DE4424073C1 - Mit Laserdioden gepumpter Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Laserdioden gepumpten Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Laser ist aus der DE 42 29 498 A1 bekannt. Hier wird die Strahlung aus den Laseremittern außerhalb des Resonators durch ein holographisches Element zu einem einzigen Laserstrahl zusammengeführt, wobei das Lasermaterial als zusammengefügtes Bündel dotierter Glasfasern ausgebildet ist, die mittels einer gut wärmeleitenden Substanz miteinander verbunden sind.

Durch die Druckschrift von T. Y. Fan und R. L. Byer "Diode Laser-Pumped Solid-State Lasers", in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 24, No 6, June 1988, pp. 895 oder durch die Veröffentlichung von T. Y. Fan und A. Sanchez "Pump Source Requirements for End-Pumped Lasers", in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 26, Nr. 2, Febr. 1990, pp. 311 sind Laserdioden- angeregte Festkörperlaser bekannt geworden, welche beträchtliche Vorzüge gegenüber konventionellen, mit Lampen gepumpten Lasersystemen aufweisen. Ein Vorteil der Laserdioden als Pumpquelle ist neben der Effizienz und Lebensdauer der Dioden das wesentlich günstigere Anregungsspektrum. Außerdem bietet die in der angegebenen Literatur beschriebene longitudinale Pumpkonfiguration die Möglichkeit, das Pumplicht räumlich auf den Bereich der Lasermode zu beschränken.

Grundsätzlich stößt dieser sehr effiziente, longitudinale Anregungsmechanismus bei hohen Leistungsdichten durch die Zerstörschwelle im Laserkristall - beispielsweise bei Nd : YAG 115 W/cm absorbierter Pumplichtleistung - an die physikalisch realisierbaren Grenzen (siehe hierzu D. L. Sipes Jr., TDA Progress report 42-80, Oct.-Dec. 1984). Andere, in jüngster Vergangenheit bekannt gewordene, neue Lasermaterialien - wie z. B. Lanthan-Scandium- Borat - verhalten sich in dieser Hinsicht noch wesentlich ungünstiger. Doch auch schon bei geringeren Pumpleistungen, weit unterhalb der Grenze für eine mechanische Zerstörung, treten Probleme durch die thermische Kristallbelastung auf, wie z. B. thermische Linsenbildung (siehe J. Freuchiger et al. in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28, No. 4, April 1992, pp. 1046), ferner thermisch induzierte Doppelbrechung und eine geringer werdende Lasereffizienz aufgrund der veränderten Besetzungszustände der Laserniveaus.

Ein Lösungsansatz für diese Probleme besteht darin, eine Vielzahl von einzelnen, voneinander unabhängigen Lasern in Form eines ein- oder zweidimensionalen Arrays anzuregen, um so die eingestrahlte Pumplichtleistung auf ein größeres Volumen im Laserkristall zu verteilen, und die Leistungsdichte zu senken, wie von C. D. Nabors, A. Sanchez, A. Mooradian in Optics Letters, Vol. 17, Nr. 22, Nov. 15, 1992, pp. 1587 vorgeschlagen. Bei einer solchen Anordnung erhöht sich die Laserintensität auf der optischen Achse mit der Zahl N der einzelnen Laser. Mit anderen Worten: erzeugt ein Laser auf der optischen Achse die Strahlungsintensität I₀, so wächst diese bei einem Array von N einzelnen Lasern auf den Wert N × I₀.

Wesentlich günstiger ist es aber, Laserarrays anzuregen, welche miteinander phasengekoppelt sind, so daß deren Strahlung im Fernfeld interferieren kann. Als Beispiel für phasengekoppelt emittierende Laser läßt sich die Patentanmeldung EP 0 519 078 A1 oder aber die Druckschrift von M. Oka, H. Masuda, S. Kubota in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28, No. 4, April 1992, pp. 1142 zitieren. Doch führt die in der letztgenannten Schrift beschriebene intrinsische Phasenkopplung zu einem gegenphasig gekoppelten Strahlungsfeld. Dies bedeutet, daß jeder einzelne Laser gegenüber seinem Nachbarn mit einer Phasendifferenz von ΔΦ = π oszilliert. Deshalb entsteht durch die Interferenz der Teilstrahlen im Fernfeld ungünstigerweise auf der optischen Achse eine Nullstelle des Intensitätsverlaufs.

