DE4212979A1 - Festkörperlasersystem - Google Patents

Description

Durch Halbleiter-Laserdioden gepumpte Festkörperlaser sind beim Stand der Technik bekannt und bieten gegenüber herkömmlichen Lasersystemen entscheidende Vorteile. Neben anderem ist hier insbesondere die gute Überlappung von Laserdioden-Pumpwellenlänge und Festkörper-Absorptions­ wellenlänge zu nennen, welche einen hohen Wirkungsgrad des Lasersystems erbringt. Weiterhin kann die Laserdiodenstrahlung im Falle des sogenann­ ten longitudinalen Pumpens gut in das FestkörperlaserResonatorvolumen fokussiert werden, so daß durch den hier gegebenen guten räumlichen Überlapp eine hohe Konversionseffizienz erreicht wird.

Da Pumplaserdioden nur mit begrenzter Ausgangsleistung zur Verfügung stehen, kann eine Skalierung der Festkörperlaser zu hohen Pumpleistungen nur dadurch erzielt werden, daß sehr viele Pumplaserdioden im Lasersy­ stem Verwendung finden. In diesem Falle kann aber nicht mehr mit gutem Überlapp longitudinal in das Modenvolumen fokussiert werden. Zudem ist die longitudinal in einen Laserkristall einkoppelbare Pumplichtleistung durch die Zerstörschwelle des Laserkristalles beschränkt, weswegen nicht beliebig viel Leistung in einen Kristall an einer Stelle eingekoppelt werden kann. Üblicherweise geht man dann zum sogenannten transversalen Pumpen über, was erfordert, daß die Pumplaserdioden seitlich senkrecht zur Lasermode angebracht werden müssen. Hierbei ist der räumliche Über­ lapp zwischen Lasermode und Pumplichtstrahlung allerdings wesentlich verringert.

Aus der Druckschrift IEEE J. Q.E. 26, (1990), S. 827 ff, C. Pfister et al), sind Konfigurationen bekannt, welche es ermöglichen, diese Proble­ matik zu mindern. Auch die Anmelderin hat in dem deutschen Patent 40 41 133 (int. AZ. 11033) und in der deutschen Patentanmeldung P 40 08 225.3-33 (int. Az. 10868) zwei Verfahren hierfür beschrieben, eine weitere bekannte Lösung stellt die sogenannte "Zick-Zack-Slab-Geometrie" dar. Alle diese Lösungvorschläge sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß eine relativ große Menge von voluminösen Festkörperlaser-Kristallen benötigt wird, was sowohl aus wirtschaftlichen Gründen als auch aus Grün­ den der erforderlichen optischen Homogenität und Qualität solcher Einkri­ stalle je nach Kristallsorte nur schwer und unter hohem Ausschuß reali­ sierbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Festkörperla­ sersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen guten räum­ lichen Überlapp beim Pumpen aufweist und zu hoher Ausgangsleistung ska­ lierbar ist und gleichzeitig die Erzeugung verschiedener Laserwellen­ längen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schemabild eines Zick-Zack-Slab-Laserkristalles nach dem Stand der Technik mit entsprechendem Strahlengang,

Fig. 2 ein Schemabild eines entsprechenden Zick-Zack-Slablaserkristall­ aufbaus gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Schemabild einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Er­ findung,

Fig. 4 ein Schemabild in perspektivischer Darstellung einer zu Fig. 3 analogen Ausführungsform mit zweidimensionaler Skalierung,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform eines Mul­ tireflexionszellen-Laserresonators,

Fig. 6 ein Schemabild einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 unter Verwen­ dung unterschiedlicher Lasermaterialien zur Erzeugung "mehrfar­ bigen" Laserlichts.

