DE4008226A1

DE4008226A1 - Laser diode pumped ring laser - has three crystals forming resonator including Faraday rotation element

Info

Publication number: DE4008226A1
Application number: DE19904008226
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl Ing Mehnert; Peter Dr Peuser; Nikolaus Dipl Ing Schmitt
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1991-09-19
Also published as: DE4008226C2

Abstract

A laser diode pumped solid state laser has three NO:YAG crystals (10a-10c) that have ground and polished surfaces such that the elements adhere together to form an optical contact. The surfaces of two of the crystals (10a,10c) are separated by an air gap (10d) which forms part of a resonator path (22) and contains a Faraday element (17). The complete resonator path is created by internal reflections from the crystal surfaces. Pumping energy is provided by laser diodes (24). ADVANTAGE - Generates high laser power.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkör perlaser mit longitudinalem Einmodenbetrieb gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a solid body pumped by laser diodes perlaser with longitudinal single-mode operation according to the generic term of claim 1.

Durch die Druckschrift "T.J. Kane, R.L. Byer - Opt. Lett. 10, 2 (1985) 65" ist ein solcher Festkörperlaser bekanntgeworden. Solche laserdioden gepumpte Festkörperlaser bieten neben hoher Effizienz - die das 10-fache gegenüber herkömmlichen Technologien erbringt - Kompaktheit und War tungsfreiheit, zudem noch die Möglichkeit, einen longitudinalen Einmo denbetrieb (single frequency) mit hoher Stabilität zu erzeugen. Solche Laser werden insbesondere in der Laserkommunikation - sei es über Glas faser oder im Weltraum zwischen den Satelliten - sowie für alle Arten von Meßzwecken, wie beispielsweise für Abstand, Geschwindigkeit, LIDAR und Holographie, benötigt.By the publication "T.J. Kane, R.L. Byer - Opt. Lett. 10, 2 (1985) Such a solid state laser has become known. Such laser diodes Pumped solid-state lasers offer not only high efficiency - but 10 times as much compared to conventional technologies - compactness and war freedom of movement, as well as the possibility of a longitudinal mono to generate the operation (single frequency) with high stability. Such Lasers are used particularly in laser communication - be it over glass fiber or in space between satellites - and for all types of measuring purposes, such as for distance, speed, LIDAR and holography.

Das Problem dieser "Single-Frequency-Laser" liegt jedoch in den Inhomo genitäten im Laser-Verstärkungsprofil (spatial hole burning) durch die Ausbildung von sogenannten "Knoten und Bäuchen" bei einer stehenden Wel le. Um dies zu vermeiden wird beim allgemeinen Stand der Technik - wie in der Fig. 1a skizziert - im Resonator eine umlaufende Welle mit unidi rektionaler Ausbreitungsrichtung erzeugt. Diese Wellenausbreitung wird im wesentlichen durch die Kombination eines Polarisators, eines λ/2-Plättchens und eines Faraday-Rotators erreicht. Die Anregung bei spielsweise eines Festkörpermaterials kann optisch erfolgen, insbesonde re können Laserdioden Verwendung finden, welche eine gute Überlappung von Emissions- und Absorptionsspektren ermöglichen, wie in Fig. 2 veran schaulicht ist. Außerdem weisen sie eine gute räumliche Modenüberlappung der Art auf, daß das Pumplicht longitudinal in die Resonatormode fokus siert werden kann, wie die Fig. 3 veranschaulicht. In der eingangs ge nannten Druckschrift ist solch ein System beschrieben, indem der Ringre sonator monolithisch und nicht-planar ausgeführt worden ist, wodurch ei ne zusätzliche mechanische Stabilität des Aufbaus als gewährleistet an gesehen wird, die beim Betrieb von solchen Lasern erforderlich ist. In diesem hier vorliegenden Falle bedeutet die Aussage "monolithisch", daß der Laserresonator allein durch eine geeignete Formung und Beschichtung des laseraktiven Mediums gebildet wird. Durch die nichtplanare Ausbrei tung der Resonatormoden infolge entsprechender interner Reflexionen wird zudem eine Polarisation des Laserlichtes erreicht. Die materialspezifi sche Verdet-Konstante des ND:YAG-Kristalls ist als ausreichend zu be zeichnen, um durch ein transversal angelegtes magnetisches Feld eine Ro tation der Polarisation zu erzeugen. Der Kristall wirkt so selbst als Faraday-Rotator. Dieser so ausgestaltete Kristall (Fig. 1b) wird von der Frontseite her mit einer Laserdiode longitudinal optisch gepumpt. Wei tergehende für Ein-Moden-Betrieb geeignete Pumpmöglichkeiten bestehen aber in dieser Konzeption nicht.The problem of this "single-frequency laser", however, lies in the inhomogeneities in the laser gain profile (spatial hole burning) due to the formation of so-called "nodes and bellies" in a standing wave. To avoid this, in the general prior art - as outlined in FIG. 1a - a rotating wave with a unidirectional direction of propagation is generated in the resonator. This wave propagation is essentially achieved by the combination of a polarizer, a λ / 2 plate and a Faraday rotator. The excitation in a solid material, for example, can take place optically, in particular laser diodes can be used, which allow a good overlap of emission and absorption spectra, as illustrated in FIG. 2. In addition, they have a good spatial mode overlap such that the pump light can be focused longitudinally into the resonator mode, as illustrated in FIG. 3. Such a system is described in the publication mentioned at the outset, in that the ring resonator has been designed to be monolithic and non-planar, as a result of which an additional mechanical stability of the structure is guaranteed to be required, which is required in the operation of such lasers. In this case, the statement "monolithic" means that the laser resonator is formed solely by suitable shaping and coating of the laser-active medium. Due to the non-planar expansion of the resonator modes as a result of corresponding internal reflections, polarization of the laser light is also achieved. The material-specific Verdet constant of the ND: YAG crystal can be described as sufficient to generate a rotation of the polarization through a transversely applied magnetic field. The crystal itself acts as a Faraday rotator. This crystal configured in this way ( FIG. 1b) is optically pumped longitudinally from the front using a laser diode. However, there are no further pumping options suitable for single-mode operation in this design.

