DE4425050C2

DE4425050C2 - Solid-state laser pumped by laser diodes

Info

Publication number: DE4425050C2
Application number: DE19944425050
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Heinemann; Axel Dipl Ing Mehnert; Peter Dr Peuser; Juergen Maurice Dipl Ph Plorin; Nikolaus Dipl Phys Schmitt; Paul Dipl Ing Zeller
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2014-07-16
Also published as: DE4425050A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkörper laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a solid body pumped by laser diodes Laser according to the preamble of claim 1.

Solche Festkörperlaser bieten neben einer hohen Effizienz, die bis zum Zehn fachen den Wirkungsgrad herkömmlicher Systeme übersteigt, auch Kompakt heit und weitgehende Wartungsfreiheit. Durch die DE 40 08 225 A1 ist ein derartiger Laser bekannt, bei dem das Laserlicht das Lasermedium in einem zick-zackförmigen Weg durchläuft.Such solid-state lasers offer, in addition to high efficiency, up to ten times the efficiency of conventional systems, even compact ity and largely maintenance-free. DE 40 08 225 A1 is a known laser, in which the laser light, the laser medium in one goes through zigzag path.

Für das Aufbauprinzip wird sehr häufig die longitudinale Anregung des Laser materials genutzt, um eine möglichst gute Strahlqualität zu erhalten. Solche Konzeptionen sind bereits in vielfältigen Ausführungsformen Stand der Tech nik, sie lassen sich jedoch nur bedingt für hohe Leistungen nutzen, weil die Zerstörschwelle des Lasermaterials ziemlich schnell erreicht wird.The longitudinal excitation of the laser is very often used for the construction principle materials used to obtain the best possible beam quality. Such Concepts are already state of the art in a variety of forms nik, but they can only be used to a limited extent for high performance, because the Destruction threshold of the laser material is reached fairly quickly.

Bei der ebenfalls bekannten transversalen Pumpanordnung, bei der die Pump strahlung der Laserdioden senkrecht zur optischen Achse des Festkörperlasers eingekoppelt wird, kann man die Leistung des Festkörperlasers durch Anein anderreihen mehrerer Laserdioden nach oben skalieren. Dabei kommt man aber sehr schnell an eine Grenze des praktikablen und effizienten Einsatzes, weil z. B. das Lasermaterial eine große Länge besitzen muß. Transversale Pumpanordnungen sind in der Literatur vielfach beschrieben, sowohl für plat tenförmige (Slab-) Kristalle (siehe W.Köchner: "Solid state laser engineering" 2. Auflage 1988, Springer Verlag Berlin Heidelberg, S. 389-401), als auch für üblicherweise zylindrische Laserstäbe (siehe bspw. F. Hanson, D. Haddock: "Laser diode pumping of neodymium laser rods" - in Applied Optics, Bd. 27, Nr. 1, 1988, S. 80-83).In the likewise known transverse pump arrangement, in which the pump radiation of the laser diodes perpendicular to the optical axis of the solid-state laser is coupled, you can the power of the solid-state laser by Anein scale rows of multiple laser diodes up. Here you come but very quickly to a limit of practical and efficient use, because e.g. B. the laser material must have a great length. Transversal Pump arrangements are widely described in the literature, both for plat ten-shaped (slab) crystals (see W.Köchner: "Solid state laser engineering" 2nd edition 1988, Springer Verlag Berlin Heidelberg, pp. 389-401), as well as for usually cylindrical laser rods (see, for example, F. Hanson, D. Haddock: "Laser diode pumping of neodymium laser rods" - in Applied Optics, Vol. 27, No. 1, 1988, pp. 80-83).

Aus der DD 2 99 574 A5 ist es bekannt, ein stabförmiges Lasermedium mit ei nem mehreckigen Querschnitt auszubilden und aus der FR 2 670 623 A1 ist es bekannt, einen Laserkristall mit seinen Endflächen so auszubilden, daß jede einer Pumplaserdiode zugeordnet ist.From DD 2 99 574 A5 it is known to use a rod-shaped laser medium with an egg nem polygonal cross-section and it is from FR 2 670 623 A1 known to form a laser crystal with its end faces so that each is assigned to a pump laser diode.

