DE4041131C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkörper­ laser mit longitudinalem Einmodenbetrieb im sichtbaren Wellenlängenbereich gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher Festkörperlaser ist aus der DE-Zeitschrift "Laser und Opto­ elektronik", 20 (3), 1988, S. 39-45 bekannt. Aus dem GB-Buch "The Physics and Technology of Laser Resonators" von D.R. Hall, P.E. Jackson (Eds), Adam Holger, Bristol, Großbritannien, 1989, S. 198 bis 201, ist es bekannt, Festkörperlaser so auszulegen, daß ein Einmodenbetrieb ermöglicht wird.
Durch den Aufsatz von A. Owyoung und P. Esherick in der Druckschrift "Opt.Letters, 12, 999 (1987)" sind Mikrokristall-Laser und deren Eigen­ schaften bekanntgeworden. Ein Aufbau der Technologie des Standes der Technik ist in Fig. 1 der Zeichnung in Form eines halbmonolithischen, frequenzverdoppelnden Festkörperlasers dargestellt, wobei sich der nicht­ lineare Kristall im Laserresonator befindet. Die Resonatorlänge beträgt in einem derartigen Aufbau typischerweise 100 mm, was aufgrund der umgekehr­ ten Proportionalität von optischer Resonatorlänge und longitudinalem Modenabstand die Ausbildung und Verstärkung vieler longitudinaler Moden fester Frequenz ermöglicht.
Die Existenz vieler longitudinaler Moden führt jedoch zu einem sogenannten "mode competition" der longitudinalen Moden untereinander, wodurch Inten­ sitätsfluktuationen der frequenzverdoppelten Laserstrahlung entstehen. Die determinierte Frequenz verhindert eine Abstimmung der Grundwellenlänge des Lasers und somit auch der zweiten Harmonischen.
Eine variable Positionierung des Auskoppelspiegels schafft die Möglichkeit der Variation der Resonatorlänge und damit aufgrund des linearen Zusammen­ hangs von Frequenzänderung und Längenänderung des Resonators auch der Frequenz einer longitudinalen Mode. Eine Änderung der optischen Resonator­ länge bewirkt eine Verschiebung der longitudinalen Moden relativ zur Verstärkungskurve, so daß einerseits die Frequenz jeder longitudinalen Mode variiert werden kann und andererseits aber wegen der Vielzahl longi­ tudinaler Moden keine effektive Frequenzverschiebung der Laserstrahlung oder der zweiten Harmonischen feststellbar ist.
Wie aus der Fig. 4 und vorstehenden Ausführungen hervorgeht, kann durch Wahl eines entsprechend kurzen Resonators die Ausbildung mehrerer longitu­ dinaler Moden unterbunden werden. Der daraus resultierende "Single Frequency Betrieb" ermöglicht einerseits die Erzeugung frequenzverdoppel­ ter Laserstrahlung gleichbleibender Intensität und andererseits durch Variation der Resonatorlänge ein Durchstimmen der Grundwellenlänge des Lasers oder der zweiten Harmonischen über den gesamten Bereich der Ver­ stärkungsbandbreite.
Diodengepumpten Festkörperlasern herkömmlicher Technologie - wie sie die Fig. 1 skizziert - fehlen die Möglichkeit der Frequenzmischung von Pump- und Laserstrahlung der Grundwellenlänge aufgrund ungenügender Strahldichte der Pumpquelle am Ort des nichtlinearen Kristalls und voll­ ständiger Absorption der Pumpstrahlung im laseraktiven Medium. Eine Verkleinerung des laseraktiven Mediums führt im Falle des longitudinalen Pumpens zu unvollständiger Absorption der Pumpstrahlung im Laserkristall und einem gut fokussierten Pumpstrahl im nichtlinearen Kristall, so daß eine für die Mischung von Pump- und Laserwellenlänge ausreichende Strahl­ dichte vorhanden ist. Der Aufbau des in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ beispiels ist jedoch nur sehr aufwendig zu realisieren, was sich nachtei­ lig auf die Handhabung, die Baugröße und auch auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt, dies insbesondere im Hinblick auf die Fertigung der benötigten großen Stückzahlen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper­ laser der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen "Mikrokristall-La­ ser" ergibt, welcher bei einer mechanisch einfachen Ausführung sowohl eine Frequenzverdopplung und Frequenzmischung, als auch eine Abstimmung und Modulation der Grundwellenlänge und zweiten Harmonischen bei effizientem "Single Frequency Betrieb" gewährleistet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper­ laser der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen "Mikrokristall-La­ ser" ergibt, welcher bei einer mechanisch einfachen Ausführung sowohl eine Frequenzverdopplung und Frequenzmischung, als auch eine Abstimmung und Modulation der Grundwellenlänge und zweiten Harmonischen bei effizientem "Single Frequency Betrieb" gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel erläu­ tert. Diese Erläuterungen werden durch die Figuren der Zeichnung ergänzt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schemabild über den Aufbau eines gemäß dem Stand der Technik konzipierten halbmonolithischen, frequenzverdoppelnden Festkör­ perlasers,
Fig. 2 ein Diagramm der spektralen Überlappung von Pumplaserdioden-Emis­ sion und Lasermaterial-Absorption,
Fig. 3 ein Schemabild bezüglich der Modenüberlappung der Pumplichtstrah­ lung und der Laserresonatormode bei longitudinalem optischen Pumpen,
Fig. 4 ein Schemabild bezüglich des Prinzips eines Mikro­ kristall-Single-Frequency-Lasers,
Fig. 5 ein Schemabild eines monolithischen Mikrokristall-Lasers im sichtbaren Wellenlängenbereich in einem Ausführungsbeispiel.
