DE4041130A1 - Festkoerper-lasersystem - Google Patents

Festkoerper-lasersystem

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Axel Dipl Ing Mehnert
Peter Dr Peuser
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-Lasersystem gemäß dem Gat­ tungsbegriff des Anspruches 1.
Festkörper-Lasersysteme deren Festkörperlaser durch Laserdioden gepumpt werden, sind an sich bekannt. Ein solches System besteht aus einem elek­ tronischen Stromversorgungs- und Regelkreis, einer Kühlmöglichkelt für Laserdiode und gegebenenfalls für den Laserkristall und anderen opti­ schen Komponenten sowie mechanischen Halterungs-, Justier- und Regelvor­ richtungen. Die laserdiodengepumpten Festkörperlaser nach dem Stand der Technik bestehen aus mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Einheiten, nämlich einer elektronischen Versorgungs- und Regeleinheit sowie einem optischen Kopf mit zugehörigen mechanischen Vorrichtungen. Der elektronische Versorgungs- und Regelteil besteht aus diskret aufge­ bauten elektronischen Elementen, der optische Kopf hat typische Abmes­ sungen von 100 mm·50 mm·50 mm.
Bestimmend für die Größe des optischen Kopfes sind hierbei nicht im we­ sentlichen die optischen Elemente, welche bei weitem kleiner gefertigt werden könnten, sondern vielmehr die gegenüber den Abmessungen der opti­ schen Elemente recht makroskopischen, mechanischen Justier- und Stell­ elemente. Die Größe der Elektronik ist im wesentlichen bestimmt durch einen Mangel an systemspezifisch integrierten elektronischen Bauteilen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein diodengepump­ tes Festkörperlaser-System der eingangs genannten Art zu schaffen, das wesentlich miniaturisiert und in seinen Anwendungsmöglichkeiten durch leichte Variierung seiner Komponenten bzw. seiner hohen Flexibilität be­ züglich der Anwendungsspezifikationen optimiert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen in überraschend einfacher Weise gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausge­ staltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Be­ schreibung werden einige Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figu­ ren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Grundausführungsbeispieles in schematischer Darstellung,
Fig. 2a ein Schemabild eines Ausführungsbeispiel es von einem Einfrequenz- Kristall-Laser,
Fig. 2b ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles von einem abstimmba­ ren Einfrequenz-Kristall-Laser,
Fig. 3 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles eines Einfrequenz-Kri­ stall-Lasers mit ringartiger Formung des Resonators,
Fig. 4 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles von einem Einfrequenz- Mikrosystem-Laser durch Einbringung weiterer Intra-Cavity-Elemen­ te,
Fig. 5 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles eines gütegeschalte­ ten und frequenzverdoppelten Mikrosystem-Lasers,
Fig. 6 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles von einem "gain-ge­ schalteten" Mikrosystem-Laser,
Fig. 7 ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels mit einer Pumplichtin­ tegration mehrerer Laserdioden zum Pumpen des einzigen Laserkri­ stalls.
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Mikrosystem-Festkörper­ lasers 10, wie ihn die Erfindung in seiner Grundkonzeption vorsieht. Auf einem Basis-Chip 11 aus Silizium, Galliumarsenid, Keramik oder ähnlichem ist eine Pumplicht-Halbleiterlaserdiode 12 dergestalt montiert, daß die Strahlung dieser Pumplichtdiode 12 über eine geeignete Optik 13 so auf einen Laserkristall 14 fokussiert wird, daß dieser optisch angeregt in­ nerhalb eines Resonators, welcher auf dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel monolithisch auf dem Laserkristall aufgedampft ist, seinerseits Laserstrahlung emittiert. Ein Teil der Laserstrahlung wird über einen Strahlteiler 15 auf einem auf dem Basis-Chip 11 angebrachten Strahlungs­ detektor 16 registriert, das elektrische Signal desselben wird zu einem Regelelektronik-Kreis 17 geführt, welcher dieses Signal auswertet und seinerseits eine Stromregelung der Laserdiode durchführt. Innerhalb des Basis-Chips 11 können sich Kühlkanäle 20 befinden, welche sowohl die La­ serdiode 12 als auch den Laserkristall 14 kühlen. Insbesondere die Halb­ leiterlaserdiode 12 muß auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, da über diese ihre Emissionswellenlänge bestimmt wird, welche ihrerseits für einen optimalen Pumpprozeß innerhalb streng definierter Grenzen zu halten ist. Die Regelung des Kühlmitteldurchflusses erfolgt vorzugsweise mikromechanisch, wobei die zur Ansteuerung der Mechanik notwendigen elektrischen Impulse von der Regelelektronik bzw. von deren Mikroprozes­ sor 17 geliefert werden. Auch Spiegel, Optik oder weitere - hier nicht näher skizzierte - Elemente, können mikromechanisch manipuliert werden. Die Kühlung kann auch durch geeignete andere Elemente, wie z. B. Peltier- Elemente geschehen.
