DE4228541C1 - Festkörperringlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkör­ perringlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Festkörperringlaser, dessen Resonator aus mehreren Laserkristallen besteht, die räumlich so zueinander ausgerichtet sind, daß sie einen ringförmig geschlossenen Strahlengang ermöglichen, ist aus der DE 40 08 226 A1 bekannt.

Solche Laserdioden-gepumpte Festkörperlaser bieten neben einer hohen Ef­ fizienz - die bis zum Zehnfachen gegenüber herkömmlichen Technologien erbringt - auch noch Kompaktheit und Wartungsfreiheit. Derartige Laser werden zum Beispiel in der Laserkommunikation - sei es über Glasfaser oder im Weltraum zwischen zwei Satelliten - sowie für viele Arten von Messungen, wie beispielsweise für Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen, kohärentes LIDAR und Holographie benötigt.

Aufgrund des im Vergleich mit konventionellen, lampengepumpten Festkör­ perlasern wesentlich vorteilhafteren Energieschemas und der Möglichkeit, die Pumpstrahlung in das Modenvolumen zu fokussieren, bietet diese La­ serpump-Konfiguration für einen Einmodenbetrieb besonders gute Voraus­ setzungen. Das Problem der Single-Frequency-Laser liegt in den räumli­ chen Inhomogenitäten des Laserverstärkungsprofils ("spatial hole bur­ ning"), hervorgerufen durch die Ausbildung von sogenannten "Knoten und Bäuchen" bei einer stehenden Welle. Um dies zu vermeiden wird beim all­ gemeinen Stand der Technik - wie in Fig. 4a veranschaulicht - in einem ringförmigen Resonator eine umlaufende Welle mit unidirektionaler Aus­ breitungsrichtung erzeugt. Diese Wellenausbreitung wird in den meisten Fällen durch die Kombination eines Polarisators, eines λ/2-Plättchens und eines Faraday-Rotators erreicht.

Durch die Druckschrift "T. J. Kane, R. L. Byer - Opt.Lett. 10,2 (1985) 65" ist ein Laserdioden-angeregter monolithischer Ringlaser bekanntge­ worden, bei dem durch eine nichtplanare Ausbreitung der Resonanzmoden eine Polarisation des Laserlichtes erreicht wird. Durch ein transversal angelegtes Magnetfeld wird der Laserkristall selbst zu einem Faraday-Ro­ tator, da die materialspezifische Verdet-Konstante ausreichend groß ist, um eine Drehung der Polarisation zu erzeugen. Daher erfährt die im Uhr­ zeigersinn umlaufende Mode, zumindest im Bereich kleiner Ausgangslei­ stungen, so starke Verluste, daß der Laser nur in der entgegengesetzten Umlaufrichtung oszilliert. Dieser monolithische Ringlaser wird von der Frontseite her mit einer einzigen Laserdiode optisch gepumpt. Weiterge­ hende für den Einmodenbetrieb geeignete Pumpmöglichkeiten bestehen aber nicht.

Eine andere - bisher nur bei Flüssigkeitslasern angewandte - Methode, die unidirektionale Wellenausbreitung zu erreichen, besteht darin, in den Strahlengang des Ringresonators eine teilweise reflektierende Strahltellerplatte einzusetzen und diese mit einem hochreflektierenden Spiegel zu kombinieren. Diese Methode wurde in "IEEE J.Qe-9, 245 (1973), von G. Marowsky" veröffentlicht (siehe Fig. 4c).

Dabei wird ein Teil des gegen den Uhrzeigersinn umlaufenden Lichtes über den Spiegel in die im Uhrzeigersinn laufende Mode reflektiert. Daher sind die Verluste für die beiden sich entgegengesetzt ausbreitenden Mo­ den unterschiedlich groß, die Differenz zwischen den Verlusten der bei­ den Moden wird durch den Reflexionsgrad des Strahlteilerplättchens be­ stimmt.

Laser nach der eingangs beschriebenen Art des laserdiodengepumpten nonplanaren monolithischen Ringlasers können augenblicklich nur mit einer Ausgangsleistung von einigen 100 mW betrieben werden. Der Grund für die­ se Beschränkung ist zum einen darin zu sehen, daß Pumpstrahlung von nur einer einzigen Laserdiode longitudinal eingekoppelt werden kann, zum an­ deren ist die zum Eigenfrequenzbetrieb nötige Polarisationsdrehung bei höheren Laserleistungen nicht mehr ausreichend, um eine unidirektionale Modenausbreitung zu gewährleisten. Die bei der vorgegebenen lasermate­ rialspezifischen Verdet-Konstante notwendigen magnetischen Felder müßten unpraktikabel groß gemacht werden, um eine hinreichende Polarisations­ drehung und damit ausreichende Resonatorverluste für die unerwünschte Ausbreitungsrichtung zu erzeugen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper­ laser der eingangs genannten Art zu schaffen, der frei von den vorge­ nannten Fehlern des Standes der Technik ist und sowohl eine Erhöhung der Ausgangsleistung bei bestmöglicher Pumpeffizienz erbringt als auch eine thermische Oberlastung des Laserkristalls verhindert.

