DE60302451T2

DE60302451T2 - Pumpverfahren für laserresonator und lasersystem

Info

Publication number: DE60302451T2
Application number: DE60302451T
Authority: DE
Inventors: Stefano Dell'acqua; Giuliano Piccinno
Original assignee: Bright Solutions Soluzioni Laser Innovative Srl
Current assignee: Trumpf Laser Marking Systems AG
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: DE60302451D1; US7397832B2; ITTO20020173A0; ITTO20020173A1; WO2003073564A2; AU2003208494A8; ATE311024T1; AU2003208494A1; US20050152426A1; EP1500174A2; WO2003073564A3; EP1500174B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpverfahren für Festkörperlasersysteme mit diskreten Elementen, wobei die Festkörperlasersysteme mit Halbleiterlaserdioden gepumpt werden, die einen Pumpstrahl durch ein aktives Element strahlen, das eine erste Fläche, die zuerst von dem Pumpstrahl durchsetzt wird, und eine zweite Fläche aufweist, die als zweites von dem Pumpstrahl getroffen wird, wobei eine Pumpachse dem Pumpstrahl zugeordnet ist und wobei das aktive Element in einen Hohlraum eingesetzt ist, dem eine Hohlraumausbreitungsachse zugeordnet ist.
Durch ein nichtbegrenzendes Beispiel ist eine Vorrichtung, die entsprechend dem obigen Verfahren entwickelt worden ist, ebenfalls beschrieben. Solch eine Vorrichtung kann in einem Dauerstrich-Modus oder in einem gepulsten Modus durch geeignete Modulation des elektromagnetischen Feldes in dem Hohlraum betrieben werden.
Gemäß dem konventionellen Seitenpumpen-Schema von aktiven Kristallelementen in Festkörperlasersystemen breitet sich das Pumplicht aus und wird in dem aktiven Material entlang der Richtung, die quer zu der Ausbreitungsrichtung der Lasermode angeordnet ist, absorbiert. Das Erfordernis eines quergerichteten Weges des Pumplichtes in dem aktiven Element, der lang genug ist, um eine hohe Pumplichtabsorption, das heißt ein effizientes Pumpen, zu gewährleisten, beinhaltet in der Regel die energetische Aktivierung eines Abschnittes des aktiven Elements, der viel größer ist als der Querschnitt der Grund-Eigenmode des stabilen Hohlraums, in dem sie betrieben wird, und folglich einen Betrieb des Laseroszillators auf mehreren höheren Moden, die die Leistungsextraktion sättigen. Wenn das Absorptionseffizienzerfordernis des Pumplichts erreicht ist, gewährleisten die derart konzipierten Lasersysteme nicht die Kontrolle der Anzahl von angeregten Moden höherer Ordnung, und sie gewährleisten folglich nicht die Kontrolle der Strahlqualität.
Auf der anderen Seite ist die so genannte Longitudinalpump- oder Endpumptechnik bekannt, die eine Konzentration des Verstärkungsbereichs in dem aktiven Medium innerhalb des Volumens gewährleistet, das von der Grundmode eingenommen wird, um eine Oszillation auf der TEM_0,0-Mode zu bewirken, wobei die Ausbreitung derselben an der Beugungsgrenze auftritt.
Die Pumpenergie ist daher auf ein sehr beschränktes Volumen des aktiven Materials mit einer Länge, die fast gleich der Absorptionslänge des Pumpstrahls ist, und mit einem Querschnitt, der im Allgemeinen gleich der Größe des Brennflecks ist, konzentriert. Durch geeignete Konstruktionsvorgaben des Laserhohlraums, der Pumpoptiken und durch die geeignete Wahl des aktiven Materials ist es häufig für das durch die Pumpenergie aktivierte Volumen möglich, von dem Volumen der Hohlraumgrundmode TEM_0,0 umfasst zu sein und eine Oszillation des Laserhohlraums auf der Hohlraumgrundmode, oder TEM_0,0, mit einer maximal möglichen energetischen Extraktionseffizienz zu erzeugen.
