DE4207824C2 - Laserkristall für einen Festkörperlaser oder -verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserkristall für einen Festkörper­ laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Laserkristall ist aus der DE 36 17 362 C2 bekannt. Transversal angeregte Festkörperlaser, deren optische Pumpquelle sowohl Lampen als auch Halbleiterelemente sein können, sind hinlänglich bekannt. Ein den Gesamtwirkungsgrad eines solchen Lasers mitbestimmender Faktor ist die räumliche Übereinstimmung zwischen optisch angeregtem (Pump-)Volumen, das sich aus der von der Pumpquelle durchstrahlten Volumen des Kristalls ergibt und dem durch die Resonatorkonfiguration festgelegten Modenvolumen. Das Modenvolumen läßt sich über die Resonatorkonfiguration sowohl in seiner Lage im Kristall, als auch im Querschnitt variieren.

Eine Anpassung des Modenvolumens an ein vorgegebenes Pumpvolumen wird durch Wahl der Resonatorspiegel (Krümmungsradien) und deren Abstand, oder der Einführung von Intra-Cavity-Elementen erreicht. Umgekehrt wird das Pumplicht über abbildende Flächen bzw. Optiken so in den Kristall eingekoppelt, daß ein möglichst hoher Anteil innerhalb des Modenvolumens absorbiert wird. Jedoch trägt absorbierte Pumplichtleistung außerhalb des Modenvolumens nicht zu Laserleistung bei und verursacht neben ande­ rem die bekannten thermischen Probleme in Festkörperlaserkristallen oder -gläsern.

Ein weiterer Aspekt des Gesamtwirkungsgrades, der mit dem geometrischen Modenüberlapp direkt korreliert ist, ist das Intensitätsgefälle des ab­ sorbierten Pumplichts im Laserkristall. Ein Großteil der Pumpstrahlung wird direkt nach dem Eintritt in den Kristall absorbiert. Die Randberei­ che transversal angeregter Laserkristalle, an denen das Pumplicht einge­ strahlt wird, weisen somit die höchsten Inversionsraten auf, diese kön­ nen aus Gründen der Beugung jedoch nicht genutzt werden und vermindern damit den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.

Die Beugungsverluste im Resonator entstehen, wenn die Resonatormode zu nahe an einer begrenzenden Apertur geführt wird. Eine solche Apertur ist z. B. auch der Rand eines runden Laserkristalls. Es ist demzufolge nicht möglich die Resonatormode am Rand eines Kristalls zu führen oder den Kristalldurchmesser so zu verringern, daß er dem Modendurchmesser ent­ spricht, da Beugungsverluste die Gesamtlaserleistung stark vermindern oder ein Anschwingen des Lasers verhindern würden.

Viele Entwicklungen des Standes der Technik zielen darauf ab, das Moden­ volumen an die Mantelflächen zu führen, ohne daß eine Apertur die Beu­ gungsverluste erhöht. Dies führt in aller Regel zu neuen Kristallgeome­ trien, wie beispielsweise dem Zig-Zag-Slab, dem TFR-Slab oder vielecki­ gen Kristallen, wie sie beispielsweise in den Patentschriften FR-A 13 56 934 oder US-PS 3 530 397 und US-PS 5 084 889 sowie Jp.-Abstracts 61-272985 (A) offenbart sind. Auch durch die Anmelderin ist in der Patentanmeldung P 40 41 133.8 ein solcher vieleckiger Kristall bekannt geworden.

Doch dieser gesamte Stand der Technik beschränkt sich darauf, Refle­ xionspunkte der Resonatormode an die Oberfläche der Kristalle zu führen. Damit läßt sich die Strahlung punktförmiger Pumplichtquellen - wie bei­ spielsweise sogenannte "Single-stripe Laserdioden" - oder Arrays solcher Dioden hocheffizient, d. h. mit einem großen räumlichen Überlapp, in das Modenvolumen einkoppeln. Hochleistungs-Laserdioden hingegen mit ihren streifenförmigen emittierenden Flächen oder stabförmige Lampen sind wei­ terhin nur mit begrenzter Effizienz in das Modenvolumen solcher Kristal­ le einzukoppeln.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserkri­ stall der eingangs genannten Art so zu konzipieren, daß der Wirkungsgrad transversal gepumpter Laser und die Strahlqualität solcher Laser verbes­ sert und die thermische Belastung derselben reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird u. a. ein Ausführungsbei­ spiel erläutert, das in der Fig. 2 skizziert ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines schichtweise aufgebauten Laserkristalls, nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Laserkristalls, dessen nichtabsorbierende Laserkristallteile als abbildende Linsen ausgebildet sind.

