DE4008225A1 - Laserdiodengepumpter festkoerperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen laserdiodengepumpten Festkörperla­ ser hoher Ausgangsleistung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Laserdiodengepumpte Festkörperlaser nach dem heutigen Stand der Technik ermöglichen es, hochstabile Lasersysteme mit zehnfach höherer Effizienz gegenüber Lasern herkömmlicher Technologien zu realisieren. Als Folge hiervon können derartige Lasersysteme kompakt und robust aufgebaut sein. Der Kühlbedarf ist gering und die Lebensdauer ist hundertfach höher.

Die Laserdioden selbst weisen einen Wirkungsgrad von 30 bis 50% auf, haben aber eine gegenüber Festkörperlasern 10fach geringere Strahl­ dichte. Die spektral recht schmalbandige Emission einer Laserdiode läßt sich exakt in das Absorptionsmaximum der meisten Festkörper-Lasermate­ rialien legen, wodurch Festkörperlaser mit Laserdioden hocheffizient op­ tisch gepumpt werden können, vorausgesetzt, daß es gelingt, gezielt das Pumplicht in das sogenannte Modenvolumen zu fokussieren.

Longitudinales Pumpen, kollinear mit der Laseremission, ermöglicht hier einen sehr großen Überlapp zwischen Pumplicht- und Modenvolumen, be­ schränkt aber die Anzahl der verwendbaren Pumpdioden. Die Fig. 1a der Zeichnung zeigt eine Schemaskizze eines bekannten Ausführungsbeispiels, wobei die Spiegel am Nd:YAG-Kristall einmal eine Anti-Reflexionsbe­ schichtung und eine hochreflektierende Beschichtung und zum andernmal eine teilreflektierende Beschichtung aufweisen. Zu diesem Ausführungs­ beispiel ist noch zu sagen, daß Hochleistungs-Laserdioden mit konti­ nuierlichen Ausgangsleistungen von mehr als einem Watt aufgrund der ho­ hen Flächenleistungsdichte auf den Spiegelflächen Emissionsflächen von einigen µm mal 10 mm aufweisen. Derartige Flächen lassen sich aufgrund der Abbildungsbeschränkungen durch den Satz von Liouville (Beschränkung des Phasenraumes) nicht mehr effizient longitudinal in einen Resonator einkoppeln.

Bei Verwendung mehrerer longitudinaler Pumpdioden nimmt der Pumplicht- Strahldurchmesser zudem weiter zu und kann nicht mehr in das Modenvolumen eines herkömmlichen Resonators fokussiert werden. In diesem Falle geht man üblicherweise dazu über, transversal zu pumpen. Dies aber besagt, daß die Pump-Laserdioden senkrecht zur Resonatormode anzuordnen sind, wie dies aus der Fig. 1b zu entnehmen ist. Es kann so die Leistung vieler Laserdioden großer Emissionsfläche in einem Festkörperlaser-Resonator integriert wer­ den, ohne daß sich die rein durch die Resonatorgeometrie bestimmten Strah­ lungseigenschaften des Festkörperlasers ändern würden. Wenn auch die Effi­ zienz geringer ist als bei longitudinalem Pumpen, kann hier doch eine hö­ here Ausgangsleistung durch die Verwendung von mehreren Pumpdioden er­ reicht werden. Üblich ist es, hier einen beispielsweise stabförmigen La­ serkristall ringartig mit Pumpdioden zu umgeben. Problematisch ist aller­ dings, daß die Intensität des Pumplichtes im Laserstab exponentiell mit zunehmender Tiefe abnimmt, wie die Fig. 1c veranschaulicht. Das Modenvolu­ men sollte also zur Absorption einer möglichst hohen Leistung einerseits möglichst nahe an der Pumpdiode verlaufen, andererseits aber ist bei einem dadurch bedingt dünnen Laserstab die Anzahl der Pumpdioden aus geometri­ schen Gründen beschränkt. Es widersprechen sich also die Verwendung einer großen Anzahl von Pumpdioden zur Erzeugung hoher Leistungen und das effi­ ziente Anregen des Modenvolumens.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bisheri­ gen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und Maßnahmen aufzu­ zeigen, die es ermöglichen, das Modenvolumen eines Laserresonators in vie­ le Teilvolumina aufzuspalten welche voneinander räumlich getrennt sind und daß viele Laserdioden sehr dicht an das Modenvolumen herangeführt werden können sowie eine gute Überlappung von Pumplichtvolumen zu Modenvolumen gewährleistet ist, wobei gleichzeitig der Modenradius unverändert bleibt und weiterhin die Einkopplung in die nun auf mehrere Orte aufgespaltene Resonatormode sowohl transversal als auch in bestimmten Fällen zusätzlich longitudinal erfolgt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen in über­ raschender Weise gelöst. In den Unteransprüchen sowie in dem Nebenanspruch sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgen­ den Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Schemabild zum longitudinalen Pumpen beim derzeitigen Stand der Technik,