Die auf diesem Gebiet reichlich vorhandene Literatur zeigt, dass für begrenzte Pumpleistungen (ungefähr < 2 W) das optimale aktive Volumen zum Auswählen der TEM_0,0 im aktiven Medium mit starken thermo-optischen oder thermomechanischen Effekten fast vollständig innerhalb der Grundmode selbst enthalten ist und dass das Verhältnis zwischen dem Lasermodendurchmesser und dem Pumpstrahldurchmesser größer als eins sein kann. Diese Durchmesser werden als die doppelte Distanz von der Ausbreitungsachse zu dem Punkt ermittelt, an dem die Strahlintensität das 1/e²-fache des Höchstwertes erreicht. Wenn es dagegen gewünscht sein sollte, die Pumpleistung zu erhöhen, wäre es notwendig, das Verhältnis zwischen Lasermodendurchmesser und dem Pumpstrahldurchmesser auf einen Wert kleiner eins zu reduzieren, um die starken Verluste zu begrenzen, die auf Grund der optischen Aberration an den Rändern der so genannten „thermischen Linse" auftreten, die auf Grund der Wärme auftritt, die durch die in dem aktiven Material absorbierte Pumpleistung erzeugt wird. Daher unterliegt nur der äußerste und energetisch am wenigsten signifikante Kreis der Hohlraumlasermode einer parabolischen Phasenmodulation und den Verlusten, die durch ein wiederholtes Durchlaufen des resonanten Hohlraums verursacht werden.
Der Wert des oben genannten Verhältnisses der Überlappung sollte jedoch zum Auswählen der Grundmode TEM_0,0 in der Nähe von eins liegen und eine Oszillation von Moden höherer Ordnung vermeiden. Für eine Pumpleistung zwischen 20 W und 50 W spezifizieren einige Quellen ein Verhältnis von ungefähr 0.83 als den optimalen Wert zum Auswählen der Grundmode. Basierend auf diesen Wert zeigen diese Quellen unterschiedliche Effizienzen (das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistungsänderung und der Pumpleistungsänderung, wenn der Laser oberhalb des Schwellwertes betrieben wird) von über 0.5 für einen Betrieb auf der Grundmode, wobei Nd:YVO₄ als das aktive Medium bei einer Laserwellenlänge von 1064 nm verwendet wird.
Bei einer äquivalenten erzeugten Laserleistung wird das longitudinale Pumpen das Effizienteste sein, um Festkörperlaserquellen mit einer hohen Strahlqualität, gemessen durch den Parameter M², zu erzeugen, das heißt, Festkörperlaserquellen, die in der Nähe der Beugungsgrenze betrieben werden, mit M² ungefähr gleich 1, und die daher mit einer hohen Helligkeit ausgestattet sind. Die Quellenhelligkeit (Strahlleistung pro Flächeneinheit pro Raumwinkeleinheit) ist proportional zu der Intensität (Leistung pro Flächeneinheit), die durch Fokussieren des Laserstrahls erreicht werden kann. Dies ist daher eine Grundeigenschaft in den Anwendungen, die eine Wechselwirkung mit Materialien beinhalten, wie beispielsweise die Laser-Mikrobearbeitung, -markierung und -gravur. Bei diesen Materialarbeitungsanwendungen gewährleistet eine hohe Quellenhelligkeit:

– auf Grund der hohen Bestrahlungsstärke, die erreicht werden kann, eine hohe Wechselwirkungsleistung mit verschiedenen Materialien,
– auf Grund der hohen Strahlqualität eine hohe räumliche Auflösung der Bearbeitungsdetails,
– auf Grund der verfügbaren hohen Leistung eine hohe Ausführungsgeschwindigkeit.