Bei einem herkömmlichen Brewster-Zick-Zack-Slab-Laserkristall, wie er in Fig. 1 dargestellt und aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird die Resonatormode bei Eintritt in den Laserkristall 2 so gebrochen, daß sie auf der Kristall-Seitenfläche 2a im Punkt 11 gebrochen und auf die ge­ genüberliegende Kristallseite 2b gelangt, von welcher wiederum im Punkte 12 Totalreflexion zur ersten Flächenseite 2a hin erfolgt usw. Die La­ sermode verläßt den Kristall wieder unter Brechung und gelangt an einen Laserspiegel 3 bzw. 4, welcher die Mode wieder in sich selbst zurück­ wirft. Die Punkte der Totalreflexion 11 bis 17 sind von der Seite her gut zugänglich, so daß diesen Punkten je eine Pumpdiodeneinheit 21 bis 27 zugeordnet werden kann, deren Strahlung in dem gestrichelt einge­ zeichneten Bereich im Kristall absorbiert wird, wodurch diese Kristall­ bereiche, sofern die Mode in ihnen verläuft, zur Laserverstärkung bei­ tragen. Aus der Zeichnung ist leicht ersichtlich, daß die Anzahl der verwendeten Pumplaser-Einheiten die Länge des Slabkristalles bestimmt, andererseits können Laserkristalle herkömmlicher Materialien wie z. B. das meistverbreitete Nd:YAG nur in begrenzten Abmessungen in guter Homo­ genität hergestellt werden.

Hierfür jedoch schlägt nun der vorliegende Erfindungsgedanke vor, einen Aufbau - wie in Fig. 2 skizziert - vorzunehmen, in dessen Strahlengang jeder Pumpdiodeneinheit 21 bis 27 jeweils einen kleinen Laserkristall 31 bis 37 zuzuordnen, welcher in sich die erforderliche Homogenität - al­ lein schon aus seiner Dimension heraus - besitzt. Die Mode wird bei Aus­ tritt aus dem jeweiligen Kristall, dessen Pumpseite (31a, 32a, . . . ) für die Laserwellenlänge verspiegelt und dessen gegenüberliegende Seite (31b, 32b, . . . ) für diese Laserwellenlänge erforderlichenfalls entspie­ gelt ist, gebrochen und tritt in den nächsten gegenüberliegenden Laser­ kristall wieder ein. Durch den kleineren Winkel der Resonatormode im Kristall kann das Pumplicht besser in die Lasermode fokussiert werden, die Laserkristalle selbst können aus selektierten Kristallstücken beste­ hen, so daß zum einen mit hoher Effizienz, zum anderen mit einer größe­ ren Anzahl von Pumpeinheiten gearbeitet werden kann. Auch hier wird der so gebildete Laserresonator beidseitig durch die Resonatorspiegel 3 und 4 begrenzt.

Diese vorgeschlagene Ausführungsform erlaubt nun einen idealen Aufbau der Kühlanordnung, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Hier werden nun die Laserkristalle 31 bis 37 in einem vom Kühlmitttelstrom durchflosse­ nen Basisbehälter 41a, b angeordnet. Dies kann ein einziger Basisbehäl­ ter 41a gemeinsam für alle Laserkristalle oder je einer für für jede Seite, also gemäß der Fig. 3 ein Basisbehälter 41a für die Laserkristal­ le mit den ungeraden Bezeichnungsziffern und ein zweiter Behälter 41b für diejenigen mit geraden Bezeichnungsziffern. So ein Kühl-Basisbehäl­ ter kann beispielsweise aus mit Kühlkanälen versehenem Kupfer- oder Si­ liziummaterial bestehen oder aber auch aus einem Saphirmaterial, welche ihrerseits mit einem Kühlmedium in engem Kontakt stehen. Dasselbe trifft für die Pumplichteinheiten zu, die ebenfalls in der vorgenannten Weise auf einer gemeinsamen Basis 51a, b montiert sind.

In der Fig. 4 ist ein analoges Ausführungsbeispiel für die jeweilige ge­ meinsame Kühlbasis von mehreren Reihen von Laserkristallen 41 bis 48 skizziert, die nebeneinander angeordnet sind und so eine höhere Packungs­ dichte der Lasereinheit realisieren.

Auch können andere Strahlengänge bei entsprechender Konfiguration der Basisträger und der Stellung der Laserkristalle zueinander realisiert werden, so etwa ein aus einzelnen gemeinsam gehalterten Laserkristallen geformter Multireflexions-Resonator, wie er in der deutschen Patentan­ meldung P.40 08 225.3-33 (int. Az. 10868) der Anmelderin offenbart ist. Hierbei wird ein großes Stück des Lasermaterials an mehreren kreisförmig angeordneten Punkten longitudinal gepumpt.

