DE4229498A1 - Laser diode-excited solid-state laser - uses coupling mirror to provide partial feedback of each individual resonator mode - Google Patents
Laser diode-excited solid-state laser - uses coupling mirror to provide partial feedback of each individual resonator modeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.The invention relates to a solid-state laser according to the Ober Concept of claim 1.
Aufgrund des im Vergleich zu konventionellen, lampengepumpten Fest körperlasern wesentlich günstigeren Anregungsspektrums der vorgenannten Festkörperlaser und der Möglichkeit, das Pumplicht räumlich auf die Lasermode in einem solchen Festkörperlaser zu beschränken, bietet die Konfiguration - Laserdiode(n) als longitudinale Anregungsquelle zu verwenden - sehr gute Voraussetzungen für einen effizienten Laserbetrieb bei hohen Ausgangsleistungen. Dies ist beispielsweise durch W. Streifer et al. in IEEE J.Q.E., Vol. 24, No. 6, June 1988, pp 883 beschrieben worden.Because of the comparison to conventional, lamp-pumped fest body lasers much cheaper excitation spectrum of the aforementioned Solid state lasers and the ability to spatially point the pump light Restricting laser fashion in such a solid-state laser offers Configuration - Laser diode (s) as a longitudinal excitation source use - very good prerequisites for efficient laser operation at high output powers. This is for example by W. Streifer et al. in IEEE J.Q.E., Vol. 24, No. 6, June 1988, pp 883 been.
Grundsätzlich stößt dieser sehr effiziente, longitudinale Anregungs mechanismus bei hohen Leistungsdichten durch die Zerstörschwelle im Laserkristall (z. B. bei Nd:VAG 115 W/cm) an die physikalisch realisier baren Grenzen; siehe hierzu D.L. Sipes Jr., TDA Progress report 42-80, Oct.-Dec. 1984. Doch auch schon bei geringeren Pumpleistungen treten Probleme durch die thermische Kristallbelastung auf, wie z. B. thermische Linsenbildung (beides von P. Albers et al. in IEEE J.Q.E. Vol. 28, No. 4, April 1992, pp 1046 beschrieben), thermisch induzierte Doppelbrechung und eine geringer werdende Lasereffizienz aufgrund der veränderten Besetzungszustände der Laserniveaus. Ähnliche Effekte treten auch bei Laserdioden auf.Basically, this very efficient, longitudinal excitation occurs mechanism at high power densities due to the destruction threshold in the Laser crystal (e.g. at Nd: VAG 115 W / cm) to the physically realized boundaries; see D.L. Sipes Jr., TDA Progress report 42-80, Oct.-Dec. 1984. But also with lower pumping capacities Problems due to thermal crystal stress such. B. thermal Lens formation (both by P. Albers et al. In IEEE J.Q.E. Vol. 28, No. 4, April 1992, pp 1046), thermally induced birefringence and a decreasing laser efficiency due to the changed Occupation states of the laser levels. Similar effects also occur Laser diodes on.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Festkörperlaser zu schaffen, der die Probleme der thermischen Überlastung bei hoher Ausgangsleistung und guter Effizienz umgeht.The present invention is based on solid-state lasers to create the problems of thermal overload at high Output power and good efficiency.
Zum einen soll die Laserausgangsleistung durch Skalieren mit vielen (Hochleistungs-)-Laserdioden in weiten Bereichen zu steigern sein, zum anderen soll der Laser eine hohe Effizienz und eine geringe Laser schwelle aufweisen, wie sie bisher nur mit von Laserdioden gepumpten Festkörperlasern oder Lochleistungs-Laserdioden im Bereich von einigen 100 mW realisiert wurden. Das Strahlprofil sollte aber nach Möglichkeit die gleiche, hohe Qualität aufweisen, wie sie bisher von Laserdioden-an geregten Festkörperlasern bekannt ist.On the one hand, the laser output power should be scaled with many (High power) laser diodes can be increased in a wide range to others, the laser is said to have high efficiency and a low laser have thresholds that have previously only been pumped by laser diodes Solid state lasers or hole power laser diodes in the range of a few 100 mW were realized. The beam profile should, however, if possible have the same high quality as they have been used with laser diodes excited solid-state lasers is known.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen erfüllt. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen aufgezeigt und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:This object is achieved by the measures outlined in claim 1 Fulfills. Refinements and developments are in the subclaims shown and sketched in the figures of the drawing. Show it:
Fig. 1 ein Schemabild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels mit eingeschobenem optisch abbildenden Element und einem nachgeord neten Fouriergitter, Fig. 1 is a diagram showing the construction of an embodiment with inserted image-forming optical element and a nachgeord Neten Fourier grating,
Fig. 2 ein Schemabild eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 is a schematic diagram of a second embodiment,
Fig. 3 ein Schemabild eines dritten Ausführungsbeispiels. Fig. 3 is a schematic image of a third embodiment.