Das Verhältnis zwischen der verfügbaren Leistung und der minimalen Größe des Brennflecks wird durch die Helligkeit der Laserquelle angezeigt, die als die Leistung pro Raumwinkeleinheit und Oberflächeneinheit definiert ist. Im Allgemeinen wird daher ein Laser mit hoher Helligkeit effizienter sein als ein Laser mit niedriger Helligkeit, wenn er mit dem Material wechselwirkt.
Es werden daher Festkörperlaserquellen mit einer hohen Helligkeit benötigt, die so konstruiert sind, dass sie leicht umgestaltet werden können, um die Strahlqualität oder das Quellendurchschnittsleistungsmerkmal für die speziellen Anforderungen der Anwendung, für die sie verwendet werden, zu erreichen.
Es ist insbesondere wichtig, derartige Laserquellen zu erhalten, die Neodymdotierte kristalline aktive Materialien, wie beispielsweise Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:YAP, Nd:GdVO₄, Nd:BYF, Nd:SFAP, oder Ytterbium-dotierte kristalline aktive Materialien verwenden, wie beispielsweise Yb:YAG, Yb:YLF, Yb:SFAP.
Die Bereitstellung einer derartigen Quelle verursacht einige kritische Punkte, die einige Nachteile darstellen können und die Extraktion der Durchschnittsleistung begrenzen können, die in dem Bereich zwischen 2 und 100 W benötigt wird, oder die Strahlqualität beeinträchtigen können, die bei derartigen Betriebsleistungen benötigt wird.
Ein erster etwas wichtigerer Nachteil beruht auf den Pumpprozess und die Lasertätigkeit, die eine Restwärme in dem aktiven Material erzeugt. Insbesondere das oben beschriebene Phänomen der thermischen Linse verschlechtert die Laserleistungsextraktion, da der äußerste Abschnitt der Lasermode, die durch das aktive Medium verläuft, Phasenabberrationen erfährt, die eine Netto-Reduktion der Leistung verursachen, die in dem Hohlraum zirkuliert, sowie eine Verschlechterung der Laserstrahlqualität.
Außerdem kann sich der Betrieb einer Laservorrichtung mit einer intensiven thermischen Linse in einem Riesenpulsbetrieb, das heißt in einer repetitiven gütegeschalteten Anordnung (Q-switch), als schwierig erweisen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu überwinden und ein Pumpverfahren für Lasersysteme bereitzustellen, die ver bessert hergestellt sind und die im Vergleich zu bekannten Lösungen eine bessere Effizienz aufweisen.
In diesem Rahmen ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Pumpverfahren für Festkörperlaser bereitzustellen, das eine höhere Leistung und eine höhere Helligkeit aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pumpverfahren für Lasersysteme bereitzustellen, das in dem aktiven Kristall die Absorption gleichmäßiger verteilt, wobei günstigere lokale Bedingungen zum Ableiten von Restwärme verwendet werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pumpverfahren für Lasersysteme bereitzustellen, das eine merkliche Wärmereduktion in dem aktiven Material durch eine geeignete Auswahl des aktiven Materials, der Dotierungsparameter und der Pumpwellenlänge ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pumpverfahren für Lasersysteme bereitzustellen, das es ermöglicht, effizient gegen die Begrenzungen zu wirken, die durch die thermische Linse und thermische mechanische Spannungen bei zunehmender von dem Lasermaterial absorbierter Pumpleistung verursacht werden, indem die physikalische Struktur des aktiven Materials und das dazugehörige Wärmeentfernungssystem geeignet ausgewählt werden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pumpverfahren für Lasersysteme bereitzustellen, das ein effizientes Betreiben eines Lasers mit einem niedrigen modalen Inhalt auch unter Riesenpulsbedingungen ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pumpverfahren für Lasersysteme bereitzustellen, das geeignet ist, Laser-Mikrobearbeitungs- und markierungstechniken zu verbessern.