Durch Anordnung weiterer oder durch spezielle Formung anderer "Intra-Ca­ vity-Elemente" ist es nun möglich, solche wie vorbeschrieben hybrid auf­ gebaute Festkörperlaser den jeweils gewünschten Anwendungsspezifikatio­ nen anzupassen, wie nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen erläu­ tert wird.
Das in Fig. 2a gezeigte Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine auf dem Basis-Chip 11 integrierte, mit einem Kühlkörper 18 versehene, Laserdiode 12, die über eine Kollimations- und Fokussleroptik 13 einen Laserkri­ stall 14 pumpt. Sind auf diesem Laserkristall 14 die beiden Spiegel­ schichten monolithisch beidseitig aufgedampft - wie dies von der Anmel­ derin bereits vorgeschlagen worden ist - und weist der Laserkristall ei­ ne Dicke von typischerweise < 1 mm auf, so daß sich in diesem so gebilde­ ten Resonator nur eine einzelne Resonatormode ausbilden kann, so führt der so angeregte Laserkristall zu Einfrequenzstrahlung. Ein Teil der emittierten Strahlung wird über den Strahlteiler 15 (Beam Splitter) aus der Ausgangsstrahlung ausgekoppelt und seine Intensität über eine Foto­ diode 16 gemessen. Ein aus diesem Meßstrahl mittels des Spiegels 15a ausgekoppelter Teilstrahl durchläuft ein Fabry-Perot-Interferometer 21, an dessen Ende ebenfalls eine Fotodiode 22 angebracht ist. Auf diese Weis bekommt die Regelelektronik (µP) 17 sowohl Informationen über die Intensität der Laserstrahlung als auch über die spektrale Lage der Ausgangsstrahlung bezüglich eines resonanten Referenz-Resonators 21. In dieser und den weiteren angegebenen Figuren der Zeichnungen ist die exakte Ansteuerung der Laserdiode und des Kühlmittelflusses 18, 19, 20 aus Übersichtsgründen nicht skizziert.
Die Fig. 2b veranschaulicht eine etwas erweiterte Konfiguration. Der Mi­ krokristall-Laser 14 ist hier mit einem einseitig bedampften Laserkri­ stall versehen, dem - durch einen Spalt 14s getrennt - ein beweglich ge­ lagerter Glasspiegel 23 zugeordnet ist. Durch entsprechende Positions­ einstellung des Spiegels 23 ist die Resonatormode veränderbar und der Laser in seiner Frequenz einstellbar. Wird hier der Spiegel 23 durch ei­ nen nichtlinearen, frequenzverdoppelnden Kristall gebildet, dessen eine Seite die Laserspiegelschicht 23′ trägt, so ist die Möglichkeit geschaf­ fen, die Grundwellenlänge der Laserstrahlung frequenzverdoppelnd oder aber durch Mischung der Grundwellenlänge mit der Pumplicht-Wellenlänge mittels Summenfrequenz-Erzeugung Laserstrahlung im sichtbaren Bereich zu erhalten.
Die Fig. 3 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem, Einfrequenz-Laserbetrieb dadurch erreicht wird, daß der Laserkristall 114 so ausgebildet ist, daß sich eine ringförmige Resonatormode ausbil­ det, welche durch weitere "Intracavity-Elemente" 114a unidirektional se­ lektiert wird. Auch dieser Resonator emittiert Eigenfrequenzstrahlung, kann jedoch über die Anordnung von mehreren Laserdioden 112, 112′, 112′′ und entsprechend mehreren Pumplichtoptiken 113, 113′, 113′′ optisch ange­ regt werden, so daß insgesamt eine höhere Laserstrahl-Ausgangsleistung zur Verfügung steht. Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2a und 2b wird ein Teil der Laserstrahlung über einen Strahlteller 115 aus­ gekoppelt, dieser Teilstrahl seinerseits wieder aufgeteilt auf eine Fo­ todiode 116 und ein Fabry-Perot-Interferometer 121. Am Ausgang des letz­ teren ist ebenfalls eine Fotodiode 122 angeordnet. Auch hier geben die Fotodioden 116, 122 die Regelelektronik 117 Informationen über Ausgangs­ leistung und Frequenz des Lasers.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 4 skizziert. Durch Ein­ bringen weiterer Elemente in einen Resonator, der sich aus einem Laser­ kristall 214, der von einer Laserdiode 212 über eine Pumplichtoptik 213 kollinear mit der Laserstrahlung angeregt wird, und zwei Viertelwellen­ plättchen 225 zusammensetzt, selektieren diese Plättchen 225 die sich im Kristall ausbreitende Mode derart, daß zusammen mit einem Brewster-Pola­ risator 226 sich innerhalb des durch das Plättchen 225 und den Auskop­ pelspiegel 227 gebildeten Resonators nur eine einzelne longitudinale Mo­ de ausbildet. Der Spiegel ist hierbei monolithisch auf das erste Vier­ telwellenplättchen 225 aufgedampft, der zweite Spiegel 227 kann hierzu piezoelektrisch oder analog mechanisch zur Frequenzabstimmung bewegt werden. Das Verfahren der Ausgangsleistungs- und Frequenzabstimmung ist analog der vorherigen Ausführungen.