Wie in Fig. 1 veranschaulicht, wird ein Festkörperlaser durch ein (beliebig skalierbares) ein- oder zweidimensionales Laserdiodenarray 4 angeregt, entweder direkt oder über Glasfasern. Der Festkörperlaser besteht aus einer Scheibe von mit laseraktiven Ionen dotiertem Fest körpermaterial 1 oder Glas (z. B. Nd:VAG) - nachstehend auch als Laserkristall 1 bezeichnet - welche in Laserqualität poliert ist und sich in einem Resonator befindet, der z. B. so ausgebildet ist, daß die beiden Spiegelschichten 2, 3 direkt auf der Scheibe aufgebracht sind. Auch können Laserdioden - z. B. aus GaAlAs - verwendet werden, die vorzugsweise elektrisch gepumpt werden.As illustrated in FIG. 1, a solid-state laser is excited by a (freely scalable) one- or two-dimensional laser diode array 4 , either directly or via glass fibers. The solid-state laser consists of a disk of solid body material 1 or glass doped with laser-active ions (e.g. Nd: VAG) - hereinafter also referred to as laser crystal 1 - which is polished in laser quality and is located in a resonator which, for. B. is designed so that the two mirror layers 2 , 3 are applied directly to the disc. Also laser diodes - e.g. B. from GaAlAs - are used, which are preferably pumped electrically.
Auf die beim longitudinalen optischen Pumpen gemeinhin übliche Kolli mier- und Fokussieroptik kann verzichtet werden, wenn im Falle des diodengepumpten Festkörperlasers Laserdioden und Festkörperlasermaterial 1 nahe genug zueinander positioniert sind, oder aber jeder einzelne Emitter der Pumplaserdioden 4 (bzw. jedes einzelne Faserende) wird durch eine Mikrooptik direkt in den Laserkristall abgebildet. The collimation and focusing optics commonly used in longitudinal optical pumping can be dispensed with if, in the case of the diode-pumped solid-state laser, laser diodes and solid-state laser material 1 are positioned close enough to one another, or each individual emitter of the pump laser diodes 4 (or each individual fiber end) is through micro-optics imaged directly into the laser crystal.
Durch eine zusätzliche Aufweitoptik (nicht gezeichnet) kann man die einzelnen laseraktiven Emitter des Laserdioden-Arrays 4 auf den Laserkristall abbilden, so daß der Abstand der laseraktiven Bereiche beziehungsweise die Breite der nicht gepumpten Zonen im Festkörperlaser variiert werden kann. Beim Pumpen über Glasfasern ist das einfach durch eine Änderung des Abstands zwischen den einzelnen Faserenden möglich. Aufgrund des durch die thermische Linse hervorgerufenen stabilen Resonators bilden sich im Festkörperlaser einzelne Moden aus, die durch nicht gepumpte und nicht in Lasertätigkeit befindliche Bereiche voneinander getrennt sind.The individual laser-active emitters of the laser diode array 4 can be imaged on the laser crystal by means of additional widening optics (not shown), so that the distance between the laser-active regions or the width of the non-pumped zones in the solid-state laser can be varied. When pumping over glass fibers, this can be done simply by changing the distance between the individual fiber ends. Due to the stable resonator caused by the thermal lens, individual modes are formed in the solid-state laser, which are separated from one another by areas that are not pumped and that are not in laser action.
Jede einzelne Mode 5 besitzt eine hohe Effektivität und eine niedrige Schwelle, genau so wie ein einzelner von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser vergleichbarer Leistung. Durch die räumliche Trennung der einzelnen Moden 5 ist die örtliche thermische Belastung des gesamten Laserkristalls 1 aber entscheidend reduziert. Mit der Emission in verschiedenen Teilbereichen des Laserkristalls 1 wird also bei gleicher Gesamtausgangsleistung die Leistungsdichte im Kristall verringert.Each individual mode 5 has a high effectiveness and a low threshold, just like an individual solid-state laser of comparable power pumped by laser diodes. However, due to the spatial separation of the individual modes 5 , the local thermal load on the entire laser crystal 1 is decisively reduced. With the emission in different subregions of the laser crystal 1 , the power density in the crystal is reduced with the same total output power.