Fig. 1b eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbei­ spiels zum transversalen Pumpen nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines schematischen Aufbaus ei­ nes Multireflexions-Laserresonators nach der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch das laserak­ tive Medium mit den Durchtrittsöffnungen der Resonatormoden und transversal angeordneten Pumplaserdioden,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung eines halbmonolithischen Aufbaus eines Multireflexions-Laserreso­ nators nach der Erfindung,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung gemäß Fig. 4 mit zusätzlich longitudinal angeordneten Pumplaser­ dioden und Kopplung der Dioden direkt über eine Ankoppeloptik,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung gemäß Fig. 5 mit Kopplung der Dioden über Lichtleitfasern,

Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung eines monolithischen Aufbaus eines Multireflexions-Laserresonators in vereinfachter Darstellung,

Fig. 8a eine perspektivische Darstellung gemäß Fig. 7 mit zusätzlich lon­ gitudinal angeordneten Pumplaserdioden und deren direkte Kopp­ lungsoptik,

Fig. 8b eine perspektivische Darstellung gemäß Fig. 7 mit zusätzlich lon­ gitudinal angeordneten Pumplaserdioden und deren Kopplung über Lichtleitfasern,

Fig. 9 ein Blockschaltbild des Multireflexions-Laserresonators mit zu­ sätzlich eingebrachten Intra-cavity-Elementen.

Wie schon angeführt, zeigen die Fig. 1a bis 1c Ausführungsformen des Stan­ des der Technik. Ein Ausführungsbeispiel der nachfolgend beschriebenen Er­ findung ist in der Fig. 2 dargestellt. Hier wird nun in einem symmetri­ schen Laserresonator 10 ein zweites, mit je einem kleinen Einkoppel- bzw. Auskoppelloch 12a versehenes Spiegelpaar 12 symmetrisch eingebracht. Bei geeigneter Wahl der Spiegelparameter wird nun eine Vielfachreflexion an diesem Spiegelpaar 12 erfolgen, das heißt, der Resonatormode 14 wird in viele reflektierte Resonatormoden 14a zerlegt. Die Auftreffpunkte dieser Reflexionsmoden 14a auf den Spiegeln 12 werden so gewählt, daß sie leicht kreisförmig möglichst nahe am Spiegelrand angeordnet sind. Auf diese Weise durchläuft die durch die äußeren beiden Spiegel 11, 13 bestimmte Resona­ tormode 14 vielfach das in der Mitte der sogenannten "Multireflexionszel­ le" - also die Anordnung zwischen und mit den beiden Spiegeln 12 - einge­ brachte laseraktive Medium, im vorliegenden Fall ein Laserkristall 17, ehe die Mode 14 den Auskoppelspiegel 11 erreicht und den Laserstrahl 15 er­ gibt. Hierbei durchläuft - wie bereits erwähnt - die Resonatormode 14 bei jeder Reflexion im inneren Spiegelpaar 12 einen anderen Ort des Laserme­ diums 17, wobei alle diese Orte bei geeigneter Wahl der Spiegelparameter auf einem Kreis liegen. Eine Aufweitung der Moden - also Vergrößerung des Modenradius - tritt hierbei nicht auf, wenn die Spiegel 12 so gewählt sind, daß jeder einzelne Teilstrahl, der nachstehend als "reflektierte Re­ sonatormode 14a" bezeichnet wird, in sich selbst fokussiert wird.