In Fig. 5 wird durch einen in den von den Spiegeln 325 und 327 gebilde­ ten Resonator eingebrachten Güteschalter 328 die Resonatorgüte perio­ disch geschaltet, so daß durch Speicherung der Pumplichtenergie bei Durchlässigkeit des Güteschalters 328 sehr hohe Laserpulsleistungen ent­ stehen. Dieser Güteschalter 328 kann sowohl aus elektrooptischem Mate­ rial als auch aus akustooptischem oder auch aus mikromechanischen Ein­ richtungen bestehen. Ein gegebenenfalls in den Resonator eingebrachter nichtlinearer Kristall 329 führt hier zu einer sehr effizienten Fre­ quenzverdopplung oder -mischung.
Ein Ausführungsbeispiel, mit dem Laserlichtpulse erzeugt werden und die Pulsform des Lasers sehr genau modifizierbar ist, veranschaulicht die Fig. 6. Ein Festkörperlaser, bestehend aus monolithisch auf dem Laser­ kristall 414 aufgebrachten Einkoppelspiegel 425 sowie einem extern befe­ stigten Auskoppelspiegel 427, optisch gepumpt über eine Laserdiode 412 mittels einer Kollimations- und Fokussieroptik 413 wird zusätzlich transversal von einem Laserdioden-Array 430 gepumpt. Hierbei werden die Laserdiode 413 sowie die Dioden des Laser-Arrays 430 so angesteuert, daß die Laserdiode 413 eine kontinuierliche Pumpleistung solcher Intensität emittiert, daß der Festkörperlaser gerade an der sogenannten Laser­ schwelle betrieben wird. Die Ausgangsleistung ist hierbei minimal, je­ doch bildet sich ein sehr stabiler Pulsbetrieb dann aus, wenn periodisch das Array 430 pulsförmig angesteuert wird.
In der Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel für die optische Anregung ei­ nes Festkörperlasers 514 gezeigt, bei dem über ein aus mehreren Laser­ dioden bestehendes Array 530 gepumpt wird. Die Pumplichtleistung wird hierbei über ein Pumplichtintegrationselement 531 in die Kollimations­ und Fokussieroptik 513 gekoppelt. Dieses Pumplichtintegrationselement 531 kann sowohl aus mehreren justierten Glasfaserstücken 515 als auch aus einem integrierten Wellenleiter gebildet werden.
Mit den hier vorgeschlagenen Maßnahmen ist die Möglichkeit geschaffen worden, festkörperlaser-Systeme mit anwendungsspezifizierten Lasereigen­ schaften sehr weitgehend zu miniaturisieren, denn alle Elemente des Festkörper-Lasersystems, der Optik, Mechanik und der Elektronik sind hy­ brid auf einem einzigen Basis-Chip aufgebaut. Ein derart ausgebildeter Mikrosystem-Festkörperlaser bildet einen zu Intelligenten Sensoren kom­ plementären intelligenten Sender, welcher nicht nur bisherige Meßsysteme stark miniaturisiert, sondern aufgrund dessen Kompaktheit und Integra­ tionsgrad völlig neuartige Sensor- und Meßanordnungen ausführbar gewor­ den sind, beispielsweise für die militärische und zivile Meßtechnik, als auch die Verwendung solcher neuer Lasersysteme in Display-Systemen und in der Unterhaltungselektronik.

