DE4101403C2 - Halbleiterlaser-gepumpter Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser, der von minde­ stens einer Halbleiterlaseranordnung gepumpt wird.

Ein Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus EP 0 375 216 A2 sowie aus US 4,785,459 bekannt. Bei dem aus der genannten europäischen Patentanmeldungsveröffentli­ chung bekannten Laser wird das Festkörperlasermedium von mehreren Halbleiterlasern von mindestens einer Seitenfläche her gepumpt. Die Halbleiterlaserstrahlen werden als im we­ sentlichen ideale, parallele Strahlen angenommen. Lediglich an einer Stelle der Veröffentlichung ist kurz erwähnt, daß äußere Teile jedes Pumplichtstrahls keine Totalreflexion er fahren, wo dies eigentlich erwünscht ist. Demgegenüber be­ schäftigt sich die Beschreibung des genannten US-Patents eingehend mit der Divergenz des Lichts eines Halbleiterla­ sers, und es wird angegeben, daß dieses Licht mit Hilfe einer Fokussieranordnung auf ein kleines Volumen innerhalb des Festkörperlasermediums konzentriert werden soll. Auch hier wird das Festkörperlasermedium von mehreren, entlang einer Seitenfläche angeordneten Halbleiterlaseranordnungen gepumpt.

US 4,739,507 und US 3,982,201 beschreiben Festkörperlaser, bei denen ein Festkörperlasermedium von einer Endfläche her gepumpt wird. Bei der Anordnung gemäß US 4,739,507 wird das Licht einer Halbleiterlaserdiode durch eine langgestreckte Linse in einen engen Bereich um die Mittelachse eines Laser­ stabs fokussiert. Bei der Anordnung gemäß US 3,982,201 wird dagegen das gesamte Volumen eines Festkörperlaserstabs von kreisförmigem Querschnitt mit Hilfe des Pumplichts von meh­ reren LEDs mit Pumpenergie versorgt.

Wenn versucht wird, mit stark fokussiertem Pumplicht nur einen eng be­ grenzten Bereich in einem größeren Festkörperlasermedium anzuregen, müssen sehr genaue geometrische Fokussierbedingungen eingehalten werden. Dies macht derartige Anordnungen teuer und störanfällig.

Wenn andererseits das gesamte Festkörperlaservolumen gepumpt wird, sind geometrische Wechselbeziehungen zwischen dem Pumplicht und dem Festkörperlasermedium unkritisch, jedoch muß das Festkörperlaserme­ dium ein möglichst kleines Volumen aufweisen, um mit Pumplicht von ei­ ner Halbleiterlaseranordnung eine möglichst hohe Anregungsdichte zu er­ zielen. Dies führt zu Abmessungen des Festkörperlasermediums, bei de­ nen dieses nur schwierig zu bearbeiten ist. In diesem Fall kommt es also wegen der schwierigen Bearbeitbarkeit des Festkörperlasermediums zu kritischen und teuren Arbeitsvorgängen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle Pumpgeo­ metrie für einen gattungsgemäßen halbleiterlaser-gepumpten Festkör­ perlaser anzugeben, der einfach herstellbar ist.

Der erfindungsgemäße Laser ist durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Er zeichnet sich dadurch aus, daß die Form des Festkörperlasermediums und die Ausrichtung desselben zur Halbleiterla­ seranordnung in besonderer Weise an die Form des Pumplichts der Halb­ leiterlaseranordnung angepaßt sind. Zunächst ist festzustellen, daß das Festkörperlasermedium mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist. Dadurch kann es besser bearbeitet und gehandhabt werden, als wenn es quadratisch wäre, also nicht nur eine kleine Höhe, sondern auch eine klei­ ne Breite aufweisen würde. Die rechteckige Form ist jedoch insoweit un­ günstig, als die erwünschte Grundmode der Laserschwingung des Fest­ körperlasers kreissymmetrischen Querschnitt aufweist. Die Pumpenergie sollte daher trotz des rechteckigen Querschnitts des Festkörperlaserme­ diums auf einen Querschnitt konzentriert werden, der der Kreisform ange­ nähert ist. Dies wird bei der Erfindung dadurch erzielt, daß die Höhe der Querschnittsfläche des Pumplichts an der Eintrittsfläche des Festkörper­ lasermediums nicht größer ist als die Höhe der Eintrittsfläche selbst.