Um derartige Ziele zu erreichen, ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Pumpverfahren für Lasersysteme bereitzustellen, das die Merkmale der beige fügten Ansprüche aufweist, die einen integralen Bestandteil der Beschreibung bilden.
Ein Pumpverfahren und ein Lasersystem gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 bzw. 24 definiert. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden auf Grund der folgenden detaillierten Beschreibung und der angehängten Zeichnungen offensichtlich werden, die als nicht begrenzendes Beispiel beigefügt sind, wobei:
1 ein Grundschema des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens für Lasersysteme zeigt,
2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens für Lasersysteme zeigt,
3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Pumpverfahrens für Lasersysteme zeigt,
4 ein Grundschema der aktiven Bereiche zeigt, die durch das erfindungsgemäße Pumpverfahren für Lasersysteme verwendet werden,
5a die Pumplineardichte zeigt, die von einem Laserstrahl absorbiert und mittels eines bekannten Pumpverfahrens für Lasersysteme erhalten wird,
5b die Pumplineardichte zeigt, die von einem Laserkristall absorbiert und mittels eines erfindungsgemäßen Pumpverfahrens für Lasersysteme erhalten wird,
6 ein Grundschema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens für Lasersysteme zeigt,
7 ein Grundschema einer Laservorrichtung zeigt, in der das erfindungsgemäße Pumpverfahren für Lasersysteme implementiert ist,
8 ein Grundschema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens für Lasersysteme zeigt,
9 ein Grundschema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens für Lasersysteme zeigt,
10 ein Grundschema des Polarisators der Vorrichtung aus 7 zeigt und
11 ein Grundschema des Modulators der Vorrichtung aus 7 zeigt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein innovatives strukturiertes Pumpverfahren, das kollinear zu der Resonatorachse angeordnet ist und das speziell für den effizienten Betrieb eines Laserhohlraums in einer leichten Multimodebedingung mit M² des Ausgangsstrahles zwischen 1.3 und 6 entwickelt wurde. Dieses Pumpverfahren ist konzipiert, um eine Laservorrichtung zu entwickeln, die durch ihre Einfachheit und hohe Betriebsflexibilität gekennzeichnet ist. Zudem umfasst es merkliche Vorteile bezüglich der thermischen Ableitung und Betriebsstabilität beim Wechseln der Wellenlänge der Pumpquelle.
Das Pumpschema, das durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt wird, ist schematisch in 1 dargestellt. Es besteht aus drei separaten Untersystemen, das heißt einer Pumpquelle 14, einer optischen Kopplungsanordnung 15 und einem aktiven Medium 9, das innerhalb eines Laserhohlraums angeordnet ist.
Das Untersystem, das als die Pumpquelle 14 definiert ist, liefert einen einzelnen Lichtstrahl, das heißt den Pumpstrahl 10, der sich entlang der Pumpachse 17 ausbreitet. Die optische Kopplungsanordnung 15 und das aktive Medium 9 sind entlang der Pumpachse angeordnet und können Änderungen der Richtung verursachen. Unter der Einwirkung des Pumpstrahls 10 erzeugt das aktive Medium 9 eine Lasermode 13.
Die Pumpquelle 14 besteht aus Laserdioden oder Halbleiterlaserdiodenbarren, einem ähnlichen Satz von konvertierenden Optiken für das Laserlicht, das von den Dioden emittiert wird, und aus energiezuführenden und kühlenden elektrischen, elektronischen und thermischen Einrichtungen. Jede verwendete Laserdiode wird bei einer temperaturgesteuerten (oder nicht) Wellenlänge in dem Band zwischen ungefähr 790 nm und 990 nm betrieben. Das System verwendet bevorzugt Wellenlängen zwischen 795 nm und 822 nm und zwischen 865 nm und 895 nm zum Pumpen der Absorptionslinie von Neodym-dotierten aktiven Materialien, insbesondere von Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:YAP, ND:GdVO₄, und in dem Band zwischen 900 nm und 990 nm für Ytterbium-dotierte aktive Materialien. Die Pumpvorrichtung kann auch mehrere Pumpdioden oder Diodenbarren aufweisen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden.