Claims (16)

1. Festkörper-Lasersystem, bestehend aus einem laserdiodengepumpten Festkörperlaser mit einer elektronischen Versorgungs- und Regeleinheit so­ wie einem optischen Kopf mit zugehörigen Justier- und Stellelementen, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Mikrosystem-Festkörper-Laser­ systems (10) in einem hybride aufgebauten Bauelement auf einem Basis-Chip (11) alle zum Betrieb eines Festkörper-Lasers notwendigen Elemente, wie Anregungslichtquelle, Festkörper-Lasermaterial, Spiegel, anwendungsspezi­ fische Resonatorkonfigurationen und Elemente, Strahlungssensoren und Meß­ systeme, Steuer- und Regelelektronik sowie Kühlungssysteme integriert sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Basis-Chip (11) die Pumplichtdiode (12), die Fokussieroptik (13), der mo­ nolithische Laserkristall (14) - von dessen Strahlung ein Teil mittels ei­ nes Strahltellers (15) einem Strahlungsdetektor (16) eingegeben und einem Regelelektronik-Kreis (17) zugeleitet wird - wobei diese Elektronikelemen­ te (15, 16, 17) zusammen mit Kühleinrichtungen (18, 19, 20) und weiterer spezifischer "intra-cavity-Elemente" in mikromechanischer Ausführung und Manipulation integriert sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtdiode (12) eine Halbleiter-Laserdiode ist und das Festkörper-La­ sermaterial aus dotiertem Kristall- oder Glasmaterial gebildet wird.
4. System nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Kristallgeometrie oder durch Einbringen weiterer Elemente in den Resonator Einfrequenzbetrieb erzielbar ist.
5. System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ba­ sis-Chip (11) aus Silizium, Galliumarsenid, Keramik, Metallen oder einer Kombination dieser besteht und mit Kühlkanälen (20) für die Laserdiode (12) und den Laserkristall (14) versehen ist.
6. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserkristall (14) zur Bildung eines monolithischen Resonators für eine Eigenfrequenzstrahlung an seiner Strahl eingangs- und seiner -ausgangfläche je mit einer Spiegelschicht versehen ist und ihm (14) ein Strahlteiler (15) nachgeordnet ist, der einen Teil (St) der Aus­ gangsstrahlung (S) zur Intensitätsmessung über eine Fotodiode (16) einem Mikroprozessor des Regelelektronik-Kreises (17) eingibt und diesem Teil­ strahl (S′) einen weiteren Tellstrahl (S′′) über einen Spiegel (15a) zur Eingabe in ein Fabry-Perot-Interferometer (21) als resonanter Referenz-Re­ sonator und einer nachgeordneten Fotodiode (22) auskoppelt.
7. System nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrokristall-Laser (14) aus einem einseitig mit einer Einkoppel-Spie­ gelschicht bedampften Laserkristall (14′) besteht, dem auf der Auskoppel­ seite nach Bildung eines kleinen Spaltes (14s) ein bewegbar gelagerter Glasspiegel (23) zugeordnet ist.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasspie­ gel (23) durch einen nichtlinearen, frequenzverdoppelnden Kristall (23′) gebildet wird, dessen eine Seite die Laserauskoppel-Spiegelschicht trägt.
9. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserkristall (114) zur Bildung einer ringförmigen Resonatormode geformt ist, die durch weitere "Intracavity-Elemente" (114a) unidirektional selektiert wird, wobei den einzelnen Flächen des Kristalls zur Anregung weitere Pumplichtdioden (112, 112′...) mit ihren Optiken (113, 113′...) zugeordnet sind.
10. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laserkristall (214) strahleingangs- und strahl­ ausgangsseitig je ein Viertelwellenplättchen (225) zugeordnet sind und vor dem Resonatorauskoppelspiegel (227) ein Brewster-Polarisator (226) ange­ ordnet ist.
11. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Resonatorspiegeln (325 und 327) eine Gü­ teschalter (328) aus elektrooptischem, akustooptischen Material oder eine entsprechende mikromechanische Vorrichtung angeordnet ist.
12. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus einem monolithischen Laserkristall (414) mit aufgebrachter Einkoppelspiegelschicht (425) und einem extern angeordneten Auskoppelspiegel (427) gebildeten und optisch über eine Kollimations- und Fokussieroptik (413) von einer Laserdiode (412) gepumpten Festkörperlaser ein Laserdiodenarray (430) zum zusätzlichen transversalen Pumpen zugeord­ net ist.
13. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Anregung des Laserkristalls (514) die­ sem ein aus mehreren Laserdioden bestehendes Array (530) mit einem Pump­ licht-Integrationselement (531) für die Kollimations- und Fokussieroptik (513) zugeordnet ist.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Pump­ licht-Integrationselement (531) aus mehreren justierten Glasfasern (515) oder aus einem Integrierten Wellenleiter gebildet wird.
15. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Pump­ licht-Integrationselement (531) aus holografischoptischen Elementen ge­ bildet wird, wobei diese sowohl aus Flächen- als auch aus Volumenholo­ grammen, insbesondere phasenkonjugierenden Systemen bestehen.
16. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Basis-Chip neben den Kühleinrichtungen (18, 19, 20) eine Temperatur-Sensorik (18a) und eine vom Mikroprozessor (17) gesteuerte Temperatur-Regeleinrichtung integriert sind.
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