Laser der vorbeschriebenen Art können derzeit jedoch nur mit einer Aus gangsleistung von wenigen 100 mW betrieben werden. Der Grund für diese Beschränkung ist einerseits die begrenzte Leistungsdichte der verfügba ren Halbleiterdioden, welche das Medium optisch pumpen, wobei nur eine einzige Pumpdiode longitudinal angekoppelt werden kann, anderseits ist die zum Einfrequenzbetrieb erforderliche Polarisations-Rotation bei ho hen Laserleistungen nicht mehr ausreichend, um eine unidirektionale Mo denausbreitung zu erreichen.However, lasers of the type described above can currently only be switched off power of a few 100 mW can be operated. The reason for this One limitation is the limited power density of the available Ren semiconductor diodes, which pump the medium optically, only one only pump diode can be coupled longitudinally, on the other hand the polarization rotation required for single-frequency operation at ho hen laser powers are no longer sufficient to achieve a unidirectional mo to achieve the spread.

Die bei der vorgegebenen lasermaterialspezifischen Verdet-Konstante not wendigen magnetischen Felder müßten unpraktikabel groß gemacht werden, um eine hinreichende Rotation und damit Resonatorverluste für die uner wünschte Ausbreitungsrichtung zu erzeugen.The not necessary at the given laser material specific Verdet constant agile magnetic fields would have to be made impractically large, sufficient rotation and thus resonator losses for the un desired direction of propagation.

Diskrete Aufbauten herkömmlicher Technologie gemäß dem Ausführungsbei spiel nach Fig. 1 sind mechanisch instabil und nur sehr aufwendig zu realisieren. Hinzu kommt noch, daß alle Teile eines solchen Aufbaus sehr genau justiert werden müssen, was sich natürlich sehr nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit solcher Einrichtungen - besonders bei der Fertigung großer Stückzahlen - auswirkt. Discrete structures according to the conventional technology Ausführungsbei game of FIG. 1 are mechanically unstable costly to implement and very. In addition, all parts of such a structure have to be adjusted very precisely, which of course has a very disadvantageous effect on the economic viability of such devices, especially when producing large quantities.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen laserdio dengepumpten Festkörperlaser der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorbeschriebenen Machteile nicht mehr aufweist und einen Festkör per-Ringlaser ergibt, der sowohl mit mehreren Halbleiter-Laserdioden op tisch longitudinal angeregt werden kann, als auch durch die geschaffene Möglichkeit einer Anbringung weiterer fest verbundener optischer Elemen te eine unidirektionale Modenausbreitung im Resonator ermöglicht.The present invention has for its object a laserdio to create the pumped solid-state laser of the type mentioned, the no longer has the above-mentioned Machteile and a solid per-ring laser, which operates both with several semiconductor laser diodes op table can be excited longitudinally, as well as by the created Possibility of attaching further permanently connected optical elements enables unidirectional mode propagation in the resonator.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Diese Erläuterungen werden durch die Figuren der Zeichnung ergänzt. Es zeigenThis object is achieved by the measures outlined in claim 1 solves. Refinements and developments are in the subclaims specified. Exemplary embodiments are given in the following description explained. These explanations are given by the figures of the drawing added. Show it