Der Pumpstrahl 10 wird in den Laserhohlraum durch die optische Kopplungsanordnung 15 gelenkt, die den Polarisationszustand des Pumpstrahls 10 verändern kann, wobei der Pumpstrahl 10 in eine wohldefinierte Richtung oder elliptisch polarisiert wird, das heißt beiläufig polarisiert wird, oder die optische Kopplungsanordnung 15 ändert den Polarisationszustand des Pumpstrahls 10 nicht. Die Pumpachse 17, die als die Hauptausbreitungsachse des Pumpstrahls definiert ist, fällt innerhalb der Systemtoleranzen mit der optischen Achse des Laserhohlraums zusammen, die als die Hauptausbreitungsrichtung des hohlraumresonanten Laserstrahls definiert ist.
Wie in der Ausführungsform gemäß 1 dargestellt, tritt der Pump-Laserstrahl 10 durch einen Spiegel 18 in den Laserhohlraum ein, wobei der Spiegel 18 eine bei der Laserwellenlänge hochreflektierende dielektrische Beschichtung (typischerweise R > 99. %) auf der Fläche, die dem Inneren des Hohlraums zugewandt ist, und bevorzugt auf beiden Flächen eine bei der Pumpwellenlänge hochdurchlässige dielektrische Beschichtung aufweist.
2 zeigt eine detaillierte Darstellung des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens. Das aktive Medium 9, das heißt der Laserkristall, das die Form eines Zylinders oder eines Parallelepipeds aufweisen kann, ist in dem Laserhohlraum und entlang des Weges des Pumpstrahles 10 angeordnet, wobei der Pumpstrahl 10 auf den Endflächen konvergiert. Die bevorzugten Abmessungen des zylindri schen Kristalls, der das aktive Medium 9 bildet, weisen eine runde Basis mit einem Durchmesser von 3 bis 5 mm und eine Länge von 5 bis 60 mm auf. Die bevorzugten Abmessungen des Parallelepipedkristalls weisen eine quadratische Basis, wobei die Seitenlänge 3 bis 5 mm beträgt, und eine Länge von 5 bis 60 mm auf. Der Pumpstrahl 10 breitet sich in Längsrichtung in dem aktiven Medium aus und trifft auf dessen Flächen, das heißt auf eine erste Fläche 22 und eine zweite Fläche 23 des Kristalls, wobei sie bezogen auf die Einfallsreihenfolge des Pumpstrahls 10 betrachtet werden. Die Flächen 22 und 23 sind bevorzugt planar (aber nicht auf die Planarität beschränkt), und ihre optische Oberfläche ist fachmännisch bearbeitet. Sie können innerhalb einer spezifizierten Bearbeitungstoleranz parallel zueinander oder um einen Winkel größer als 0.1° zueinander geneigt sein.
Das aktive Medium 9 weist zudem Seitenflächen 24 auf, die nicht von der Hohlraumlaserstrahlausbreitung erfasst werden. Die Seitenflächen 24 können mit einer kontrollierten Rauheit bearbeitet sein oder mit einer optischen Qualität, die die innere Totalreflexion des Pumpstrahls 10 verbessern soll. Für diesen Effekt sollte der Durchmesser der kreisförmigen Basis oder der quadratischen Basis bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, Abmessungen so aufweisen, dass sie nicht mit der Ausbreitung des Pumpstrahls 10 interferieren. Der bevorzugte Wert dieser Abmessung ist gleich dem 4- bis 6-fachen eines Durchmessers 2w_0,p des Pumpbrennflecks in dem aktiven Medium 9, der in 2 mit 25 bezeichnet ist. Die Querabmessung des Kristalls oder des aktiven Mediums 9 kann jedoch in bestimmten Fällen kleiner sein als das 4-fache des Durchmessers 25 und näher an dem 1.5- bis 2-fachen liegen, oder kann jedenfalls einen Wert von der Art haben, dass sie an jedem Ausbreitungspunkt in dem aktiven Medium 9 mit dem Pumpstrahl 10 interferiert. In diesem Fall erfordert das erfindungsgemäße Pumpverfahren die Verwendung von optisch polierten Seitenflächen 24 des aktiven Mediums 9, um den Pumpstrahl 10 entlang des Absorptionsweges mittels des Phänomens der so genannten totalen internen Reflektion (T. I. R.) zu führen.