Aus der DE 41 01 403 A1 ist eine transversale Anregung mit longitudinaler Komponente bekannt, bei der der sich im Lasermedium aufbauende Laserstrahl mehrfach reflektiert wird. Hier wird die Lehre vermittelt, daß bei großem Di vergenzwinkel des Pumplichts der Anteil an überschüssigem Licht zunimmt, welches nichts zum Aufbau des Laserlichts beiträgt und somit der Pumpwir kungsgrad abnimmt. Andererseits nimmt mit der Anzahl von Wechseln in der optischen Achse der Resonatorgesamtverlust zu.DE 41 01 403 A1 describes a transverse excitation with a longitudinal one Known component in which the laser beam building up in the laser medium is reflected several times. Here the teaching is conveyed that with large Di angle of the pump light, the proportion of excess light increases, which contributes nothing to the construction of the laser light and thus the pump degree of efficiency decreases. On the other hand, with the number of changes in the optical axis of total resonator loss.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemä ßen von Laserdioden angeregten Festkörperlaser zu schaffen, bei dem die Aus nutzung der Pumpstrahlung zur Erzeugung von Laserstrahlung verbessert ist.The present invention has for its object a generic to create solid-state lasers excited by laser diodes, in which the off use of the pump radiation for generating laser radiation is improved.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 auf gezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert und in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:This object is achieved in the characterizing part of claim 1 measures shown solved. Further training is in the subclaims and configurations are given and are in the following description Embodiments of the invention explained and in the figures of the drawing shown. Show it:

Fig. 1 ein Schemabild in perspektivischer Darstellung eines ersten Ausfüh rungsbeispiels mit einem Laserkristall in Form eines Stabes mit qua dratischem Querschnitt, Fig. 1 is a schematic picture in perspective of a first exporting approximately example, with a laser crystal in the form of a rod having cross-sectional qua dratischem

Fig. 2 ein Schemabild in perspektivischer Darstellung eines Ausfüh rungsbeispiels mit extern positionierten Endspiegeln. Fig. 2 is a schematic image in a perspective view of an exemplary embodiment with externally positioned end mirrors.

Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Konfiguration wird ein Laserkristall 10 in der Form eines Stabes mit quadratischem Querschnitt verwendet. Bei diesem in optischer Qualität geschliffenen und polierten Laserkristall sind die vier Sei tenflächen 12 durch eine dielektrische Vielschichtbedampfung hochreflektie rend für die Wellenlänge des Festkörperlasers und hochtransmittierend für die Pumplichtwellenlänge der Laserdioden 16 beschichtet. Eine Stirnfläche 15 des stabförmigen Laserkristalls 10 ist hochreflektierend für die Wellenlänge des Laserlichts beschichtet und definiert um zwei Winkel um die Achsen x und y verkippt. Zusammen mit den Spiegeln 13 und 14 wird der Laserresonator ge bildet, wobei ein Spiegel als hochreflektierender Endspiegel, der andere als teilreflektierender Auskoppelspiegel dient.In the configuration illustrated in FIG. 1, a laser crystal 10 in the form of a rod with a square cross section is used. In this laser crystal ground and polished in optical quality, the four side surfaces 12 are coated by a dielectric multilayer vapor deposition for the wavelength of the solid-state laser and highly transmissive for the pump light wavelength of the laser diodes 16 . An end face 15 of the rod-shaped laser crystal 10 is coated in a highly reflective manner for the wavelength of the laser light and is tilted by two angles around the axes x and y. Together with the mirrors 13 and 14 , the laser resonator is formed, one mirror serving as a highly reflective end mirror, the other serving as a partially reflective decoupling mirror.

Der sich innerhalb des Resonators ausbildende Laserstrahl 11 wird auf seinem Weg durch den Laserkristall 10 an den hochreflektierend beschichteten Seiten flächen 12 des Laserkristalls (10) zurückgeworfen und verläuft auf diese Weise im Zickzack zunächst in einer Ebene durch den stabförmigen Laserkristall 10. An dessen einer Stirnfläche 15 wird der Laserstrahl 11 in der Weise umge lenkt, daß erneut ein Zickzack-Verlauf entsteht, der aber nun um 90° versetzt um die Symmetrieachse des Kristalls 10 verläuft, also senkrecht zur ersten Zickzackebene.The laser beam 11 that forms within the resonator is thrown back on its way through the laser crystal 10 on the highly reflective coated side surfaces 12 of the laser crystal ( 10 ) and thus runs in a zigzag manner initially in one plane through the rod-shaped laser crystal 10 . At one end face 15 of the laser beam 11 is deflected in such a way that a zigzag course is created again, but which is now offset by 90 ° around the axis of symmetry of the crystal 10 , that is perpendicular to the first zigzag plane.

Durch die gezeigte Konzeption wird erreicht, daß die Pumpstrahlung der La serdioden 16 über die als Option einsetzbare Koppeloptik 17 effizient an den Laserstrahl 11 angekoppelt und gleichzeitig von vier verschiedenen Richtungen gepumpt werden kann. Dabei können Laserdioden 16 hoher Leistung und gro ßer Streifenbreite der Emitter verwendet werden, da bei der gezeigten Anord nung genügend Platz zur Kühlung der Laserdioden 16 zur Verfügung steht. Durch das Pumpen des Laserkristalls 10 über einen schmalen Streifen an jeder seiner Flächen verbleibt eine ausreichend große Fläche, über die der Kristall gefaßt und auch gekühlt werden kann. Da hier die Auftreffpunkte des Laser strahls 11 an den Mantelflächen 12 des Laserkristalls 10 so nahe beieinander liegen, kann diese gleichzeitig an mehreren solcher Auftreffpunkte von einem Laserdiodenarray effizient gepumpt werden.The concept shown here ensures that the pump radiation of the laser diodes 16 can be efficiently coupled to the laser beam 11 via the coupling optics 17, which can be used as an option, and can be pumped simultaneously from four different directions. Laser diodes 16 of high power and a large stripe width of the emitters can be used, since in the arrangement shown there is enough space available for cooling the laser diodes 16 . By pumping the laser crystal 10 over a narrow strip on each of its surfaces, a sufficiently large area remains over which the crystal can be grasped and also cooled. Since the impingement points of the laser beam 11 on the lateral surfaces 12 of the laser crystal 10 are so close to one another, this can be efficiently pumped at the same time at several such impingement points by a laser diode array.