Fig. 1a eine Ringlaser-Konzeption gemäß dem Stand der Technik in sche matischer Darstellung der diskreten Aufbauweise; Figure 1a is a ring laser concept according to the prior art in cal matic representation of the discrete structure.

Fig. 1b eine perspektivische Ansicht und eine schematische Draufsicht mit entsprechender Seitenansicht eines zum Stand der Technik zählenden Ringresonators, der monolithisch nichtplanar ausge führt ist; Fig. 1b is a perspective view and a schematic plan view with a corresponding side view of a ring resonator belonging to the prior art, which leads out monolithically non-planar;

Fig. 2 ein Diagramm der spektralen Überlappung von Pumplaserdioden- Emission und Lasermaterial-Absorption; Fig. 2 is a graph of the spectral overlap of the emission and laser material Pumplaserdioden- absorption;

Fig. 3 ein Schemabild bezüglich der Modenüberlappung der Pumplicht strahlung und der Laser-Resonatormode bei longitudinalem opti schen Pumpen; Figure 3 is a schematic image with respect to the mode overlap of the pumping light radiation and the laser resonator mode in longitudinal optical pumps.

Fig. 4 eine Draufsicht auf die geschliffenen, zusammenzufügenden Kri stallkomponenten zur Bildung des planaren quasi-monolithischen Ringlasers; Figure 4 is a plan view of the ground, Kri stable components to be assembled to form the planar quasi-monolithic ring laser.

Fig. 5 eine Draufsicht des zusammengesetzten planaren quasi-monolithi schen Ringlasers mit seinem Strahlengang. Fig. 5 is a plan view of the composite planar quasi-monolithic ring laser with its beam path.

Wie die Fig. 4 veranschaulicht, werden drei ND:YAG-Kristalle 10a, 10b, 10c in der dargestellten Flächenform geschliffen. Insbesondere die zur Anlage kommenden Flächen 12 werden so poliert, daß beim Zusammenfügen der Kristallteile 10a, 10b und 10c diese allein durch Adhäsion aneinan der haften und miteinander untrennbar verbunden sind. Im Falle eines so genannten "optischen Kontaktes" entstehen keine optischen Grenzflächen, da zwischen den jeweils beiden Kristallschichten keine Luft eingeschlos sen ist. Damit aber entfällt die sonst erforderliche Entspiegelung die ser Flächen. Es entsteht weder ein Strahlversatz noch ergeben sich Re flexionsverluste.As illustrated in FIG. 4, three ND: YAG crystals 10 a, 10 b, 10 c are ground in the surface shape shown. In particular, the surfaces 12 coming into contact are polished so that when the crystal parts 10 a, 10 b and 10 c are joined together, they adhere to one another solely by adhesion and are inseparably connected to one another. In the case of a so-called "optical contact", there are no optical interfaces, since no air is enclosed between the two crystal layers. But this eliminates the otherwise necessary anti-reflective coating on these surfaces. There is no beam offset and there are no reflection losses.

Die beiden Flächen 14 der Kristalle 10a und 10c, welche den Luftspalt 10d zum Einbringen der Intra-Cavity-Elemente begrenzen, sind dagegen zu entspiegeln. Zum einen ist die Kristallgeometrie nun so gewählt, daß dies problemlos durchgeführt werden kann und zum anderen ist der zusam mengesetzte Kristall als Resonator 10 so geformt, daß die Resonatormode 22 senkrecht zur Kristallfläche 14 in das Medium (Luft) eintreten kann, womit ein Strahlversatz ebenfalls vermieden wird.The two surfaces 14 of the crystals 10 a and 10 c, which limit the air gap 10 d for introducing the intra-cavity elements, are to be antireflected. On the one hand, the crystal geometry is now chosen so that this can be carried out without any problems and, on the other hand, the composite crystal is shaped as a resonator 10 in such a way that the resonator mode 22 can enter the medium (air) perpendicular to the crystal surface 14 , which also means a beam offset is avoided.