Um jedoch ein gegenüber konventionellen von Laserdioden gepumpten Festkörperlasern adäquate Kohärenzeigenschaften und ein adäquates Strahlungsprofil zu erreichen, müssen zunächst die Festkörper-Emitter phasengekoppelt emittieren. Die Phasenkopplung ist ein Novum gegenüber der Veröffentlichung von Nabors et al. ("Advanced Solid State Lasers" (17.-19.2.1992, Santa Fe, High power Microchip Laser Arrays Tu C5-1, 5.189 ff) und wird völlig anders vorgenommen, als von Oka et al. in deren Veröffentlichung (IEEE J.Q.E. Vol. 28, No. 4, April 1992, pp 1142). beschrieben. Während dort die einzelnen emittierenden Bereiche durch die räumliche Überlagerung der Lasermoden automatisch mit einer festgelegten Phasendifferenz (bei zwei Emittern: δΦ=π) koppeln, soll bei dem hier vorliegenden Anmeldungsgegenstand eine Phasenkopplung durchgeführt werden, bei der keine oder nur eine geringe Phasendifferenz auftritt. However, in order to achieve adequate coherence properties and an adequate radiation profile compared to conventional solid-state lasers pumped by laser diodes, the solid-state emitters must first emit in a phase-coupled manner. Phase coupling is a novelty compared to the publication by Nabors et al. ("Advanced Solid State Lasers" (February 17-19, 1992, Santa Fe, High power Microchip Laser Arrays Tu C5-1, 5.189 ff) and is carried out completely differently than by Oka et al. In their publication (IEEE JQE Vol 28, No. 4 , April 1992, pp 1142) .. While the individual emitting areas there automatically couple with a defined phase difference (with two emitters: δΦ = π) due to the spatial superposition of the laser modes, the object of the present application is intended to be a phase coupling can be carried out in which no or only a small phase difference occurs.
Jeder einzelne Festkörperlaser wird durch den Laserkristall (1) und die Spiegel (2) (hochreflektierend für die Laserwellenlänge, hochtransmit tierend für die Pumpwellenlänge) und (3) (teilreflektierend für die Laserwellenlänge) gebildet. Durch die optische Anregung des Laser kristalls mit Hilfe des Pump-Laserdiodenarrays 4 oder im Falle von Laserdioden eine geeignete Stromführung in räumlich voneinander getrennten Bereichen bilden sich im Festkörperlasermaterial die zuvor beschriebenen einzelnen Moden 5 aus.Each individual solid-state laser is formed by the laser crystal ( 1 ) and the mirror ( 2 ) (highly reflective for the laser wavelength, highly transmissive for the pump wavelength) and ( 3 ) (partially reflective for the laser wavelength). Due to the optical excitation of the laser crystal with the aid of the pump laser diode array 4 or in the case of laser diodes, suitable current conduction in spatially separated areas forms the individual modes 5 described above in the solid-state laser material.
Zusätzlich befindet sich nun aber ein dritter, teilweise reflektierender Spiegel 6 vor dem eigentlichen Laserresonator, so daß eine Rückkopplung in die Einzelmoden 5 der aus den Spiegeln 2 und 3 gebildeten Laser resonatoren stattfinden kann.In addition, there is now a third, partially reflecting mirror 6 in front of the actual laser resonator, so that feedback into the individual modes 5 of the laser resonators formed from the mirrors 2 and 3 can take place.
Die Form und Größe einer Lasermode in einem optischen Resonator sind Funktionen der Resonatorlänge und der Krümmungsradien der Resonator spiegel. Darum ist der Abstand vom Laserkristall 1 und Krümmungsradius des dritten, für die Phasenkopplung verantwortlichen Spiegels 6 so gewählt, daß das so gebildete Modenvolumen im Rückkopplungs-Resonator sämtliche emittierende Bereiche 5 des Laserkristalls 1 einschließt. Dazu können auch zusätzliche, optisch abbildende Elemente 7 im Resonator zwischen den Spiegeln 3 und 6 für die gewünschte Form der sich ausbil denden Mode sorgen.The shape and size of a laser mode in an optical resonator are functions of the resonator length and the radii of curvature of the resonator mirror. Therefore, the distance from the laser crystal 1 and the radius of curvature of the third mirror 6 , which is responsible for the phase coupling, is selected such that the mode volume thus formed in the feedback resonator includes all emitting regions 5 of the laser crystal 1 . For this purpose, additional, optically imaging elements 7 in the resonator between the mirrors 3 and 6 can provide the desired shape of the fashion that is developing.
Der Reflexionsgrad des "Koppelspiegels" 6 ist so gewählt, daß ein Teil der Laserleistung gemeinsam in alle Emitter zurückreflektiert wird. Überschreitet die auf diese Weise in jeden Einzellaser eingestrahlte Leistung einen bestimmten Wert, so schwingen alle diese Einzellaser mit gleicher Phase. Diese gegenseitige Phasenkopplung aller Emitter untereinander ohne gegenseitige Phasendifferenzen geschieht nach dem Prinzip des "injection locking".The degree of reflection of the "coupling mirror" 6 is chosen so that part of the laser power is reflected back together into all emitters. If the power radiated into each individual laser in this way exceeds a certain value, all of these individual lasers oscillate with the same phase. This mutual phase coupling of all emitters to one another without mutual phase differences takes place on the principle of "injection locking".