Ein modifizierter Multireflexions-Laserresonator im Sinne der vorliegen­ den Erfindung könnte nun so aussehen, wie er in der Fig. 5 dargestellt ist. Hier sind mehrere kleine, homogene Laserkristalle 51 bis 57 an den bestimmten Stellen in einer Halteplatte 10 angeordnet. Die einzelnen La­ serkristalle weisen hierbei auf ihrer Stirnseite einen Krümmungsradius auf, welcher so gewählt wird, daß die Resonatormode nach jeder Reflexion in sich zurückfokussiert wird und beim Durchlaufen des Multireflexions- Laserresonators somit nicht aufweitet.

Die Verwendung einer Vielzahl von Einzelkristallen läßt gegenüber einem großen Einkristall außerdem noch die Möglichkeit offen, auch unter­ schiedliche Kristallmaterialien k bis p in einem gemeinsamen Laserreso­ nator anzuordnen und so Laserlicht bei mehreren simultan emittierenden Linien zu erzeugen. Dies ist in der Fig. 6 skizziert. Sofern die Laser­ kristalle k bis p so aufeinander abgestimmt sind, daß für keine der ge­ wünschten Emissionslinien resonatorinterne Verluste - wie etwa Absorp­ tion - auftreten, können diese Materialien frei miteinander kombiniert werden. So könnten zum Beispiel Laserlinien bei 1, 2 und 3 µm simultan erzeugt werden. Unter Verwendung von Kristallen, welche zum Beispiel im roten, grünen und blauen Bereich emittieren, könnte ein kollinearer Strahl "weißen" Laserlichts erzeugt werden.

Claims (6)

1. Durch Halbleiterlaserdioden gepumptes Festkörperlasersystem, des­ sen Laserkristall an mehreren bestimmten Stellen seiner Längsausdehnung oder seines Umfanges von mehreren Halbleiterdioden optisch gepumpt wird, und die Laserkristalle einen gemeinsamen Resonator bilden, und in den Kristallen die eintretende und austretende Mode einen kleinen Winkel zu­ einander aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer bestimmten Anzahl kleiner Stücke von Kristallmaterial (31 bis 37) eine Lasergeome­ trie gebildet wird, wobei jedem dieser kleinen Laserkristalle (31 bis 37) eine Pumpdiodeneinheit (21 bis 27) zum longitudinalen Pumpen mit gu­ tem räumlichen Überlapp zugeordnet ist, und diese kleinen Laserkristalle (31 bis 37) an ihrer dem Pumplicht zugeordneten Seite (31a bis 37a) für die jeweilige Laserwellenlänge verspiegelt und an der entgegengesetzten Seite (31b bis 37b) für diese Laserwellenlänge erforderlichenfalls ent­ spiegelt ist und die Mode bei ihrem Kristallaustritt für den Eintritt in den nächsten Laserkristall (z. B. 32) winkelmäßig entsprechend gebrochen wird.

2. Festkörperlasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Laserkristalle (31 bis 37) und die Pumpdioden (21 bis 27) in einer oder mehreren, für mehrere oder alle Kristalle gemeinsamen Basis gehaltert sind, welche neben der Ausbildung als Halterung der Kri­ stalle (31 bis 37) und Dioden (21 bis 27) als sogenannter Kühl-Basisbe­ hälter (41a, b; 51a, b) ausgebildet ist.

3. Festkörperlasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder die Kühlbasisbehälter (41a, b; 51a, b) aus einem mit Kühlkanälen versehenen Kupfer- oder Silizium-Bauelement gebildet sind.

4. Festkörperlasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkristalle (31 bis 37) aus einem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen und die Erzeugung einer einzelnen oder mehrerer unterschiedlicher Laserwellenlängen ermöglichen.

5. Festkörperlasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur simultanen Erzeugung mehrerer kollinear aus­ strahlender Wellenlängen und simultanen Erzeugung von rotem, grünem und blauen Licht die Laserkristalle (31 bis 37) eines Resonators aus unter­ schiedlichen Materialien (k bis p) hergestellt werden.

6. Festkörperlasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkristalle (31 bis 37) auf ihrer Stirnseite einen Krümmungsradius aufweisen, der die Resonatormode nach jeder Refle­ xion in sich zurückfokussiert.