Mach der optischen Kontaktierung der Kristalle 10a, 10b, 10c ist die Re sonatormode 22 allein durch die kristallinternen Reflexionen festgelegt. Der sich durch die vorgeschlagene Kristallform ergebende Winkel δ be trägt 90° und führt neben der Strahlreflexion auch zu einer Polarisation des Strahles, welche für eine unidirektionale Modenausbreitung in Ver bindung mit einem Faraday-Rotator 17 (mit seinem Magnet 18 für die Fara day-Rotation) erforderlich ist. Sollte nun die auftretende Polarisa tionsselektion nicht ausreichend sein, so kann in den Luftspalt 10d pro blemlos ein weiteres Polarisationselement in den Freiraum bei 20 einge fügt werden. Hieraus ergeben sich die Winkel β und γ. Die Resonator mode 22 bildet somit ein rechtwinkliges Dreieck, womit der Winkel Φ ebenfalls bestimmt ist.Mach the optical contacting of the crystals 10 a, 10 b, 10 c, the Re sonatormode 22 is determined solely by the crystal internal reflections. The angle δ be resulting from the proposed crystal shape is 90 ° and, in addition to the beam reflection, also leads to polarization of the beam, which for a unidirectional mode propagation in conjunction with a Faraday rotator 17 (with its magnet 18 for the Fara day rotation ) is required. If the polarization selection that occurs is not sufficient, another polarization element can easily be inserted into the free space at 20 in the air gap 10 d. The angles β and γ result from this. The resonator mode 22 thus forms a right-angled triangle, with which the angle Φ is also determined.

Hieraus folgt, daß die Resonatormode 22 den Winkel ξ bezüglich der Kristallfläche einschließt. Verspiegelt man eine der Flächen - hier in Fig. 5 ist es die mit einem bestimmten Radius 15 versehene Fläche 13c - als Resonator-Auskoppelspiegel, so kann in den Richtungen B, C, D Pump lichtstrahlung longitudinal unter einem Winkel ψ in den Resonator 10 fokussiert werden, wobei die einzelnen Strahlenbündel über Fokussierop tiken 23 von Pumplaserdioden 24 kommen. Da eine solche Strahlung in ho hem Maße polarisiert ist, wird bei geeigneter Lage der Polarisations richtung gemäß der Fresnel′schen Formeln nahezu 95% der Laserdioden strahlung in den Kristall bzw. den Resonator 10 fokussiert werden. Dies setzt aber voraus, daß die Kristalloberflächen zusätzlich antireflektie end beschichtet sind.It follows that the resonator mode 22 encloses the angle ξ with respect to the crystal surface. If one of the surfaces is mirrored - here in FIG. 5 it is the surface 13 c provided with a certain radius 15 - as a resonator coupling-out mirror, then in the directions B, C, D pump light radiation can enter the resonator 10 longitudinally at an angle ψ be focused, the individual beams coming via focusing optics 23 from pump laser diodes 24 . Since such radiation is polarized to a high degree, with a suitable position of the polarization direction according to the Fresnel formulas, almost 95% of the laser diode radiation is focused into the crystal or the resonator 10 . However, this presupposes that the crystal surfaces are additionally coated with an anti-reflective coating.

Als Ausführungsbeispiel für die Beschichtungen der in Fig. 4 gezeigten Flächen, seien folgende Werte angegeben:
die Beschichtung für die Fläche 13a soll bei 1064 nm hochreflektie rend und bei 810 nm antireflektierend sein,
die Beschichtung der Flächen 14 soll bei 1064 nm antireflektierend sein und
die Beschichtung der Fläche 13c soll bei 1064 nm eine Reflektivität von 98% haben und bei 810 nm antireflektierend sein.The following values are given as an exemplary embodiment for the coatings of the surfaces shown in FIG. 4:
the coating for surface 13 a should be highly reflective at 1064 nm and antireflective at 810 nm,
the coating of the surfaces 14 should be anti-reflective at 1064 nm and
the coating of the surface 13 c should have a reflectivity of 98% at 1064 nm and be anti-reflective at 810 nm.

