich, wenn von einer Pumpquelle auf eine andere umgeschaltet wird. Es ist nicht erforderlich, daß jede Pumpquelle eine eigene elektrische Versorgungseinheit be­ sitzt. Vielmehr genügt bereits eine einzige Versorgungsein­ heit, an die jeweils eine oder mehrere Pumpquellen über geeignete Schalter wechselweise angeschlossen werden können. Verlän­ gert man z.B. die bisher üblichen Laserstäbe um einen Faktor 8, wie in Fig. 1a dargestellt, so kann man z.B. acht Lampen 2 hintereinander längs des Stabes anbringen. Bei gleicher mittlerer Leistung, wie bei einem kurzen Stab, kann man somit die Standzeit bis zum Austausch der Pumplampen um einen Faktor 8 verlängern. Andererseits kann man in diesem Beispiel auch die mittlere Leistung um einen Faktor 8 vergrößern, ohne daß die Standzeit verkürzt ist. Betriebs­ arten zwischen diesen beiden Grenzfällen sind ebenfalls möglich. Es ergibt sich z.B. für den Pulsbetrieb der wichtige Vorteil, daß man die Energie pro Puls mit der Anordnung nach Fig. 1a, b gegenüber einem kurzen Stab mit nur einer Blitzlampe bis auf das achtfache erhöhen kann, indem man mit zwei oder mehreren Blitzlampen zur gleichen Zeit die laseraktiven Zentren in einem entsprechend größeren Volumen des Stabes anregt.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf ein plattenförmiges laseraktives Medium 10, in dem der Laserstrahl 4 durch Reflexion an den Spiegelschichten 7 zick-zack-förmig geführt ist. Es genügt dabei, daß die Spiegelschichten 7 ebenso wie die Politur der Flächenstücke nur an den Stellen vorhanden sind, an denen der Laserstrahl 4 umgelenkt wird. Dies hat obendrein den Vorteil, daß parasitäre Oszillationen des Lasers unterdrückt werden.

Längs der Wegstücke a bis d sind mehrere Blitzlampen 2 (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt) an der Ober- und Unterseite der Platte 10 angeordnet. Der Resonator wird durch Spiegel­ schichten 8 und 6 gebildet, die sich direkt auf der polierten Plattenoberfläche befinden.

Zur Umlenkung des Laserstrahles am Rand der Platte kann auch die Totalreflexion an den beiden langen polierten Seiten­ flächen ausgenutzt werden, wenn der Neigungswinkel gegen die Flächennormale hinreichend groß ist. (Insbesondere wenn Kühlflüssigkeit in Kontakt mit diesen Seitenflächen ist, sind die Neigungswinkel für Totalreflexion recht groß.) Bei einem Strahlverlauf in einer Platte 10 nach Fig. 3 sind Spiegelschichten 7 wegen des geringen Einfallwinkels des Laserstrahles 4 auf die Grenzfläche erforderlich, die hier außerhalb der Platte 10 auf getrennten Substraten aufge­ bracht sind. Die Resonatorspiegel 11 und 12 sind in diesem Beispiel von der Laserplatte 10 getrennt. Die Pumplampen 2 (ebenfalls gestrichelt eingezeichnet) mit geeigneten Reflek­ toren befinden sich ober- und unterhalb der Platte 10 und sind bevorzugt so orientiert, daß ihre Längsrichtung parallel und ihre Hauptabstrahlrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 4 ins aktive Medium ist.

In Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel für den Strahlverlauf in einer Platte 10 dargestellt, bei dem die angeregten aktiven Zentren besonders effizient für den Laserbetrieb ausgenutzt werden, indem der Strahl 4 zweimal durch die gepumpten Bereiche an den Kreuzungspunkten bei nur einem Durchgang zwischen den Resonatorspiegeln geführt ist. Die Pumpquellen 2 müssen auch nicht notwendigerweise parallel zu den Richtungen des Laserstrahls im Medium ausgerichtet sein, sondern können, wie hier gestrichelt eingezeichnet ist, parallel zur Plattenkante bzw. im 45°-Winkel zum Laserstrahl 4 angeordnet sein. In diesem Beispiel sind die Pumpquellen 2 flächendeckend angeordnet. Es ist vorteilhaft, sie auf der Ober- und Unterseite der Platte anzubringen.

Die Laserleistung hängt wesentlich von der Anzahl an Pumpquellen, die jeweils genutzt werden, und von der Größe der Bereiche, in denen die laseraktiven Zentren angeregt werden, ab.

Da die Pumpstrahlung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahles 4 einfällt, treten Gradienten der Temperatur und der mechanischen Spannung ebenfalls senkrecht zu dieser Richtung in der Platte 10 auf. Bei coplanarem Strahlenver­ lauf in der Platte 10 nach Fig. 4 werden die Ränder des Laserstrahles 4 in Materialbereichen mit geringer Temperatur geführt, wohingegen die Mitte des Laserstrahles durch Bereiche mit hoher Temperatur geführt wird. Da deshalb die optischen Wege im aktiven Medium unterschiedlich sind, kann es zu unerwünschten Verzerrungen und zu einer Verschlechte­ rung der Qualität des Laserstrahles kommen. Man kann diesen Nachteil beheben, indem der Laserstrahl nicht mehr coplanar, sondern zick-zack-förmig zwischen Ober- und Unterseite der Platte geführt wird. Man gewinnt somit neben der Möglichkeit zur verteilten Anregung noch die typischen bekannten Vorteile des Plattenlasers (slab laser). Erreichen kann man diese Strahlführung dadurch, daß die Ein- und Auskoppel­ stellen 13 und 14 gegenüber denen nach Fig. 4 nicht senkrecht, sondern in einem Winkel von z.B. 45° zur Plattenebene geschnitten und poliert sind und der Laser­ strahl 4 unter dem gleichen Winkel in das aktive Medium ein- und ausgekoppelt wird.

