DE4411599C2 - Pumpanordnung eines transversal angeregten Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpanordnung eines transversal angeregten Festkörperlasers nach den Merkmalen des Oberbeg­ riffs des Hauptanspruchs.

Bei Hochleistungsfestkörperlasern, die mit Laserdioden ange­ regt werden, besteht das Problem, daß die von vielen Laserdi­ oden emittierte Pumpleistung in den Laserstab (das Laserele­ ment) übertragen werden muß. Die Pumpstrahlung wird von den Laserdiodenanordnungen im allgemeinen mit einer hohen Diver­ genz emittiert, die dazu führt, daß schon nach einer kurzen Strecke eine Fläche bestrahlt wird, die die Ausdehnung des Laserstabs übertrifft, so daß ein effizienter Transfer der Pumpleistung in den Laserstab nicht mehr gewährleistet ist.

Verwendet man als Laserstab einen stabförmigen Laserkristall, besteht eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen darin, mehrere lineare Anordnungen von Laserdioden möglichst nahe an die Oberfläche des Laserkristalls, bzw. der ihn umgebenden Elemente zur Führung des Kühlwassers zu bringen. Aus der DE 40 08 225 A1 oder aus J. J. Kasinski et al. "One Joule Output From a Diode-Array-Pumped Nd:YAG Laser with the Side-Pumped Rod Geometry", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28., No. 4, April 1992, S. 977-985, ist es bekannt eine sternförmi­ ge Pumpanordnung zu benutzen, bei der sich die einzelnen La­ serdiodenelemente auf dem Umfang des zylinderförmigen Ele­ ments befinden und in Richtung des Stabmittelpunktes das Pumplicht abstrahlen. Durch die Brechung des Pumplichts an der Oberfläche des Laserstabes tritt eine gewisse Bündelung der Pumpstrahlung in Richtung des Stabmittelpunktes ein. Be­ grenzend wirkt hier der Umfang des Elements, der nur eine eingeschränkte Zahl von Pumpanordnungen und damit maximale Pumpleistung pro Längeneinheit zuläßt. Da eine hohe Pumpleis­ tungsdichte in Lasermedien angestrebt wird, diese aber im Ge­ gensatz zum Umfang, der linear mit dem Radius zunimmt, quad­ ratisch mit dem Radius abnimmt, möchte man den Radius des La­ serstabes vergleichsweise klein halten. Außerdem wird die er­ reichbare Strahlqualität des Laserstrahls des Festkörperla­ sers mit größer werdendem Durchmesser ungünstig beeinflußt. Da zudem die Länge eines Laserkristalls herstellungstechnisch beschränkt ist, ist die mit dieser Anordnung zu erreichende Ausgangsleistung des Festkörperlasers durch die Geometrie der Anordnung begrenzt.

Will man zur Erhöhung der Ausgangsleistung des Lasers die An­ zahl der Laserdioden auf dem Stabumfang trotzdem erhöhen, kann also nur der Abstand zur Oberfläche vergrößert werden. Um die stark divergente Pumpstrahlung dennoch in den Laser­ stab zu richten, werden bisher Abbildungslinsen mit hoher nu­ merischer Apertur verwendet, die die Anordnung erheblich kom­ plizieren, verteuern und anfällig gegen mechanische Störungen machen. Zur besseren Ausnutzung der Pumplichtleistung ist aus der DE 39 04 039 A1 außerdem eine Anordnung bekannt, bei der seitlich am Laserstab ein Reflektor angeordnet ist, der das durch den Laserstab hindurchgetretene und von einer seitli­ chen Laserdiodenanordnung erzeugte Pumplicht erneut in den Laserstab zurückwirft.

Für höchste Ausgangsleistungen wird meist ein rechteckiges La­ serelement, ein sogenannter Slab-Kristall verwendet. Bei die­ sem stehen zwei große, sich gegenüberliegende, polierte Sei­ tenflächen zur Einstrahlung der Pumpleistung zur Verfügung. Zum Pumpen eines Kristalls dieser Geometrie werden die Laser­ dioden zu speziellen zweidimensionalen Anordnungen gestapelt, die mehrere cm² Ausdehnung erreichen können. Ziel solcher An­ ordnungen ist es, eine möglichst hohe Packungsdichte und damit eine maximale Pumpleistung pro Emitterfläche zu erzielen. Ne­ ben Stapeln von linearen Laserdiodenanordnungen werden auch zweidimensionale Oberflächenemitter zur Anregung von Slab- Kristallen eingesetzt. Diese monolithisch aufgebauten, flä­ chenhaften Pumpmodule ermöglichen eine erhebliche Reduktion der Produktionskosten, da bei ihrer Herstellung mehrere Ar­ beitsschritte der Aufbau- und Verbindungstechnik entfallen können.