An jedem Durchtrittsort 17a der Mode 14a durch das aktive Lasermaterial - Laserkristall 17 - wird nun eine Pumplichtlaserdiode 16 angeordnet, die als ein Hochleistungs-Laserdiodenarray mit breiter Emissionsfläche ausge­ bildet ist. Wie die Fig. 3 veranschaulicht, strahlen diese Pumplichtdioden 16 transversal in die Resonatormode 14 bzw. in die einzelnen reflektierten Resonatormoden 14a ein und erzeugen dort eine Inversion. Die Anzahl der Orte und damit der Laserdioden sind aus der Multireflexzellen-Geometrie frei wählbar. Außerdem sollen die einzelnen Moden 14a wieder in der Nähe jeder einzelnen Pumplichtdiode 16 verlaufen, so daß die Pumplichtleistung mit hoher Effizienz in das Modenvolumen eingekoppelt wird. Das laseraktive Medium 17 wird zudem mehrfach genutzt, da die Mode dasselbe Medium an ver­ schiedenen Orten immer wieder durchläuft und somit eine Sättigung der In­ version in diesem Medium vermieden wird.

Die Fig. 4 veranschaulicht nun ein Ausführungsbeispiel für einen halbmono­ lithischen Aufbau, bei dem einer der beiden Multireflexionsspiegel 12 aus dem aktiven Lasermaterial 17 - also hier der Laserkristall - selbst be­ steht. Der Kristallkörper (Scheibe) 17 wird einseitig mit einer konvexen Wölbung 17b versehen, deren Radius genau dem des gegenüberliegenden Multi­ reflexionsspiegels 12 entspricht. Diese gekrümmte Fläche 17b ist für die Laserwellenlänge hochreflektierend verspiegelt und wird nachfolgend als "verspiegelte Krümmungsfläche 17b, 117b" bezeichnet. Diese Fläche weist in ihrer Verspiegelung ein kleines Loch zur Einkopplung auf, während die ge­ genüberliegende Rückseite des Kristalls 17 antireflektierend beschichtet ist. Auch hier sollten nun die reflektierten Resonatormoden 14a wieder möglichst nahe des Scheiben- bzw. Kristallrandes ihre Auftrefforte haben, um ein effizientes Pumpen zu gewährleisten.

In einem weiterführenden Ausführungsbeispiel - Fig. 5 - wird nun zusätz­ lich von der Rückseite des Laserkristalls 17 her - also von der gekrümmten Seite her - longitudinal Pumplaserstrahlung direkt in jede der einzelnen auftreffenden reflektierten Resonatormoden-Teilstücke 14a eingekoppelt. In der Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem das longi­ tudinale Laserdioden-Pumplicht 21 über Glasfaserelemente 20 eingekoppelt wird. Es kann bei beiden Ausführungsbeispielen also longitudinal an genau so vielen Orten Pumplicht eingekoppelt werden wie transversal.

Dieses longitudinale Pumpen mit Laserdioden (nicht gezeigt) kleiner Emissionsfläche und niedriger Leistung ermöglicht nun einerseits eine vollständige Absorbtion der Pumplichtenergie in hinreichend dickem Laser­ material (einige Millimeter) und andererseits wird jede Diode in einen einzigen Modenreflex 14a eingekoppelt, so daß eine Beschränkung durch den Satz von Liouville - wie eingangs bereits ausgeführt - nicht zum tragen kommt.

Die Fig. 7 zeigt nun ein weiterführendes Ausführungsbeispiel, bei dem die bisher plane Seite des Laserkristalls 17, nunmehr 117, ebenfalls gekrümmt ausgebildet wird. Der Krümmungsradius dieser Seitenfläche 117b entspricht demjenigen der gegenüberliegenden, bereits gekrümmten Seitenfläche 117a. Hierdurch entfällt auch der zweite Multireflexionsspiegel 12 und ein kom­ pletter monolithischer Aufbau ist damit gewährleistet. Hierbei wird auch diese Kristallfläche 117b hochreflektierend verspiegelt und mit einem kleinen Loch 117a im Coating zum Auskoppeln versehen. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel sind also nurmehr drei Elemente notwendig, nämlich die bei­ den Resonatorspiegel 11, 13 und der Laserkristall 117. Das transversale Pumpen mit Dioden breiter Emissionsfläche 116 ist auch hier wie beim halb­ monolithischen Ausführungsbeispiel gegeben.

Die Fig. 8a und 8b zeigen Ausführungsbeispiele gemäß denjenigen bei halb­ monolithischem Aufbau. Auch beim monolithischen Aufbau ist ein longitudi­ nales Pumpen wie dort gegeben und die Anordnungen sind wie bereits be­ schrieben auch hier durchführbar und verdoppeln die Möglichkeit des hoch­ effizienten longitudinalen Pumpens.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 9 veranschaulicht, wie und wo in konventio­ neller Weise weitere Intracavity-Elemente - also Güteschalter 23, Fre­ quenzverdopplungskristall 24 etc. - in den Resonator 10 eingebracht wer­ den. Dies geschieht unmittelbar nachdem die Resonatormode 14 den Multire­ flexionsbereich 22 durchlaufen hat. Anzuführen wäre noch, daß für alle vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele sowohl zur transversalen als auch zur longitudinalen Anregung Halbleiter-Laserdioden verwendet werden können.