Ein großer Vorteil dieser Anordnung ist, daß sich, bei der sich von alleine einstellenden, verschwindenden oder nur geringen Phasendifferenz das Maximum der emittierten Laserintensität auf der Strahlachse befindet, umgeben von mehreren weniger starken Nebenmaxima. A great advantage of this arrangement is that, in the case of alone adjusting, disappearing or only slight phase difference the maximum of the emitted laser intensity on the beam axis is surrounded by several less strong secondary maxima.
Mit dem nachfolgenden Fouriergitter 8 kann dann die gesamte emittierte Laserleistung in das zentrale Hauptmaximum gekoppelt werden, so daß das räumliche Strahlungsprofil dem eines konventionellen Lasers entspricht.With the subsequent Fourier grating 8 , the total emitted laser power can then be coupled into the central main maximum, so that the spatial radiation profile corresponds to that of a conventional laser.
Eine solche Technik des Zusammenführens einer ungleichmäßigen Inten sitätsverteilung in ein einziges Maximum mit Hilfe eines Fouriergitters ist für Laserdiodenarrays schon von Leger et al. (Appl. Phys. Lett., Vol. 50, No. 16, 20. April 1987, pp 1044) beschrieben worden unter der Voraussetzung, daß die emittierenden Laser keine oder nur geringe Phasendifferenz aufweisen.Such a technique of merging an uneven integer sity distribution into a single maximum using a Fourier grid has already been used for laser diode arrays by Leger et al. (Appl. Phys. Lett., Vol. 50, No. 16, April 20, 1987, pp 1044) Prerequisite that the emitting laser has little or no Show phase difference.
Der Laserkristall muß nicht zwangsweise aus einem richtigen Kristall bestehen, wie Fig. 2 veranschaulicht. Die hier dargestellte, alter native Ausführungsform besitzt als laseraktives Material ein zusammen gefügtes Bündel dotierter Glasfasern 12 oder winziger einzelner Laserstäbchen 12a oder Wellenleitern. Die beiden zuletzt genannten Ausführungsformen in "compound-Bauweise" könnten bei Verwendung von speziellem, sehr gut wärmeleitendem Verbindungsmaterial 13 (z. B. einem Metall) weitere Vorzüge bezüglich der Wärmeableitung aus dem Kristall aufweisen. Grundsätzlich besitzen Gläser, aber auch optische Kristalle eine im Verhältnis zu Metallen sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Wird ein Laserkristall 1, 11 nun ausschließlich an den Punkten eingesetzt, an denen es für die Lasertätigkeit erforderlich ist, und werden die nicht laseraktiven Zonen aus z. B. Metall gebildet, so ist die Wärmeleit fähigkeit des Gesamtsystems unter Umständen (je nach Volumenanteilen Kristall/Verbindungsmaterial) erheblich besser als bei einem homogenen Lasermaterial.The laser crystal does not necessarily have to consist of a correct crystal, as illustrated in FIG. 2. The alternative embodiment shown here has as laser-active material an assembled bundle of doped glass fibers 12 or tiny individual laser rods 12 a or waveguides. The two last-mentioned embodiments in “compound construction” could have further advantages with regard to heat dissipation from the crystal when using special, very good heat-conducting connecting material 13 (for example a metal). In principle, glasses, but also optical crystals, have a very low thermal conductivity compared to metals. If a laser crystal 1 , 11 is now used exclusively at the points where it is necessary for the laser activity, and the non-laser-active zones from z. B. formed metal, the thermal conductivity of the overall system may be (depending on the volume shares crystal / connecting material) considerably better than with a homogeneous laser material.
Fig. 3 zeigt als alternative Ausführungsform eine ähnliche Konfigu ration, bei der anstatt des diodengepumpten Festkörperlasermaterials einzelne Laserdioden 21 mit fest aufgebrachten Resonatorspiegeln 22 und 23 die Laserresonatoren bilden. Die gegenseitige Phasenkopplung geschieht auch hier durch den Rückkopplungsspiegel 24. Fig. 3 shows an alternative embodiment, a similar configuration, in which instead of the diode-pumped solid-state laser material, individual laser diodes 21 with permanently attached resonator mirrors 22 and 23 form the laser resonators. The mutual phase coupling also takes place here through the feedback mirror 24 .
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
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8131 | Rejection |