Gemäß dem Hauptmerkmal des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens, ist der Kristall, der das aktive Medium 9 bildet, so positioniert, dass die Pumpachse 17 mit der Hohlraumausbreitungsachse 26 in dem aktiven Medium zusammenfällt. Sollte die zweite Fläche 23 des aktiven Mediums 9 eine hohe Reflektivität für das Pumplicht des Strahls 10 aufweisen, wäre die Pumpachse 17 senkrecht zu der Letzteren, das heißt, der Pumpstrahl 10 wird auf die zweite Fläche 23 des aktiven Mediums 9 treffen, bevorzugt in der Mitte der Fläche 23 und senkrecht zu dieser. 2 zeigt zudem eine Position 28 und einen Eingangswinkel 29 bezogen auf die erste Fläche 22, die in dem Fall von planaren parallelen Flächen des Laserkristalls folglich auch mittig und senkrecht sind, die aber anders angeordnet sein können, wenn die Flächen nicht planar und/oder nicht parallel sind. Wie in 2 dargestellt, fällt die Pumpachse 17 auf jeden Fall mit der Hohlraumachse 26 in dem Laserkristall innerhalb der Anordnungstoleranzen zusammen, wobei das bekannte Konzept des oben beschriebenen longitudinalen Pumpens begünstigt wird. Anordnungstoleranzen in einer realen Einrichtung können beispielsweise mit einer maximalen Verschiebung von 0.5 mm in der radialen Richtung und einer maximalen Winkelfehlausrichtung von einem Grad quantifiziert werden.
Die erste Fläche 22 des aktiven Mediums 9 weist eine mehrschichtige dielektrische Beschichtung auf, die ihr eine Antireflexionseigenschaft (bevorzugt R < 0.5%) bei der Laserbetriebswellenlänge und bevorzugt eine Antireflexionseigenschaft bei der Pumpwellenlänge oder Wellenlängen des verwendeten spezifischen Materials verleiht. Die zweite Fläche 23 des aktiven Mediums 9 weist ebenfalls eine bei der Laserbetriebswellenlänge nichtreflektierende mehrschichtige dielektrische Beschichtung (bevorzugt R < 0.5%) auf und ist hochreflektierend bei den Pumpwellenlängen (auf jeden Fall R > 60%, aber bevorzugt > 90%, in dem erfindungsgemäßen Verfahren und den erfindungsgemäßen Vorrichtungen). Alternativ kann, wie in 3 dargestellt, die zweite Fläche 23 ähnlich wie die erste Fläche 22 dielektrisch behandelt sein, wobei aber in diesem Fall ein optisches Element 31 (Platte, dioptrische Oberfläche oder Linse, aber nicht begrenzt auf diese), das für die Laserwellenlänge nicht reflektierend ist (R < 0.5%), neben dieser angeordnet ist, wobei das optische Element 31 eine für den Pumpstrahl 10 hochreflektierende Fläche 32 aufweist (auf jeden Fall R > 60%, aber bevorzugt > 90%, in dem erfindungsgemäßen Pumpverfahren und den erfindungsgemäßen Vorrichtungen).
