DE4242862A1

DE4242862A1 - Von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser

Info

Publication number: DE4242862A1
Application number: DE4242862A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Heinemann; Axel Dipl Ing Mehnert; Peter Dr Peuser; Nikolaus Dipl Phys Schmitt
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2012-12-19
Also published as: DE4242862C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkör perlaser als Strahlungsquelle monofrequenter Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Laserdiodengepumpte Festkörperlaser, insbesondere auch Mikrokristall-La ser, sind als Strahlquellen monofrequenter Laserstrahlung bekannt und u. a. in der EP 0327310 A2 beschrieben. Sie weisen jedoch auch das für Mikrokristall-Laser typische Verhalten der Emission auf mehreren Über gängen auf. Durch die Anmelderin wurden bereits einige Verfahren, wie thermische Abstimmung (P 4139833.5), oder Ausnützung der Polarisations eigenschaften (P 4101521.5-33) zur Erzeugung monofrequenter Strahlung aufgezeigt.

Für Aufgabenstellungen aus der optischen Meß- und Prüftechnik sowie der optischen Nachrichtenübertragung sind abstimmbare monofrequente Laser nötig. Diese können u. a. in Sandwich-Bauweise realisiert werden, wobei ein piezoaktives Stellelement in den Resonator eingebracht wird (P 4039455.7).

Für viele Anwendungen jedoch sind kurze Pulse von ns-Dauer hoher Fre quenzstabilität erwünscht, wobei Leistungen im kW-Bereich ausreichend sind. Mikrokristall-Laser stellen hier erhöhte Anforderungen an den mechanischen Aufbau, da ihre große Kompaktheit die Verwendung von intra cavity-Elementen stark einschränkt. Realisiert wurde ein Güte geschalte ter Mikrokristall-Laser durch die Verwendung eines Etalonresonators als Auskoppelspiegel (J. J. Zayhowsky, Advanced solid state Lasers Konferenz 1991), welches separat angeordnet wurde, was einem halbmonolithischen Aufbau entspricht (Abb. 6). Nachteil dieses Aufbaus ist zum einem eine große Bauform, wie auch zum andern eine relativ große Resonatorinstabi lität aufgrund mechanischer Resonanzen, sowie relativ langer Anstiegs zeiten. Eine andere Ausführung unter Verwendung elektrooptischer Kri stalle ist beschrieben in Opt. Lett. Vol. 17, 1. Sept. 1992, Seite 1201-1203. Diese Anordnung benötigt jedoch relativ hohe Spannungen und läßt so auch eine nur beschränkte Verstimmung des Etalons zu.

Die Transmission eines Etalons ist maximal, falls die Phasendifferenz zweier transmittierter Strahlen ein Vielfaches der Wellenlänge ist. Bei senkrechtem Einfall gilt für maximale Transmission:

2 _* n _* l = m _* λ;

(n = Brechungsindex; l = Etalonlänge; λ = Laserwellenlänge; m = ganze Zahl).

Somit läßt sich durch eine Variation der Etalonlänge die Reflektivität des Auskoppelspiegels für eine bestimmte Frequenz variieren (Abb. 7) und die Güte des Lasers, wie auch dessen Resonanzfrequenz variieren.

Wird ein Etalon veränderlicher Länge als variabler Auskoppelspiegel ver wendet, so ergeben sich statt eines Etalons gekoppelte Resonatoren (Abb. 3), deren resultierende Frequenz neben den Resonatorlängen auch von den Reflexionsgraden der beiden Spiegel abhängen (Abb. 4). Wird der Re flexionsgrad des gemeinsamen Spiegels R2 klein gewählt, so findet eine starke Kopplung statt und die resultierenden Frequenzen weichen stark von den Eigenfrequenzen ab (Abb. 4). Je nach Stärke der Kopplung (Wahl der Reflektivität der Spiegel R2 und R3) kann die erfindungsmäße Anord nung zur Güteschaltung, Frequenzabstimmung oder Übergangsselektion oder einer Kombination hieraus dienen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung aufzuzeigen, welche sowohl die Erzeugung von cw Strahlung oder auch von kurzen Pulsen im ns-Bereich und Leistungen im kW-Bereich, oder auch die Selektion eines Übergangs und - im Falle von longitudinalem Multimodebetrieb - einer Mode sowie auch eine Abstimmung der Laserfrequenz ermöglicht, wobei die Kompaktheit derartiger Laser, sowie eine geringe Linienbreite aufgrund hoher Resona torstabilität durch den quasimonolithischen Aufbau (sandwich) erhalten bleibt.