Eine über die Verstärkung des Lasermediums hervorgerufene Kopplung hingegen erzeugt unter bestimmten Bedingungen ein gleichphasig gekoppeltes Strahlungsfeld, welches auf der optischen Achse konstruktiv interferiert. Gleichphasig bedeutet, daß die Phasendifferenz zwischen der Strahlung zweier benachbarter Laser ΔΦ = 0 ist. Der entscheidende Vorteil eines solchen Sytems ist, daß die Intensität der Laserstrahlung auf der optischen Achse mit dem Quadrat der Anzahl N der Laser ansteigt; mit anderen Worten: ruft ein Laser alleine die Strahlungsintensität I₀ hervor, so steigt diese bei der gleichphasigen Kopplung von N Lasern auf N² × I₀.

Leider läßt sich diese über die Verstärkung des Lasermediums hervorgerufene, gleichphasige Kopplung von Festkörperlasern nur bei sehr geringen Laserintensitäten in sehr kleinen und damit leistungsschwachen Laserkristallen beobachten (z. B. J. Xu, S. Li, K. K. Lee, Y. C. Chen in Optics Letters, Vol. 18, No. 7, April 1, 1993, pp. 513).

Durch eine Raumfilterung im Laserresonator läßt sich ebenfalls eine gleichphasige Kopplung von Lasern erzwingen. Dies geschieht nach dem Grundsatz, daß die Intensitätsverteilung parallel einfallender Strahlung kohärent strahlender Emitter im Brennpunkt einer Linse gleich der Fouriertransformierten der Intensitätsverteilung vor der Linse ist. Bringt man nun ein entsprechend berechnetes Raumfilter in den Laserresonator genau in den Brennpunkt einer resonatorinternen Linse, so kann im Resonator nur jede Strahlung verstärkt werden, die vor der Linse von kohärent strahlenden Emittern stammt. Dadurch wird die Oszillation des Lasersystems, abhängig von der Justierung des Raumfilters, wahlweise in die gleich- oder gegenphasige Kopplung gezwungen.

Durch solche optischen Elemente erzwungene gleichphasige Kopplung (von R. H. Rediger, K. A. Rauschenbach, R. P. Schloss in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 6, June 1991, pp. 1582 für Laserdioden beschrieben) benötigt eine Vielzahl optischer Elemente, welche im Mikrometer-Bereich genau zueinander justiert werden müssen.

Dieses Prinzip ist grundsätzlich auch auf Festkörperlaser übertragbar. C. D. Nabors beschreibt in einem Vortrag zur LEOS 1992 (Conference Proceedings, IEEE Lasers and Electro-Optics Society, 1992 Annual Meeting, Nov. 16-19, 1992, pp. 497) ein Array von gleichphasig gekoppelten Nd : YAG-Lasern, das nach dem Prinzip der Raumfilterung arbeitet. Dieses System hat aber gravierende Nachteile: einmal besitzt es noch relativ viele resonatorinterne Elemente, weiterhin ist die Resonatorkonfiguration derart ungünstig, daß die räumliche Überdeckung von Pump- und Modenvolumen sehr gering ist. Darum läßt das System auch keine hohen Ausgangsleistungen erwarten und arbeitet auch gemäß der oben angeführten Literatur im Pulsbetrieb.

Der vorliegende Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von Laserdioden gepumpten Festkörperlaser der eingangs genannten Art zu schaffen, der durch wenige optische Elemente eine gleichphasige Kopplung mehrerer Laserbereiche bewirkt, bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad des Festkörperlasers und Vermeidung thermischer Überlastungen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines durch ein Diodenarray angeregten Festkörperlasers,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines durch ein Diodenarray angeregten Festkörperlasers,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines durch ein Diodenarray angeregten Festkörperlasers.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt einen Festkörperlaser, der durch ein beliebig skalierbares ein- oder zweidimensionales Laserdioden-Array angeregt wird, dessen Pumpstrahlung über Glasfasern 5 und anschließende Abbildungsoptiken 4 in den Kristall 1 einstrahlt.

In Fig. 2 ist eine alternative Pumpanordnung dargestellt, bei der die Strahlung eines Laserdioden-Arrays 5 ohne Glasfasern nur mit Hilfe der Abbildungsoptiken 4 in das aktive Kristall-Material 1 des Festkörperlasers eingekoppelt wird.