Die hochreflektierende dielektrische Beschichtung auf der zweiten Fläche 23 oder auf dem oben genannten optischen Element 31 hat den Zweck und die Funktion, den Pumpstrahl 10, der möglicherweise nicht durch das aktive Medium 9 absorbiert worden ist, teilweise oder vollständig abzufangen und in die Herkunftsrichtung der Ausbreitung, das heißt entlang der Pumpachse 17, zu reflektieren. Es wird eine Haupteinfallsrichtung D_i und eine Hauptreflektionsrichtung D_r für den Pumpstrahl 10 definiert, die in 2 und 3 gemeinsam mit 30 bezeichnet sind. Diese beiden Richtungen weisen einen Maximalwinkel auf, der durch die anguläre Ausrichtungstoleranz des aktiven Mediums 9 oder des optischen Elementes 18 bezüglich der Pumpachse 17 vorgegeben ist (bevorzugt < 1°). Basierend auf das Absorptionsgesetz der Pumpleistung in dem Laserkristall oder in dem aktiven Medium 9, P_out = P_inexp(–σ_pN₀L), wobei L die Länge des dotierten Bereichs in dem Kristall ist, N₀ die Volumendichte der Dotierungsatome in dem Kristall und σ_p der effektive Absorptionsquerschnitt des Pumpstrahles 10 bei der verwendeten Pumpwellenlänge ist, ist die Vorrichtung, in der das erfindungsgemäße Pumpverfahren implementiert ist (für Lasermaterialien mit isotropen Absorptionseigenschaften, wie beispielsweise Nd:YAG) durch drei Parameter so definiert, das heißt durch die Kristalllänge L, die Kristalldotierung und die Pumpwellenlänge, dass der Pumpstrahl 10, der auf die erste Fläche 22 trifft, während seines ersten Durchgangs durch den Kristall 9 teilweise absorbiert, dann von der zweiten Fläche 23 reflektiert, wobei die Richtung der Pumpachse 17 eingehalten wird, und dann, wenn er wieder zu der zweiten Fläche 22 zurückkehrt, vollständig oder nahezu vollständig absorbiert wird.
Sollten Lasermaterialien mit einer starken Anisotropie des Absorptionsabschnittes bezüglich der Polarisation des Einfallspumpstrahls 10 verwendet werden, muss zudem ein vierter Parameter berücksichtigt werden, nämlich der Polarisationsinhalt des Pumpstrahls 10 in den Hauptabsorptionsrichtungen, um den gleichen Absorptionseffekt verteilt über zwei Durchgänge durch den aktiven Kristall zu erhalten. Diese Berücksichtigung ist insbesondere bei uniaxialen Materialien, wie beispielsweise Nd:YVO₄, gepumpt entlang der kristallographischen a-Achse, anzuwenden, bei dem beispielsweise der Absorptionskoeffizient (definiert als σ_pN₀ in cm^–1) bei 808.8 nm bei einer Dotierung von 1%at. ungefähr gleich 40 cm^–1 für Licht ist, das entlang der kristallographischen c-Achse polarisiert ist, wohingegen der Absorptionskoeffizient ungefähr gleich 10 cm^–1 für Licht ist, das entlang der a-Achse polarisiert ist, oder wie beispielsweise Nd:GdVO₄, gepumpt entlang der a-Achse, bei dem der Absorptionskoeffizient bei 808.2 nm bei einer Dotierung von 1%at. ungefähr gleich 74 cm^–1 für Licht beträgt, das entlang der c- Achse polarisiert ist, und bei dem der Absorptionskoeffizient ungefähr 10 cm^–1 für Licht beträgt, das entlang der a-Achse polarisiert ist.
Auf jeden Fall werden die oben genannten Parameter so ausgewählt, dass die Restpumpleistung, die bei dem Austritt aus der ersten Fläche 22 verbleibt, 0.01 bis 10% oder bevorzugt 0.01% bis 2% beträgt, um beides zu vermeiden, eine Energievergeudung und eine exzessive Rückreflektion in Richtung des Pumpsystems.