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 ist ein Ausführungsbei spiel erläutert und die Figuren der Zeichnungen ergänzen diese Erläute rungen. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Skizze eines erfindungsgemäßen quasimonolithischen Mikro kristall-Lasers mit einem Spiegel variablen Auskoppelgrades;

Fig. 2 die Darstellung einer Laserdiode mit longitudinalem Einmoden betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3 eine Prinzipzeichnung zweier gekoppelter Resonatoren;

Fig. 4 die Verschiebung der Laserfrequenz zweier gekoppelter Resonato ren bei Variation der Reflektivität des Zwischenspiegels;

Fig. 5 Emissionsspektrum eines Nd : GGG-Mikrokristall-Lasers;

Fig. 6 eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines Mikrokristall- Lasers mit variablen Auskoppelgrad, welcher sich güteschalten läßt, nach dem Stand der Technik;

Fig. 7 eine relative Verschiebung der Transmission eines Etalons bzgl. einer festen Laserfrequenz bei Variation der Etalonlänge aus J. J. Zayhowsky (siehe oben).

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Mikrokristall-Lasers 10 nach der Erfindung gezeigt. Der beidseitig mit dielektrischen Schichten ver sehene Laserkristall 11 mit typischen Längen von wenigen Millimetern oder darunter wird von einer Laserdiode LD optisch gepumpt. Die Be schichtung R1 auf der, der Pumpquelle LD zugewandten Seite ist hoch reflektierend für die Laserwellenlänge und hochtransmittierend für die Pumpwellenlänge. Die andere Seite des Laserkristalls ist optional hoch reflektierend für die Pumpwellenlänge und teilreflektierend für die Laserwellenlänge beschichtet R2, wobei der Reflexionsgrad von den ge wünschten Eigenschaften abhängt, wie weiter unten erläutert. Auf den Auskoppelspiegel des Laserkristalls 11 wird eine piezostriktive Folie 12 geringer Dicke, typischerweise 10 µm-100 µm, aufgebracht. Die Folie 12 weist in der Mitte ein Loch 13 auf, damit keine Laserleistung In der Folie absorbiert wird. Auf der Folie wird ein dünnes Glassub strat, welches ebenfalls einseitig teilreflektierend und andersseitig antireflektierend für die Laserwellenlänge dielektrisch beschichtet R3 ist, befestigt. Das Glasplättchen wird derart auf die Folie mon tiert, daß die teilreflektierende Schicht R3 dem Laserkristall 11 zuge wandt ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich ein Resonator mit 3 Spiegeln ergibt, wobei zwischen Spiegel R1 und R2 das laseraktive Medium eingebracht ist, zwischen Spiegel R2 und R3 ein Luftspalt entsteht. Der Reflexionsgrad wird wiederum von den gewünschten Eigenschaften bestimmt, wie unten dargestellt.

Auf diese Weise entsteht zwischen der tellreflektierenden Schicht des Laserkristalls 11 und der entsprechenden Schicht des Glasplättchens ein Luftspalt, dessen Länge sich durch die piezostriktive Folie 12 verändern läßt bzw. mittels R3 ein Teil der Strahlung in den zwischen R1 und R2 gebildeten Resonator zurückgekoppelt wird.

Die Befestigungen des Laserkristalls 11 und des Glassubstrates an der Folie 12 wird typischerweise durch Klebstoff, aber auch durch Lot herge stellt, wodurch eine feste Verbindung entsteht, welche zu hoher mechani scher Stabilität und somit zu geringen Resonatorlinienbreiten führt (sandwich).