Auf diese beim longitudinalen Pumpen gemeinhin übliche Kollimier- und Fokussieroptik 4 kann aber unter Umständen auch ganz verzichtet werden, wenn Festkörperlasermaterial und Glasfasern bzw. Laserdioden nahe genug zueinander positioniert sind.

Der Festkörperlaser besteht aus einem mit laseraktiven Ionen dotierten Kristall 1 - beispielsweise Nd : YAG oder Glas - welcher in Laserqualität poliert und in einer Art und Weise geschliffen ist, daß zum einen eine sehr hohe Lasereffizienz zu erwarten ist und zum anderen durch die Form des Laserkristalls in Verbindung mit einem Raumfilter 7 eine gleichphasige Kopplung der einzelnen Laserbereiche erzwungen wird.

Entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Systems ist der vorgenannte Schliff des Laserkristalls 1. Die dem Auskoppelspiegel 6 zugewandte Seite 2 ist konvex abgerundet geschliffen und antireflektierend für die Wellenlänge des Festkörperlasers beschichtet, so daß der Laserkristall die Wirkung einer Fokussierlinse besitzt. Im Brennpunkt dieser "Linse" befindet sich der Auskoppelspiegel 6 des Lasersystems mit dem schon erwähnten, direkt auf den Spiegel 6 aufgebrachten Raumfilter 7. Auf diese Art sind die zwei Funktionselemente 6 und 7 zu einer Einheit zusammengefaßt, nämlich die für die gleichphasige Kopplung des Lasers obligatorische Raumfilterung im Brennpunkt einer Linse und der ebene Auskoppelspiegel, der die eine Hälfte des Laserresonators bildet.

Der zweite Resonatorspiegel befindet sich auf der anderen Seite 3 des Laserkristalls 1 und weist am Ort eines jeden Laseremitters einen Konkavschliff 3a auf. Diese Seite 3 ist durch eine dielektrische Vielschichtbedampfung hochreflektierend für die Laserwellenlänge des Festkörperlasers und hochtransmittierend für das Pumplicht der Anregungsquellen vergütet.

Die Form und Größe einer Lasermode in einem optischen Resonator sind Funktionen der Resonatorlänge und der Krümmungsradien der Resonatorspiegel. Der konkave Schliff dieser Laserkristallseite 3 ist genau an die Form der Phasenfront der sich im Laserresonator ausbreitenden Gauß-mode angepaßt, die sich in einem Laserresonator an der Stabilitätsgrenze ausbilden würde. So sind die Phasenfronten der einzelnen Lasermoden unmittelbar vor der optischen Abbildung durch die gekrümmte Fläche 2 eben. Auf diese Weise entsteht das Fourier-Paar des Strahlungsfeldes vor und nach der Abbildung durch die als Linse wirkende Fläche 2. Da der Kristall 1 kurz ist im Verhältnis zur Brennweite der durch den Laserkristall gebildeten Linse, ist das Volumen der einzelnen Lasermoden in dem Kristall sehr groß, damit aber ist ein großer Überlappungsbereich für das gepumpte Kristallvolumen und das Modenvolumen gegeben, was sich in einem sehr hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems niederschlägt.

Durch die räumliche Trennung der einzelnen Laser-Moden ist die thermische Belastung des gesamten Laserkristalls 1 entscheidend reduziert. Mit der Emission in verschiedenen Teilbereichen des Laserkristalls 1 wird also bei gleicher Gesamtausgangsleistung die Leistungsdichte im Kristall 1 verringert.

Ein großer Vorteil dieser Ausführung ist, daß sich bei der sich von alleine einstellenden Phasendifferenz Null zwischen den einzelnen Laserbereichen das Maximum der emittierten Laserintensität auf der Strahlachse befindet, umgeben von mehreren schwächer ausgeprägten Nebenmaxima.

Mit einer Kollimationslinse 8 und dem nachfolgenden holographischen Gitter 9 wird dann nahezu die gesamte emittierte Laserleistung in das Hauptmaximum gekoppelt, so daß das räumliche Strahlungsprofil praktisch dem eines konventionellen Lasers entspricht.