Werden die externen Spiegel 13, 14 weggelassen oder durch Spiegel anderer Reflexionsgrade ersetzt, so kann die gezeigte Konzeption als sehr effizienter Verstärker eingesetzt werden.If the external mirrors 13 , 14 are omitted or replaced by mirrors of other reflectances, the concept shown can be used as a very efficient amplifier.

Für den Zickzack-Verlauf im Laserkristall 10 wird der Winkel 18 vorzugswei se klein gewählt, um dadurch eine große Anzahl von Auftreffpunkten des Laserstrahls 11 auf den Seitenflächen 12 zu erreichen und dadurch eine effiziente Ankopplung an eine Laserdiodezeile bzw. eine hohe Verstärkung zu erhalten.For the zigzag course in the laser crystal 10 , the angle 18 is chosen to be small so as to thereby achieve a large number of impingement points of the laser beam 11 on the side surfaces 12 and thereby to obtain an efficient coupling to a laser diode line or a high gain.

Wird der Winkel 18 jedoch groß gewählt, so besteht die Möglichkeit, die Auf treffpunkte des Laserstrahls 11 so einzustellen, daß er jeweils den einzelnen Pumpdioden gegenüberliegt. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Laserdioden 16 aufgrund ihrer Baugröße es erfordern.However, if the angle 18 is chosen to be large, it is possible to adjust the points of impact of the laser beam 11 so that it is opposite the individual pump diodes. This is particularly advantageous if the laser diodes 16 require it because of their size.

Bei einer weiteren Konfiguration wird ein stabförmiger Laserkristall 10 mit einem gleichseitigem Sechseck-Querschnitt verwendet, dessen beide Endflä chen so angeordnet sind, daß der Laserstrahl 11 im Zickzack in drei Ebenen im Laserkristall 10 verläuft. Dadurch wird die Anzahl der Laserdioden 16, die am Umfang des Laserkristalls 10 angeordnet sind, von vier auf sechs oder mehr erhöht.In a further configuration, a rod-shaped laser crystal 10 is used with an equilateral hexagon cross-section, the two Endflä Chen are arranged so that the laser beam 11 extends in zigzag in three planes in the laser crystal 10 . As a result, the number of laser diodes 16 , which are arranged on the circumference of the laser crystal 10 , is increased from four to six or more.

Die Fig. 2 der Zeichnung veranschaulicht eine Konzeption, bei der das in Fig. 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel so modifiziert wird, daß alle Spie gel 13, 14, 19 und 20 extern angebracht sind. Diese Ausführungsform bringt den Vorteil, daß der Laserkristall einfacher und damit preisgünstiger hergestellt werden kann. Weiterhin sind dann die Reflexionswinkel im Laserkristall frei wählbar, und das Lasersystem kann leichter optimiert werden. Fig. 2 of the drawing illustrates a concept in which the embodiment illustrated in Fig. 1 is modified so that all mirrors 13 , 14 , 19 and 20 are externally attached. This embodiment has the advantage that the laser crystal can be manufactured more simply and therefore more cost-effectively. Furthermore, the reflection angles in the laser crystal can then be freely selected, and the laser system can be optimized more easily.

Claims

1. Solid-state laser pumped by laser diodes, the active material of which is formed as an elongated laser crystal having two end faces, the cross-section of which is coated with four or hexagonal lateral surfaces which are highly reflective for the laser wavelength and highly transmissive for the pump light wavelength of the optically exciting laser diodes, characterized in that
that the laser beam ( 11 ) building up inside the laser crystal ( 10 ) on its side faces ( 12 ) experiences a series of zigzag reflections in one plane and at a turning point the laser beam building up ( 11 ) zigzag in a second plane runs back reflectively, the second level and the first level differing by an angle.

2. Solid-state laser according to claim 1, characterized in that the turning point is defined by the second end face ( 15 ) which is tilted to the first end face around the two minor axes of the laser crystal ( 10 ).

3. Solid-state laser according to claim 1, characterized in that the two end faces ( 15 ) are parallel to one another and the point of reversal outside of the laser crystal ( 10 ) is defined by two mutually tilted mirrors ( 19 , 20 ).