Claims (10)

1. Laserdiodengepumpter Festkörperlaser hoher Ausgangsleistung, bei dem mehrere Hochleistungs-Laserdioden das Pumplicht erzeugen und dem stab­ förmigen Laserkristall im symmetrisch aufgebauten Laserresonator zugeord­ net sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem hochreflektierenden Resonatorspiegel (13) und dem Resonator-Auskoppelspiegel (11) zwei Multi­ reflexions-Spiegel (12) mit je einer Öffnung (12a) angeordnet sind, zwi­ schen denen (12) das laseraktive Medium (17) - z. B. Laserkristall - ange­ ordnet und von der Resonatormode (14) vielfach durchlaufen wird und an den Durchtrittsorten der reflektierten Resonatormode (14a) durch das laserak­ tive Medium (17) Pumplichtlaserdioden (16) zur transversalen Einstrahlung in die reflektierte Resonatormode (14a) angeordnet sind.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsorte (17a) des laseraktiven Mediums (17) (Laserkristall) ent­ sprechend den gewählten Parametern der Spiegel (12) auf einem Kreis liegen.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierte Resonatormode (14a) in der Nähe jeder einzelnen Pump­ lichtlaserdiode (16) verläuft.

4. Festkörperlaser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß einer der beiden Multireflexionsspiegel (12) von dem laserakti­ ven Medium (17) (Kristall) selbst gebildet wird, wobei die eine Kristall­ fläche mit einer - diesem Spiegel entsprechenden - hochreflektierend ver­ spiegelten Krümmung versehen und auf der Rückseite (17b) des Laserkri­ stalls (17) eine Antireflexschicht aufgebracht ist.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laserkristall (17) in jedes einzelne reflektierte Resonatormoden- Teilstück (14a) direkt longitudinal Pumplaserstrahlung einer Laserdiode schmaler Emissionsfläche (19) über eine Ankoppeloptik (18) einkoppelbar ist.

6. Festkörperlaser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Laserkristall (17) zusätzlich in jede Resonatormode (14a) longitudinal über eine Glasfaser (20) zur Ankopplung von Laserdioden schmaler Emissionsfläche (19) Laserdiodenstrahlung (21) zuführbar ist.

7. Laserdiodengepumpter Festkörperlaser hoher Ausgangsleistung, bei dem mehrere Hochleistungs-Laserdioden das Pumplicht erzeugen und dem stabförmigen Laserkristall im symmetrisch aufgebauten Laserresonator zu­ geordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem hochreflektie­ renden Resonatorspiegel (13) und dem Resonator-Auskoppelspiegel (11) ein stabförmiger Laserkristall (117) angeordnet ist, dessen beide Endflächen (117a, 117b) mit einer Krümmung des gleichen Radius und einer hochre­ flektierenden Spiegelschicht (117d) sowie mit einer Öffnung (117e) zum Ein- und Auskoppeln der Resonatormode (14) versehen ist und jedem dieser Durchtrittsorte (117c) der Resonatormoden-Teilstücke durch den Laserkri­ stall (117) eine oder mehrere Pumplichtlaserdioden (116) zur transversa­ len Einstrahlung in die reflektierten Resonatormoden (14a) zugeordnet sind.

8. Festkörperlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laserkristall (117) zusätzlich in jede einzelne reflektierte Resona­ tormode (114a) direkt longitudinal Pumplaserstrahlung über eine Ankop­ peloptik (118) und eine Laserdiode schmaler Emissionsfläche (119) einge­ koppelt wird oder über eine Glasfaser (120) Laserdiodenstrahlung (121) zugeführt wird.

9. Festkörperlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Multireflexionsbereich (22) und dem Resonator-Auskoppelspiegel (11) weitere intracavity-Elemente - wie Güteschalter (23) und Frequenzverdopplungskristall (24) - angeordnet sind.

10. Festkörperlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Resonatormoden-Teilstück refokus­ siert und damit eine Strahlaufweitung vermieden wird.