Der Laserkristall muß nicht zwangsweise aus einem einzigen Kristallstück bestehen, wie die Fig. 3 veranschaulicht. Die hier dargestellte alternative Ausführungsform besitzt als laseraktives Material 1 ein zusammengefügtes Bündel kleiner einzelner Laserstäbchen. Diese Ausführungsform in "compound-Bauweise" kann bei Verwendung von speziellem, sehr gut wärmeleitfähigem Verbindungsmaterial 3 - beispielsweise ein Metall - weitere Vorzüge bezüglich der Wärmeableitung aus dem Kristall 1 aufweisen.

Grundsätzlich besitzen Gläser, aber auch optische Kristalle (in nur etwas geringerem Maße) eine im Verhältnis zu Metallen sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Werden Laserkristalle nun ausschließlich in einem Durchmesser verwendet, der noch keine starken Beugungsverluste hervorruft, und nur an den Stellen, an denen es für die Lasertätigkeit erforderlich ist, so kann man für die nicht laseraktiven Zonen beispielsweise einen metallischen Werkstoff verwenden. Damit ist die Wärmeleitfähigkeit des Gesasmtsystems - je nach Volumenanteilen Kristall zu Verbindungsmaterial - unter Umständen erheblich besser als bei einem homogenen Lasermaterial. Dieses Prinzip läßt sich in völlig analoger Weise auch auf einzelne Wellenleiterstrukturen und auf mit laseraktiven Ionen dotierte Glasfasern übertragen.

Durch die vorstehend vorgeschlagenen Maßnahmen entsteht ein Festkörperlaser mit einem Strahlungsfeld mit hoher Intensität auf der Strahlachse, welches aufgrund seiner Phasenkopplung z. B. durch holographische Elemente in ein einziges Intensitätsmaximum zusammengeführt wird.

Claims (5)

1. Mit Laserdioden gepumpter Festkörperlaser, dessen aktives Lasermaterial (1) mit einem ein- oder zweidimensionalen Halbleiterlaserdioden- Array direkt oder über ein Bündel von Glasfasern (5) zur Bildung mehrerer räumlich voneinander getrennter Laseremissionsbereiche optisch angeregt wird, mit einem Laserresonator (3, 1, 6), der durch einen für die Pumpstrahlung des Halbleiterlaserdioden-Arrays durchlässigen Einkoppelspiegel (3) und einen für die Strahlung der Laseremissionsbereiche durchlässigen Auskoppelspiegel (6) begrenzt ist und das aktive Lasermaterial (1) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Auskoppelspiegel (6) von dem Lasermaterial (1) getrennt angeordnet ist,
• - auf dem Auskoppelspiegel (6) ein Raumfilter (7) zur gleichphasigen Kopplung der Strahlung aller Laseremissionsbereiche aufgebracht ist,
• - das Lasermaterial (1) auf seiner der Einkoppelseite der Pumpstrahlung zugewandten Fläche zur Erzeugung von Lasermoden großen Durchmessers am Ort eines jeden Emissionsbereiches jeweils mit einer aus den Resonatorabmessungen berechneten ersten konkaven Krümmung (3a) und auf der dem Auskoppelspiegel (6) zugewandten Seite (2) zur Erzielung einer Linsenwirkung ganzflächig mit einer zweiten Krümmung (2a) versehen ist, wobei das auf dem Auskoppelspiegel (6) aufgebrachte Raumfilter (7) exakt im Abstand der Brennweite der ganzflächigen zweiten Krümmung (2a) positioniert ist.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung aus den einzelnen Laseremittern außerhalb des Laserresonators (3, 1, 6) durch eine Linse (8) und/oder ein holographisches Element (9) zu einem einzigen Laserstrahl zusammengeführt wird.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermaterial (1) als dünne Scheibe aus mit Ionen der seltenen Erden dotiertem Kristall oder Glas ausgebildet ist, bei dem die Krümmung der optischen Flächen durch photolithographische Ätzung erzeugt ist.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermaterial (1) aus regelmäßig angeordneten Kristallstäben oder Glasstäben (1) oder Wellenleiterstrukturen oder mit laseraktiven Ionen dotierten Glasfasern zusammengesetzt ist.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die regelmäßig zusammengesetzten Kristall- oder Glasstäbe (1), Wellenleiterstrukturen oder mit laseraktiven Ionen dotierten Glasfasern mit einer gut wärmeleitenden Substanz miteinander verbunden sind.