Wenn von einer Endfläche her gepumpt wird, ist der Vorteil dieser Anord­ nung unmittelbar erkennbar. Das Pumplicht in der Richtung mit stärkerer Divergenz wird durch die Ober- und die Unterseite des Festkörperlaserme­ diums totalreflektiert und so in Längsrichtung des Festkörperlasermedi­ ums geführt. In Breitenrichtung liegt dagegen relativ gute Konzentration der Pumpenergie aus einem anderen Grund vor, nämlich weil in dieser Richtung das Pumplicht kaum divergiert.

So kann bei einem Festkörperlasermedium mit relativ großem Quer­ schnitt, das daher leicht herstellbar und gut handhabbar ist, ein relativ kleines Volumen durch eine Halbleiterlaseranordnung stark gepumpt werden.

Wenn von einer Seitenfläche her gepumpt wird, sind die eben beschriebe­ nen Vorteile weniger stark ausgeprägt. Jedoch wird auch hier dafür ge­ sorgt, daß das Pumplicht, das in der Richtung mit relativ starker Divergenz abgestrahlt wird, an der Ober- und Unterseite des Festkörperlasermedi­ ums in dessen Inneres zurückreflektiert wird, während das Pumplicht in der hierzu rechtwinklig stehenden Richtung ohnehin ziemlich konzen­ triert in eine gewünschte Richtung läuft.

Totalreflexion ist bei einem vorgegebenen Unterschied der Brechungsin­ dizes des Festkörperlasermediums und des dasselbe einschließenden Me­ diums nur bis zu einem gewissen Auftreffwinkel des Pumplichts auf die Ober- bzw. Unterseite des Festkörperlasermediums möglich. Um einen möglichst großen Anteil des Pumplichts an der Ober- und Unterseite des Festkörperlasermediums zu reflektieren, wird erfindungsgemäß der Grenzwinkel der Totalreflexion durch eine dielektrische Beschichtung an der Ober- und/oder Unterseite des Festkörperlasermediums verändert. Auch können Reflektoren in Berührung mit diesen Flächen gebracht wer­ den.

Ausführungsbeispiele, die von der Erfindung Gebrauch machen, werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und b eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines durch einen Halbleiterlaser von einer Endfläche her gepumpten Festkörperlasermedi­ ums mit rechteckigem Querschnitt;

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich der von Fig. 1b, jedoch für eine Anordnung mit einer dielektrischen Schicht auf dem Festkörperlasermedium;

Fig. 3 und 4 eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines von einer Sei­ tenfläche her durch Halbleiterlaser gepumpten Festkörperlasermediums; und

Fig. 5 und 6 Darstellungen ähnlich denen von Fig. 3, jedoch für andere Re­ sonatorformen.

Fig. 1 zeigt einen Halbleiterlaser 1, der an einer Wärmesenke 102 befestigt ist.

Mit Hilfe eines selektiv reflektierenden Films 50 und mit Hilfe eines teilre­ flektierenden Spiegels 7 ist ein stabiler Resonator gebildet. An einem Grundblock 41 ist das Festkörperlasermedium 3 so angebracht, daß es mit der breiten Seite seines rechteckigen Querschnitts auf dem Grundblock liegt. Zwischen dem Grundblock 41 und dem Festkörperlasermedium 3 ist ein reflektierender Film angebracht.