Bei dem in Fig. 1 skizzierten schichtweisen Aufbau eines Laserkristalls 10 geht hervor, daß um einen das Pumplicht absorbierenden Materialkern 12 Schichten 11 aus nichtabsorbierendem Material gelegt werden, wobei jedoch beide Materialien den gleichen Brechungsindex und den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die beiden Materialien - beispielsweise Nd : YAG und undotiertes YAG sind nach dem Verfahren der "optischen Kontaktierung" 13 miteinander verbunden. Die Resonatormode tritt in der Ebene des optischen Kontakts durch die beiden Materialien und findet in radialer Richtung keinen Sprung des Brechungsindexes oder eine begrenzende Apertur (Kristallrand) vor. Somit sind die Ursachen für Beugung und Brechung der Resonatormode, die durch die Kristallgeometrie hervorgerufen werden können, eliminiert.

Andererseits kann das Licht transversal angekoppelter Pumplichtquellen ohne Verluste durch das nichtabsorbierende Material hindurchtreten. Ab­ sorptionsverluste außerhalb des Resonatorvolumens treten somit nicht auf, d. h. die Absorption des Pumplichts findet bei dessen maximaler In­ tensität erst unmittelbar im Modenvolumen des Resonators statt. Neben dem guten Modenüberlapp ist ein nicht zu vernachlässigender Vorteil der Erfindung die geringe thermische Belastung dieses "Sandwich-Kristalls".

Da außerhalb der Resonatormode kein Pumplicht absorbiert wird und die deponierte Energie im gepumpten Volumen gerade durch den entstehenden Laserstrahl aus dem Kristall entfernt wird, bleibt die aus dem Kristall als Verlustwärme abzuführende Energie geringer als bei herkömmlichen Kristallgeometrien. Die verbleibende Energie errechnet sich im wesentli­ chen aus der Quanteneffizienz (Pumpwellenlänge/Laserwellenlänge), sofern "monochromatische" Halbleiterlichtquellen zur Anregung benutzt werden.

In dem in Fig. 2 der Zeichnung skizzierten Ausführungsbeispiel ist der quaderförmige nichtabsorbierende Laserkristallteil 11 als abbilden­ de Linse 14 - vorzugsweise als Zylinderlinse ausgebildet.

Zu den angesprochenen Schichten 11, 12 ist noch auszuführen, daß sie aus dotiertem und undotiertem Material des gleichen Wirtsgitterkristalls oder Wirtsgitterglases - beispielsweise Nd:YAG und YAG - bestehen können oder daß als undotiertes Material ein Kristall z. B. Saphir mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet wird. Zum optischen Pumpen können sowohl Halbleiter-Laserdioden als auch Anregungslampen eingesetzt werden.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Kristall aus mehreren Schichten absorbierendem und nichtabsorbierendem Material aufgebaut und Spiegel (nicht gezeichnet) so angeordnet, daß eine Strahlführung in Zick-Zack-Form ("gefalteter Resonator") erzielt wird.

Durch vorstehend beschriebene Maßnahmen ist ein Lasersystem mit einem Kristall geschaffen worden, das nicht nur einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist, sondern auch eine verbesserte Strahlqualität bei vermindertem Kühlungsbedarf. Dieser vorgeschlagene Kristallaufbau sichert einen gro­ ßen räumlichen Überlapp von Pump- und Modenvolumen für transversal ang­ eregte Festkörperlaser, deren Randbereiche, an denen das Pumplicht ein­ gestrahlt wird, die höchsten Inversionsraten aufweisen und nunmehr ver­ lustlos genutzt werden können.

Claims (4)

1. Laserkristall für einen Festkörperlaser oder -verstärker, der transversal angeregt wird und aus einem als Pumplicht nichtabsorbierenden und einem absorbierenden Material mit gleichem Brechungsindex und thermischem Ausdehnungskoeffizienten schichtweise aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtabsorbierende Schicht (11) als Linse ausgebildet ist, die mit der absorbierenden Schicht (12) nach dem Verfahren des "optischen Kontakts" verbunden ist.

2. Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (11, 12) aus dotiertem und undotiertem Material des gleichen Wirtsgitterkristalls oder Wirtsgitterglases bestehen.

3. Laserkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als undotiertes Material ein Kristall mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwendet wird.

4. Laserkristall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus mehreren Schichten (11, 12) absorbierendem und nichtabsorbierendem Material aufgebaut ist, wobei Spiegel so angeordnet werden, daß eine Strahlführung in Zick-Zack-Form entsteht.