Slab-Kristalle sind aber durch die Anforderungen an die Quali­ tät der polierten Seiten- und Endflächen sehr viel teurer in der Herstellung als Laserstäbe.

Darüberhinaus erfordern sie gegenüber stabförmigen Laserele­ menten einen erhöhten technischen Aufwand für die Kühlung des Kristalls, sowie für die Resonatorkonfiguration zur Erzielung einer guten Strahlqualität.

Deshalb wäre es wünschenswert, zumindest im mittleren Leis­ tungsbereich bis zu einigen hundert Watt Ausgangsleistung die Vorteile der zweidimensionalen Laserdiodenanordnungen mit der einfachen Handhabung und mechanisch stabilen Anordnung eines Stablasersystems zu kombinieren.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Pumpanordnung er­ findungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptan­ spruchs gelöst.

Dadurch, daß die von einem zweidimensionalen Pumpmodul hoher Packungsdichte ausgehende, divergierende Pumpstrahlung mittels eines Reflektors in den Laserstab gerichtet wird, ist es mög­ lich, eine sehr viel höhere Pumpleistung pro Stablänge in den Stab zu übertragen als dies mit einer sternförmigen Anordnung der Pumpmodule der Fall wäre. Die Ausdehnung der Pumpanordnung und des Laserstabes können dabei mittels des Reflektors angepasst werden. Da der Reflektor zu­ sammen mit dem Pumpmodul den Laserstab bis auf die Austritts­ stellen des Laserstrahls vollständig umschließen kann, ist ei­ ne effektive Übertragung der Pumpleistung der Laserdioden in den Laserstab gewährleistet. Die spezielle Form eines nicht­ abbildenden Refektors führt dabei zu einer maximalen Konzent­ ration der Pumpstrahlung am Ort des Laserstabs und ermöglicht außerdem eine nahezu homogene Ausleuchtung des Laserstabs. Der Reflektor kann dabei gerichtet oder diffus reflektieren. Durch die kompakte Anordnung von Laserstab, Reflektor und Pumpmodu­ len, sowie den Verzicht auf zusätzliche Abbildungsoptiken er­ gibt sich ein äußerst robuster und handlicher und kostengüns­ tiger Festkörperlaser.

Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung erscheint auch be­ sonders im Hinblick auf die dadurch mögliche Standardisierung der Pumpmodule für Stab- und Slablasersysteme und die durch die Erfindung eröffnete Möglichkeit, Stablasersysteme mit Oberflächenemittern zu pumpen, günstig.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Anordnung des hier von einem Element zur Kühlung (4) umgebenen Laserstabes (3), des Reflektors (2) und einer Laserdiodenanordnung (1) im Schnittbild gesehen.

Fig. 2 eine weitere Anordnung von Reflektor (2) und Laserstab (3), bei der der Reflektor an ein Pumpmodul (1) mit größerer Ausdehnung angepasst wurde.

Fig. 3 eine mögliche Resonatorkonfiguration, bestehend aus hier zwei Laserspiegeln (5), einem Laserdioden- Pumpmodul (1), dem Laserstab (3), sowie gestrichelt an­ gedeutet dem Reflektor (2).

Claims (3)

1. Pumpanordnung eines transversal angeregten Festkörperlasers mit mindestens einem zylindrischen Laserstab (3), und mit mindestens einem Pumpmodul (1), das eine Anordnung von La­ serdioden enthält,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung der Laserdioden zweidimensional und großflächig ist, dergestalt, dass das Pumpmodul (1) in seiner Ausdehnung senkrecht zur Stablängsachse den Durchmesser des zylindrischen Laserstabes (3) über­ schreitet,
und
dass das den zylindrischen Laserstab (3) weit überstrah­ lende, divergente Pumplicht mittels eines den Laserstab (3) umgebenden, zusammen mit dem Pumpmodul (1) eine ge­ schlossene Fläche (Kavität) bildenden, nicht­ abbildenden Reflektor (2) seitlich in den Laserstab (3) eingestrahlt wird.

2. Pumpanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sind.

3. Pumpanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden in einer variablen Packungsdichte an­ geordnet sind, mit der die Verteilung des Pumplichts im La­ serstab beeinflusst wird.