Pumplicht 2, das von einem Halbleiterlaser 1 emittiert wird, weist norma­ lerweise einen großen Öffnungswinkel von z. B. 60° in vertikaler Richtung und 20° in horizontaler Richtung der aktiven Schicht auf. Darüber hinaus ist das Licht anisotrop. Der Pumplaser 1 ist so angeordnet, daß die Rich­ tung des größeren Divergenzwinkels In Dickenrichtung des Festkörperla­ sermediums 3 zeigt. Das Pumplicht 2 vom Halbleiterlaser 1 fällt auf das dicht bei ihm angeordnete Festkörperlasermedium 3. Das einfallende Pumplicht 2 wird absorbiert, während es sich mit einem divergierenden Winkel ausbreitet, der vom Brechungsindex abhängt. Nach außen drin­ gende Anteile des Pumplichts 2 werden durch den reflektierenden Film 42 so reflektiert, daß sie wieder in das Festkörperlasermedium 3 eindringen. Das Pumplicht 2 wird dadurch mit gutem Wirkungsgrad absorbiert. Die Dicke des Festkörperlasermediums 3 ist klein gegenüber der zunehmen­ den Breite des Pumplichts 2 im Festkörperlasermedium 3, wodurch ver­ hindert wird, daß der Pumplichtbereich sehr groß gegenüber dem Bereich von Laserlicht 6 wird. Dadurch ist der Energiewirkungsgrad der Laser­ schwingung hoch. Mit der Anordnung von Fig. 1 wurde ein Versuch ausge­ führt, bei dem eine Leistung von Laserlicht aus einem Neodym-YAG-Laser von 200 mW bei einer Ausgangsleistung des Pumplasers von 730 mW er­ halten wurde. Dies bedeutet, daß es möglich war, den Schwingungswir­ kungsgrad gegenüber der bekannten Anordnung mit einer fokussierenden Linse zu erhöhen, bei dem der Halbleiterlaser eine Ausgangsleistung von 1 W aufweisen muß, um eine Ausgangsleistung von 200 mW des Neodym- YAG-Lasers zu erhalten.

Da sich bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der Bereich, in dem Laser­ licht durchläuft, durch das ganze Festkörperlasermedium hindurch ver­ breitert wird, muß die räumliche Zuordnung zwischen dem Pumplicht 2 und dem Laserlicht 6 nicht hochpräzise sein. Dies bedeutet, daß die An­ ordnungsgenauigkeit des Pumplasers 1 und des Festkörperlasermediums 3 nur mechanischer Genauigkeit entsprechen muß, mit der diese Laser an vorgegebenen Stellen auf dem Grundblock 41 angebracht werden.

Beim ersten Ausführungsbeispiel ist ein reflektierender Film 42 nur an der unteren Fläche des Festkörperlasermediums 3 vorhanden, jedoch kann ein solcher auch an der oberen Fläche vorhanden sein.