Das in Fig. 5 skizzierte Ausführungsbeispiel veranschaulicht einen Resona­ tor eines Festkörperlasers 10, der aus einem Laserkristall 11, der einsei­ tig als Einkoppelspiegel ausgebildet ist und einem nichtlinearen Kristall 12, welcher einseitig als Auskoppelspiegel ausgeführt ist, gebildet wird, wobei die Kristalle 11 und 12 nach Schliff, Beschichtung und Montage die Ausbildung einer Resonatormode gewährleisten. Die als Einkoppelspiegel ausgebildete Fläche des Kristalls 11 gewährleistet eine 100%-Reflexion für die im nichtlinearen Kristall 12 erzeugte Wellenlänge und die als Auskop­ pelspiegel ausgebildete Fläche des Kristalls 12 gewährleistet eine 100%-Reflexion der Grundwellenlänge der Laserstrahlung. Durch diese Maßnahmen bleiben die wünschenswerten Eigenschaften eines Mikro­ kristall-Lasers erhalten, was einen sehr frequenzstabilen monomodigen Betrieb der im nichtlinearen Kristall 12 erzeugten Laserstrahlung ermög­ licht. Der "Single-Frequency-Betrieb" des Mikrokristall-Lasers 10 verhin­ dert Intensitätsfluktuationen der frequenzverdoppelten Laserstrahlung.
Ein optischer Kontakt des Laserkristalls 11 und des nichtlinearen Kri­ stalls 12, welcher sämtliche Reflexionen der im Laserresonator umlaufenden Strahlung an den Grenzflächen eliminiert, ermöglicht einen monolithischen Aufbau (Fig. 5). Dies führt zu einer kleinen Baugröße, einer einfachen Handhabung, einem "Single-Frequency-Betrieb" mit hoher Stabilität und zu einer wirtschaftlichen Fertigung. Für den Fall einer "Typ-II-Phasenanpas­ sung" muß allerdings die Orientierung des nichtlinearen Kristalls 12 vor der optischen Kontaktierung festgelegt werden.
Durch die Wahl der Beschichtungen lassen sich unterschiedliche Laserüber­ gänge der entsprechenden Wellenlänge anregen, was die Erzeugung mehrerer "Farben" ermöglicht. Das erzeugbare Spektrum wird durch die Wahl des "Wirtskristalls", aufgrund der den Kristallen eigenen Grundwellenlängen erheblich erweitert und nur durch die Forderung eines starken, für das Diodenpumpen geeigneten Absorptionsbandes des Wirtskristalls eingeschränkt.
Der sehr kompakte Aufbau und die wegen der geringen Absorptionslänge unvollständige Absorption der Pumpstrahlung im Laserkristall bewirken eine hohe Strahldichte der Pumpstrahlung im nichtlinearen Kristall. Eine Frequenzmischung der Pumpstrahlung mit der Grundwellenlänge des Lasers wird nunmehr möglich und erlaubt die Erzeugung weiterer Laserwellenlängen, beispielsweise im gelben Bereich.
Funktion und Aufbau des vorgeschlagenen diodengepumpten Mikrokristall-La­ sers im sichtbaren Wellenlängenbereich sind in den Figuren der Zeichnung so wiedergegeben, daß weitere Ausführungen hierfür sich erübrigen dürften.

Claims (5)

1. Festkörperlaser mit longitudinalem Einmodenbetrieb, der im sichtbaren Wellenlängenbereich betrieben wird, dessen Festkörpermaterial, bestehend aus einem einseitig als Einkoppelspiegel verspiegelten Laserkristall und einem nichtlinearen Kristall, optisch mittels Laserdioden gepumpt wird und das Pumplicht longitudinal in die Resonatormode fokussiert wird, dadurch gekennzeich­ net, daß der Resonator des Festkörperlasers (10) aus einem Laserkri­ stall (11), der an seiner der Laserdiode (14) zugewandten Seite als Einkoppelspiegel ausgebildet ist und einem nichtlinearen Kristall (12), welcher an seiner der Laserdiode (14) abgewandten Seite als Auskoppel­ spiegel (13) ausgeführt ist, gebildet wird und eine Resonatorlänge von < 1 mm aufweist, wobei die Kristalle (11 und 12) nach Schliff, Beschich­ tung und Montage die Ausbildung einer Resonatormode gewährleisten und zur Bildung eines monolithischen Laserresonators beide Kristalle (11 und 12) optisch kontaktiert sind.
2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkristall (11) in bekannter Weise ein Nd : YAG-Kristall ist und der nichtlineare Kristall von KTP (Kalium-Titany-Phosphat) gebildet wird.
3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche des Laserkristalls (11) mit einer, bei der Grundwellen­ länge und frequenzverdoppelten oder frequenzgemischten Wellenlänge des Lasers (10) hochreflektierenden (HR) und bei der Pumpwellenlänge hoch­ transmittierenden (HT) Schicht (S1) versehen ist.
4. Festkörperlaser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall (12) auf einer Seite sowohl eine hochre­ flektierende (HR) für die Grundwellenlänge des Lasers (10) als auch eine hochtransmittierende (HT) für die frequenzverdoppelte oder frequenzge­ mischte Wellenlänge ausgebildete Schicht (S2) aufweist.
5.Festkörperlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Variation der Grund- und Laserwellen­ längen durch entsprechende Wahl des Laserkristalls (11) und der Be­ schichtungen (S1, S2) gegeben ist.
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