In den Luftspalt 10d kann ein λ/2-Plättchen 16 und ein Faraday-Rotator 18 - ggf. auch ein zusätzlicher Polarisator - eingesetzt werden, wobei der Rotator 18 mit einem Material 17 hoher Verdet-Konstante, welche ver gleichsweise nur eine geringe Magnetfeldstärke bei hoher Laserleistung erfordert, versehen ist. Die Justage dieser externen, entspiegelten Ele mente ist im wesentlichen unkritisch. Zusätzlich können zu den vorge nannten Elementen - die wie bereits erwähnt auch als Intra-Cavity-Ele mente bezeichnet werden - weitere solcher Elemente 20 in den Freiraum des Luftspaltes 10d eingesetzt und optisch kontaktiert werden. Solche Elemente können beispielsweise schnelle Modulatoren, Güteschalter oder Frequenzverdopplungskristalle zur Erzeugung anderer Wellenlängen sein. Dies ist bei den bisher bekannten monolithisch aufgebauten Lasern nicht möglich. In the air gap 10 d a λ / 2 plate 16 and a Faraday rotator 18 - possibly also an additional polarizer - can be used, the rotator 18 with a material 17 having a high Verdet constant, which comparatively only has a low magnetic field strength required at high laser power is provided. The adjustment of these external, anti-reflective elements is essentially uncritical. In addition to the aforementioned elements - which, as already mentioned, are also referred to as intra-cavity elements - further such elements 20 can be inserted into the free space of the air gap 10 d and contacted optically. Such elements can be, for example, fast modulators, Q-switches or frequency doubling crystals for generating other wavelengths. This is not possible with the previously known monolithic lasers.

Diese Resonatorgeometrie ist somit gut geeignet, hohe Laserleistung durch Verwendung mehrerer Pump-Dioden zu erzeugen.This resonator geometry is therefore very suitable, high laser power by using multiple pump diodes.

Claims

1. Laser diode-pumped solid-state laser with longitudinal single-mode operation and unidirectional wave propagation, the solid-state material is optically excited and the pump light is focused longitudinally into the resonator mode, characterized in that the resonator ( 10 ) of the solid-state ring laser ( 100 ) from three laser crystals, for example Nd: YAG crystals ( 10 a, 10 b, 10 c) is formed, the crystal surfaces of which are ground and the surfaces which come into contact with Hochpo are polished, so that an adhesive contact is made during the assembly is guaranteed, whereby this assembly takes place in such a way that an air gap ( 10 d) for the introduction of intra-cavity elements - such as polarizer, Fara day rotator material, magnet for Faraday rotation, mode aperture etc. - ( 16 to 20 ) arises, whose two end faces ( 14 ) are non-reflective and the resulting crystal geometry ensures that the resonator mode ( 22 ) perpendicular to r crystal surface ( 14 ) enters the other medium (air).

2. Solid-state laser according to claim 1, characterized in that the laser crystals ( 10 a, 10 b, 10 c) ensure the formation of a resonator mode ( 22 ) after grinding and contacting.

3. Solid-state laser according to claim 1 or 2, characterized in that one ( 13 c) of the crystal surfaces is provided with a radius ( 15 ) and is designed as a resonator coupling-out mirror.

4. Solid-state laser according to claims 1 to 3, characterized in that the surfaces ( 13 a) of the ND: YAG crystal ( 10 a) are provided with a highly reflective coating at 1064 nm and an anti-reflective coating at 810 nm, while the Surfaces ( 14 ) of the crystals ( 10 a and 10 c) at 1064 nm anti-reflective and the area ( 13 c) of the Nd: YAG crystal ( 10 c) provided with a radius ( 15 ) partially reflective at 1064 nm and anti-reflective at 810 nm are coated.

5. Solid state laser according to claims 1 to 4, characterized in that on the surfaces ( 13 a and 13 c) via focusing optics ( 23 ) couple pumping light laser diodes pumping light radiation longitudinally at an angle ψ in the resonator mode volume ( 22 ).

6. Solid-state laser according to claims 1 to 5, characterized in that in the air gap ( 10 d) of the resonator ( 10 ) in addition to the intra-cavity elements ( 16 to 19 ) other such elements 20 - such as Po larizer, frequency doubler , Modulator and Q-switch - can be used and contacted.