Dies ist in Fig. 5a, b mit einem Schnitt längs AA′ und der dort skizzierten Führung der Normalen des Laserstrahles 4 in der Platte 10 gezeigt. Es ist in diesem Fall insbesondere bei Kühlung der Laserplatte mit einer Flüssigkeit vorteil­ haft Ober- und Unterseite ebenso wie die Seitenflächen für die Laserwellen zu verspiegeln.

Dies ist in Fig. 5b durch die Spiegelschicht 7 und 9 angedeutet, wovon die Spiegelschicht 9 wegen der darüber angeordneten Pumpquellen (hier Pumpquelle 2 c) für die Pumpstrahlung durchlässig ist.

Da bei solch einem fast vollständig verspiegelten System sehr leicht parasitäre Oszillationen des Lasers anschwingen, sollte die Verspiegelung nur auf die Oberflächenbereiche beschränkt werden, bei denen der Strahl reflektiert werden soll.

Die Pumpquellen 2 a, b, c, d, e sind längs eines Teils des Weges des Laserstrahls 4 angeordnet.

Die Platte 10 muß nicht notwendigerweise die Form eines Parallelepipedes haben. Fig. 6 zeigt den Verlauf des Laserstrahles 4 in einer trapezförmigen Platte 10, von der zwei Seitenflächen nicht parallel, sondern gegeneinander geneigt sind. Hier brauchen nur Teile der gegeneinander geneigten Flächen den Laserstrahl 4 ins aktive Medium zu reflektieren. Die kurze Endfläche 15 braucht dagegen weder poliert, noch verspiegelt zu sein, da der Strahl wegen der trapezförmigen Gestalt des aktiven Mediums bereits umgelenkt wird.

In Fig. 6 ist noch eine weitere vorteilhafte Änderung gegenüber den Fig. 2 bis 5 dargestellt. Die Spiegel­ schichten 11 und 12 des Resonators befinden sich auf einem Prisma 16, z.B. aus nichtaktivem Glas, das auf die Platte aufgebracht ist (z.B. mit Immersionsflüssigkeit, Kitt, Glaslot, evt. auch aufgesprengt). Da man dieses Verfahren auch bei den anderen geometrischen Formen nach Fig. 2 und 5 anwenden kann, können die dort gezeichneten Formen des aktiven Materials vereinfacht werden, was fertigungstech­ nische Vorteile bringt.

Als Pumpquellen für die beschriebenen Festkörperlaser können alle Arten von optischen Strahlquellen, wie z.B. Blitzlam­ pen, Gasentladungslampen, Plasmabrenner, andere Laser wie Gas- und Festkörper- oder Diodenlaser und auch Lumineszenz­ dioden verwendet werden.

Die ausführlich beschriebenen Beispiele beziehen sich auf Laseroszillatoren. Die zeitlich und räumlich verteilte Anregung des aktiven Mediums läßt sich auch bei Laserver­ stärkern anwenden. Man verzichtet dann in den Beispielen auf die Resonatorspiegel und läßt jeweils einen Laserstrahl in das aktive Medium einfallen, indem er längs des einge­ zeichneten Weges verstärkt werden kann, bis er das Medium verläßt.

Claims (14)

1. Laser mit einem laseraktiven Festkörpermedium und mehreren Pumpquellen, dadurch gekennzeichnet,
daß dieses laseraktive Medium eine Gestalt mit großer Oberfläche aufweist,
daß der Laserstrahl (4) im wesentlichen durch das gesamte laseraktive Medium geführt ist, und
daß eine Vielzahl dieser Pumpquellen (2) derart an der Oberfläche dieses laseraktiven Mediums angeordnet sind,
daß bei vorgegebener Laserleistung jeweils nur ein Teil dieser Pumpquellen (2) das laseraktive Medium anregen.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium die Gestalt eines dünnen, langen Stabes (1) aufweist.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses laseraktive Medium die Gestalt einer Platte (10) aufweist.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses laseraktive Medium die Gestalt eines Parallelepipeds aufweist.

5. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses laseraktive Medium die Gestalt eines Trapezes aufweist.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (4) im laseraktiven Medium unter mehrfacher Ausnutzung der Totalreflektion an den Grenzflächen des laseraktiven Mediums geführt ist.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium mit einer Spiegelschicht (7, 9) versehen ist, und daß der Laserstrahl (4) im laseraktiven Medium unter mehrfacher Ausnutzung der Reflexion an dieser Spiegelschicht (7, 9) geführt ist.

8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Spiegelschicht (9) teildurchlässig ist.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Spiegelschichten (7, 9) nur an den Stellen auf dem laseraktiven Medium aufgebracht sind, an denen der Laserstrahl (4) in das laseraktive Medium zurückreflektiert wird.

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorspiegelschichten (11, 12) direkt auf das laseraktive Medium aufgebracht sind.

11. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Pumpquellen (2) hintereinander längs des Weges (a, b, c, d) des Laserstrahls (4) im laseraktiven Medium an dessen Oberfläche angeordnet sind.

12. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese Pumpquellen (2) flächendeckend an der Oberfläche des laseraktiven Mediums unabhängig von der Richtung des Laserstrahls (4) angeordnet sind.

13. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese Pumpquellen (2) Laser- oder Lumineszenzdiodenarrays sind.

14. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß diese Pumpquellen (2) einzeln oder in Kombination zu mehreren das laseraktive Medium anregen.