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

Fig. 1 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles eines aus drei qua­ derförmigen Kristallen bestehenden Ringresonators mit Strahl- Auskopplung und eingezeichnetem Strahlengang,

Fig. 2 ein Schemabild eines aus drei Kristallen bestehenden Ringresona­ tors, bei dem die Reflexionsfläche eines Laserkristalls als sphärische Fläche ausgeführt ist,

Fig. 3 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles eines aus drei penta­ gonförmigen Kristallen gebildeten Prismen-Ringresonator mit Strahlauskopplung und dem Strahlengang eines gleichseitigen Dreieckes,

Fig. 4a ein Schemabild eines Ringresonators mit Faraday-Rotator gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4b ein Schemabild eines monolithischen nonplanaren Ringresonators gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4c ein Schemabild eines Flüssigkeits-Ringlasers mit Auskopplung und Erzeugung der unidirektionalen Wellenausbreitung über ein Strahltellerplatte gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4d ein Diagramm der spektralen Oberlappung von Pumplicht und Laser­ resonator-Modenvolumen.

Bei dem in Fig. 1 veranschaulichen Ausführungsbeispiel werden drei Nd:YAG-Kristalle 11 quaderförmig geschliffen und in Form eines Dreieckes angeordnet. Die Ein- bzw. Austrittsflächen sowie die Reflexionsflächen an den Hinterkanten der einzelnen Kristallvierecke 11 sind poliert. Alle Ein- bzw. Austrittsflächen weisen eine für die Laserwellenlänge - unter dem jeweiligen Ein- bzw. Austrittswinkel - antireflektierende Beschich­ tung auf, die Reflexionsflächen der Kristalle 11 sind hochreflektierend für die Laserwellenlänge und hochtransmittierend für die Pumplichtwel­ lenlänge beschichtet. Die Auskopplung der in der Fig. 1 im Uhrzeigersinn umlaufenden Mode erfolgt über die unter 45° angeordnete teilweise re­ flektierende Strahlteilerplatte 12. Die gegen den Uhrzeigersinn umlau­ fende Mode wird durch den Spiegel 13 in den Laser zurückgeworfen und gleicht so die Auskoppelverluste der im Uhrzeigersinn laufenden Mode aus. Dadurch ist es möglich, alleine durch Austausch der Strahlteller­ platte 12 den Auskoppelgrad des Lasers zu variieren, während die Laser­ kristalle alle gleich beschichtet sind, die gleiche Form haben und somit kostengünstig herzustellen sind. Die Ankopplung der Laserdioden 14 er­ folgt unter einem Winkel α zur Flächennormalen der Reflexionsflächen über eine Kollimations- und Fokussleroptik 15.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform mit drei Laserkristallen 11a bis 11c abgebildet, bei der die Reflexionsfläche eines Laserkristalls 11a als sphärische Fläche ausgeführt ist, um einen Laserresonator mit gekrümmten Spiegel zu erzeugen. Ein derartiger Laserresonator befindet sich im Sta­ bilitätsdiagramm für optische Resonatoren weit weg vom Bereich der In­ stabilität und besitzt daher eine geringere Justierempfindlichkeit.

In Fig. 3 ist nun eine Ausführungsform 100 mit drei pentagonförmigen La­ serkristallen 111 dargestellt, bei denen der Laserstrahl senkrecht zur Oberfläche aus den Kristallen 111 austritt.

Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen ist ein Festkörper-Ringlaser mit einem Resonator aus mehreren Laserkristallen geschaffen worden, zwischen denen zusätzlich noch optische Elemente - beispielsweise elektrooptische Phasenmodulatoren - zur Laserfrequenzstabilisierung oder -modulation einbringbar sind und dieser Laser so konzipiert ist, daß er ohne weitere Maßnahmen im longitudinalen Einmodenbetrieb bei unidirektionaler Wellen­ ausbreitung oszilliert.

Claims (5)

1. Laserdioden-gepumpter Festkörperringlaser, dessen Festkörpermaterial optisch angeregt wird und bei dem das Pumplicht longitudinal im Einmoden­ betrieb in den Festkörper eingestrahlt wird, wobei der Resonator des Festkörperlasers (10) aus mehreren Laserkristallen (11) besteht, zwischen denen optische Elemente zur Laserfrequenzstabilisierung und/oder -modu­ lation einbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß deren Ein- oder Austrittsflächen antireflektierend, die Reflexionsflächen jedoch hochreflektierend für die Laserwellenlänge beschichtet sind, und daß die Auskopplung der Laserstrahlung über eine teilweise reflektierende Strahlteilerplatte (12) aus dem Ringreso­ nator erfolgt, während die in entgegengesetzter Richtung reflektierte über einen vollreflektierenden Spiegel (13) in den Ringresonator zurück­ reflektiert wird, so daß der Laser unmittelbar im longitudinalen Einmoden­ betrieb bei unidirektionaler Wellenausbreitung oszilliert.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung der Laserdioden (14) jeweils über eine Fokussieroptik (15) unter einem Winkel α durch die Reflexionsflächen der Laserkri­ stalle (11) eingestrahlt werden.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkristalle (11) prismenförmig ausgebildet sind und jedem La­ serkristall (11) zwei Laserdioden (14) mit jeweils einer Fokussieroptik als Pumplichtquelle zugeordnet sind.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der Reflexionsflächen der Festkörperkristalle (11) als sphärische Fläche ausgebildet ist.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pumpbereiche der einzelnen Laserdioden (14) so gelegt werden, daß sie im Laserkristall (11) räumlich voneinander ge­ trennt zu liegen kommen.