Fig. 2 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind obere und untere Lichtführungen 43 mit hoher Dielektrizitätskonstante vorhanden, zwischen denen das Festkör­ perlasermedium 3 liegt. Zum Beispiel wird ein Metall für die Lichtführun­ gen 43 mit hoher Dielektrizitätskonstante verwendet. Demgemäß ist in Dickenrichtung des Festkörperlasermediums 3 zwischen dem selektivre­ flektierenden Film 50 und dem teilreflektierenden Spiegel 7 ein Wellenlei­ terresonator gebildet.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbei­ spiels einer erfindungsgemäßen Anordnung, und Fig. 4 ist eine vergrößer­ te Ansicht des Querschnitts entlang der Linie I-II in Fig. 3. Es sind ein Grundblock 41 und reflektierende Filme 42 und 45 vorhanden. Totalre­ flektierende Spiegel 70 und 71 und ein teilreflektierender Spiegel 7 bilden zusammen mit dem Festkörperlasermedium einen stabilen Resonator. Pumplicht 2 vom Halbleiterlaser 1 weist einen großen Divergenzwinkel von z. B. 60° in vertikaler Richtung und 20° in horizontaler Richtung der akti­ ven Schicht auf, mit Anisotropieverhalten im sich aufweltenden Strahl. Pumplicht 2, das in das dicht beim Halbleiterlaser 1 angeordneten Fest­ körperlasermedium 3 fällt, wird demgemäß durchgelassen, während ein Teil innerhalb eines großen Divergenzwinkels absorbiert wird, abhängig von Brechungsindex unterschieden. Nach außen dringende Anteile des sich verbreiternden Pumplichts 2 werden durch den Reflexionsfilm 42 re­ flektiert und dann im Festkörperlasermedium 3 geführt. Daher wird Pumplicht mit gutem Wirkungsgrad absorbiert. Die Dicke des Festkörper­ lasermediums 3 ist dünn gegenüber der sich aufweitenden Breite des Pumplichts 2 im Festkörperlasermedium 3. Der Laserstrahl 6 füllt fast den gesamten Querschnitt des Festkörperlasermediums 3 aus. Es ist verhin­ dert, daß der Pumpbereich übermäßig groß relativ zum Laserstrahlbereich wird. Daher ist der Energiewirkungsgrad der Laserschwingung hoch. Dar­ über hinaus ist es nicht erforderlich, daß die räumliche Beziehung zwi­ schen dem Pumplicht 2 und dem Laserstrahl 6 allzu hoch ist. Parallele An­ ordnung mehrerer Halbleiterlaser 1 kann dadurch erzielt werden, daß das Festkörperlasermedium 3 und die Halbleiterlaser 1 mit mechanischer Ge­ nauigkeit an vorgegebenen Stellen am Grundblock 41 angebracht werden.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind reflektierende Filme 42 oben und unten am Festkörperlasermedium 3 vorhanden. Wenn jedoch der Divergenzwinkel des Pumplichts 2 nur so groß ist, daß es von den Seitenflächen des Festkörperlasermediums 3 totalreflektiert wird, selbst wenn der Brechungsindex zwischen dem Lasermedium und der Um­ gebung nicht allzu groß ist, ist es möglich, den reflektierenden Film 42 wegzulassen.

Fig. 5 ist eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels. Hierbei ist ein totalreflektierender Film 42 direkt auf die Stirnflächen des Laser­ mediums 3 aufgebracht. Dadurch, daß die totalreflektierenden Filme 72 durch Beschichten auf die Stirnflächen des Festkörperlasermediums 3 aufgebracht sind, können die totalreflektierenden Spiegel 71 weggelassen werden, was den Aufbau des Resonators vereinfacht.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Es weist einen Kollimier­ spiegel 170 und einen vergrößernden Spiegel 180 auf. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist ein eindimensional instabiler Laserresonator, der durch den Kollimierspiegel 170 und den vergrößernden Spiegel 180 gebildet ist, parallel zu den Oberflächen des flachen Festkörperlasermediums 3 ausge­ bildet, und ein stabiler Resonator oder Wellenleiterresonator liegt recht­ winklig zur eben genannten Ebene vor.

Claims (1)

1. Halbleiterlaser-gepumter Festkörperlaser mit einem Laserresonator in dem ein langgestrecktes Festkörpermedium (3) mit rechteckigem Quer­ schnitt mit kleinerer Höhe (h) als Breite (b) angeordnet ist, und
   mit mindestens einer Pumplicht (2) emittierenden Halbleiterlaseranord­ nung (1), die ihre größere Divergenz in Richtung der Höhe (h) des Festkör­ permediums (3) hat, dadurch gekennzeichnet,
   daß die Höhe der Querschnittsfläche des Pumplichts (2) an der Eintritts­ fläche des Festkörperlasermediums (3) nicht größer ist als die Höhe (h) der Eintrittsfläche selbst, und
   daß an der Ober- und/oder Unterseite des Festkörperlasermediums (3) Lichtführungen (43) mit hoher Dielektrizitätskonstante vorhanden sind.