Ein derartig aufgebauter Laser 10 kann nun sowohl zur Selektion eines beliebigen Übergangs aus der Anzahl der anschwingenden Übergänge benutzt werden, als auch zur Erzeugung kurzer Pulse (ns-Bereich) mittlerer Lei stung (kW-Bereich) und hoher Repetitionsrate (MHz-Bereich) dieser selek tierten Frequenz. Dieser Laser bietet weiterhin die Möglichkeit Pulszüge verschiedener Frequenz, aber gleicher Dauer der Einzelpulse zu generie ren sowie die Frequenz eines selektierten Übergangs im Bereich von GHz durchzustimmen.

Der Luftspalt muß mit seiner Länge und die Reflektivität der beiden Spiegel R2 und R3 auf die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Die relevanten Formeln sind:

Der freie spektrale Bereich eines Etalons fsr berechnet sich zu:
Δν = c/(2 _* n _* l); (c: Lichtgeschwindigkeit; l: Etalonlänge).

Die Finesse F ist gegeben durch: F = π _* /(1-R) mit R = ; (R2, R3:Reflexionsgrad der Etalonspiegel).

Für die Linienbreite der Transmission eines Etalons Δν gilt:
Δν = fsr/F.

Zur Selektion von Übergängen vorzugsweise von Festkörperlasern ergibt sich, daß wegen der Symmetrie der Reflexions- bzw. Transmissionscharak teristik des Etalons (Abb. 7) der Frequenzabstand aller auftretenden Übergänge innerhalb eines halben freien spektralen Bereichs liegen muß, um die Eindeutigkeit zu garantieren. Die im Experiment beobachteten Übergänge weisen typischerweise einen Abstand von etwa 3.2 nm bzw. 860 GHz auf (Abb. 5). Hieraus ergibt sich ein geforderter freier spektraler Bereich von 1700 GHz bei 1060 nm und damit die minimale Länge des Eta lons zu etwa 90 µm. Die piezoelektrischen Folien, wie z. B. PVDF sind zwischen 9 µm und 100 µm dick, so daß sich derartige kurze Etalon längen auf die oben beschriebene Art realisieren lassen. Die Reflektivi tät der Etalonspiegel R2 und R3 muß zum einem hoch genug sein (< ca. 95%), damit die Kopplung der beiden Resonatoren schwach ist und die Laserfrequenz annähernd konstant bleibt, wenn die Etalonlänge variiert wird. Zum anderen wird die Reflektivität der Spiegel durch die Linien breite der Transmissionskurve Δν bestimmt. Es bietet sich hier die Möglichkeit auch längere Kristalle zu nehmen, die aufgrund des "spatial hole burning" auf mehreren longitudinalen Moden gleichzeitig emittieren. Die Linienbreite des Etalons Δν (bzw. die Finesse) muß so angepaßt werden, daß sie zumindest kleiner ist als der Abstand zweier longitudi naler Moden. Beispielsweise ergibt sich für einen 2 mm langen Nd : GGG-La serkristall aus Δν=c/(2 _* n _* l) ein Modenabstand von 40 GHz. Bei einer Etalonlänge von 90 µm und einem fsr von etwa 1700 GHz ergibt sich somit eine minimale Finesse von circa 43 und damit eine Reflexion des Auskoppelspiegels des Laserkristalls und des beweglich angebrachten Eta lonspiegels von annähernd 96%. Umgekehrt kann über die Reflektivität der Spiegel R2 und R3 die maximale Kristallänge bestimmt werden. Legt man eine entsprechend hohe Reflexion der Etalonspiegel und damit auch eine hohe Finesse zu Grunde, so lassen sich Kristallängen bis 10 mm ver wenden.

Das Anlegen einer Spannung im Niedervoltbereich an die piezoelektrische Folie bewirkt nun eine Änderung der Länge des Luftspalts und damit nach Fig. 7 auch eine Verschiebung der Transmission bzw. Reflexion des Eta lons. Bei entsprechender Einstellung der Foliendicke bzw. Etalondicke kann somit wahlweise eine der im freien Betrieb emittierenden Laserfre quenzen ausgekoppelt werden. Da alle anderen Frequenzen aufgrund der hohen Finesse einen hohen Verlust im Resonator erfahren, wird sämtliche Inversion im Laserkristall durch die mittels des Etalons eingestellte Frequenz abgeräumt. Auf diese Weise läßt sich single-frequency-Strahlung sehr hoher Leistung erzeugen.

Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, daß auch Strahlung be liebiger Polarisation erzeugt werden kann. Wie in P 4101521.5-33 be schrieben, ist jedem auftretenden Übergang bei nicht doppelbrechenden Kristallen eine wohl definierte Polarisation zu eigen, so daß eine Selektion der Übergänge gleichbedeutend mit einer Selektion der Polari sation ist.

Die oben beschriebene Ausführungsform kann auch zur Güteschaltung ver wendet werden, wenn an die piezostriktive Folie 12 eine Wechselspannung angelegt wird. Auch hier gilt, daß aufgrund des hohen Reflexionsgrades der Spiegel R2 und R3 die Kopplung der Resonatoren gering ist und damit die Laserfrequenz nur durch den Laserkristall 11 bestimmt wird. Eine Variation der Etalonlänge kann nun dazu benutzt werden, die Transmis sionskurve des Etalons schnell über die Laserfrequenz zu tunen. Bei exakter Übereinstimmung der Laserfrequenz und der Transmissionsfrequenz wird die Güte des gesamten Resonators verringert und es entstehen auf grund der kurzen mittleren Photonenlebensdauer in Mikrokristall-Lasern kurze Pulse im ns-Bereich mit Leistungen im kW-Bereich.

Die Verwendung von piezoelektrischer Folie erlaubt wegen ihres schnellen Schaltverhaltens Repetitionsraten von einigen 10 MHz. Außerdem sind pie zoelektrische Polymerfolien sehr dünn und erlauben so eine direkte Kon taktlerung der Komponenten (sandwich-Bauweise) bei gleichzeitig sehr kurzen Resonatoren.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau läßt sich auch ein Durchstimmen der Laserfrequenz erreichen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weicht die Eigenfrequenz des Laserresonators in gekoppeltem Zustand um so stärker von dessen Eigenfrequenz in ungekoppeltem Zustand ab, je geringer die Reflektivität der Etalonspiegel ist. Daher muß eine starke Kopplung der Resonatoren erreicht werden, was durch einen möglichst geringen Re flexionsgrad des Etalonspiegels R2 auf dem Laserkristall 11 bewirkt wer den kann. Eine untere Grenze der Reflektivität ist durch die zur Sicher stellung von longitudinalem Einmodenbetrieb festgelegten minimalen Finesse gegeben. Für das oben angeführte Beispiel eines 2 mm langen Nd : GGG-Mikrokristall-Lasers ist die minimale Reflexion der Etalonspiegel für Einmodenbetrieb 96%. Wählt man einen Reflexionsgrad des beweglichen Spiegels von 99,7%, so ergäbe sich eine minimale Reflexion des festen Etalonspiegels auf dem Laserkristall 11 von 92%. Für eine gute Kopplung der beiden Resonatoren sollte jedoch der Reflexionsgrad des festen Eta lonspiegels R2 möglichst weniger als 80% betragen, was bei einer mini mal üblichen Reflektivität R3 von 98% eine dementsprechend geringe Finesse F des Etalons bedingt, so daß kürzere Laserkristalle mit größe rem Frequenzabstand der longitudinalen Moden verwendet werden müssen.

Wird nun eine stetig ansteigende Spannung auf die piezoelektrische Folie 12 gegeben, so ändert sich wegen der Kopplung des Laserresonators mit dem Etalonresonator die emittierte Laserfrequenz, ohne daß Modensprünge auftreten. Eine Grenze der Durchstimmbarkelt mittels Folie 12 ist durch die begrenzte Ausdehnung der Folie gegeben, kann jedoch durch zusätzli che Änderung der Laserkristalltemperatur erreicht werden.

Fig. 2 zeigt ebenfalls eine Anordnung gemäß der Erfindung unter Verwen dung einer Halbleiterlaserdiode als laseraktives Medium. Die Anregung erfolgt hier vorzugsweise elektrisch. Die Anordnung dient insbesondere in analoger Weise zu Fig. 1 dazu, die naturgemäß longitudinal mehrmodige Emission von Halbleiterlaserdioden durch optischen feedback des externen aus R2 und R3 gebildeten Resonators auf eine Mode zu reduzieren.

Claims

1. Von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser als Strahlungsquelle monofrequenter Laserstrahlung mit variablem Auskoppelgrad und Güteschal tung, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium (11) mit einer piezoelektrischen Folie (12) kontaktiert wird, welche ihrerseits mit einem Auskoppelspiegel (R3) kontaktiert ist, so daß zwischen Lasermedium und Auskoppelspiegel ein in seiner Länge abstimmbarer Luftspalt (13) entsteht, welcher eine hinreichend geringe Länge aufweist, so daß bei geeigneter Wahl der Reflektivitäten der beiden Spiegel (R2) und (R3) eine longitudi nale Modenselektion erreicht wird und bei Anlegen einer elektrischen Span nung an die piezoelektrische Folie (12) wahlweise eine Selektion einzelner Laserübergänge, Güteschalten oder Durchstimmung der Laserfrequenz ermög licht wird.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Lasermedium (11) um ein optisch gepumpten Festkörperlaserkristall oder -glas handelt.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Lasermedium um eine Halbleiter-Laserdiode handelt.

4. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Durchstimmung der Laserfrequenz das Lasermedium (11) so geformt und beschichtet ist, daß mittels eines externen Spiegels die Ausbildung einer Resonatormode gewährleistet ist.

5. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Güteschaltung und Selektion einzelner Übergänge das Lasermedium so geformt und beschichtet ist, daß die Ausbildung einer Resonatormode gewährleistet ist.

6. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität der Laserspiegel R2 und R3 so gewählt ist, daß in dem aus R1 und R3 gebildeten Resonator ein aus R2 und R3 gebildetes Etalon geformt ist, die Linienbreite der Transmission des Etalons Δν kleiner ist als der longitudinale Modenabstand des Resonators sowie bei Auftreten mehrere Laserlinien im Emissionsspektrum der freie spektrale Bereich des Etalons fsr größer oder gleich dem größten Frequenzabstand der im Emis sionsspektrum auftretenden Laserlinien ist.

7. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität von R2 und R3 so gewählt ist, daß R1 und R2 einen ersten Resonator und R2 und R3 einen zweiten Resonator bilden, wobei letzterer einen Teil der Laserstrahlung schmaler Linienbreite in den ersten Resona tor rückkoppelt.

8. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer Spannung die Länge des Luftspalts (13) variierbar ist und die Reflektivität der Spiegel R2 und R3 so gewählt ist, daß R2 opti miert ist auf eine maximale Ausgangsleistung des Lasers (typisch 90% bis 99,7%) und R3 gemäß R3=R²/R2 gewählt ist.

9. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer periodisch modulierten elektrischen Spannung an die piezoelektrische Folie (12) und Wahl der Spiegelreflektivitäten R2 von . . . sowie R3 so, daß R2 optimiert ist für maximale Ausgangsleistung des Lasers im Pulsbetrieb (typisch 80% bis 95%) und R3 zu R3=R²/R2 gewählt wird, so daß insgesamt Pulse im ns-Bereich mit Repetitionsraten bis in den MHz-Bereich, entsprechend der an die Folie angelegten Frequenz, erzeugt werden.

10. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Folie (12) und die Wahl der Spiegelreflektivitäten so, daß R3 optimiert wird auf maximale Ausgangsleistung des Lasers (typisch 0% bis 99,7%) und R2 ge wählt wird zu R2=R²/R3, eine Durchstimmung einer selektierten Laserfre quenz ermöglicht wird.

11. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß PVDF oder KF2 als piezoelektrische Folie (12) Verwendung findet, die eine Dicke von typischerweise 10 µm bis 1000 µm aufweist.

12. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der piezoelektrischen Folie (12) ein einseitig teilreflektierendes (R3) und andersseitig für die Laserwellenlänge antireflektierendes dünnes Glassubstrat kontaktiert ist.

13. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium (Laserkristall) (11) und das Glassubstrat an der piezoelektrischen Folie (12) mittels Klebstoff oder Lot befestigt sind.

14. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Etalonspiegel (R2) auf dem Laserkristall (11) einen geringen Re flexionsgrad von weniger als 80% aufweist.