In 4 ist das aktive Kristallmedium 9 in Fokusbereiche eingeteilt dargestellt.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Pumpverfahrens ist der Pumpstrahl 10 in dem Kristallvolumen 9 zwischen der ersten Fläche 22 und Zweidritteln der Länge des Kristalls 9 ausgehend von der ersten Fläche fokussiert, so dass eine stark divergierende Strahlung auf die zweite Fläche 23 trifft. Das oben genannte Volumen wird in der 4 mit „Bereich I" bezeichnet.
Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens wird der Pumpstrahl 10 in dem Kristall 9 zwischen Zweidritteln der Länge des Kristalls 9 ausgehend von der ersten Fläche 22 und der zweiten Fläche 23 fokussiert (Fokussierung im „Bereich II", 4), so dass fast kollimierte Strahlung auf die zweite Fläche 23 trifft.
Bei einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens wird der Pumpstrahl 10 innerhalb des Kristalls 9, nachdem er von der zweiten Fläche 23 oder der zusätzlichen externen Optik 18 reflektiert worden ist, in dem zweiten Durchgang so fokussiert, dass ein immer noch konvergierender Pumpstrahl auf die zweite Fläche 23 trifft. Dies entspricht einer virtuellen Fokussierung „im Bereich III" in 4, das heißt im Wesentlichen außerhalb des Kristalls 9.
Auf Grund des zweifachen Durchlaufens des Pumpstrahls 10 zeigt die lineare Dichte der Pumpleistung (entlang der longitudinalen Richtung), die in dem Kristall 9 absorbiert wird, definiert als dP_abs/dl, keine abfallende exponentielle Tendenz, wie sie beispielsweise bei dem konventionellen Pumpen auf allein einer Seite auftritt. Insbesondere verglichen mit dem konventionellen monodirektionalen Pumpen mit einer äquivalenten absorbierten Pumpleistung und einer äquivalenten Länge des Kristalls 9, weist das erfindungsgemäße Pumpverfahren eine geringere absorbierte lineare Pumpdichte bei dem Eingang (erste Fläche 22) des Kristalls 9 und eine größere in der Nähe der zweiten Fläche 23 auf. 5a zeigt die absorbierte Pumplineardichte für einen Laserkristall während eines monodirektionalen Pumpens, während die 5b diese Größe in einem Kristall zeigt, der gemäß dem erfindungsgemäßen Pumpverfahren gepumpt wird, wobei die Einfallspumpleistung und die insgesamt absorbierte Leistung äquivalent sind.
Wie bemerkt werden kann, werden beide, die Pumpenergie und die dazugehörige Restwärme, über die gesamte Länge des aktiven Kristalls gleichmäßiger verteilt. Viele Vorteile (verglichen mit dem konventionellen monodirektionalen Pumpverfahren), die sich aus diesen Merkmalen ergeben, begründen die vorliegende Innovation eines derartigen Systems.
Vor allem ist die thermische Belastung über eine größere Länge des thermisch leitenden aktiven Materials verteilt. Der thermische Gesamtwiderstand ist kleiner, und die thermische Ableitung ist begünstigt. Im Ergebnis ist auch die Verteilung der lokalen Temperatur durch einen Abfall ihres Höchstwertes begünstigt, und der integrale Wert der thermischen Fokallänge, der mit der Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur verbunden ist (dn/dt), nimmt zu.
Eine geringere thermische Belastung an der Eintrittsfläche des Kristalls führt zu einer geringeren Deformation und dementsprechend zu einer Reduktion der optischen Leistung der thermischen Linse, die mit solch einem Phänomen verbunden ist. Gleichzeitig wird die durch die Pumpleistung induzierte thermische Bruchgrenze für den Kristall an der Eintrittsfläche ansteigen, wodurch ein Anwachsen der Pumpleistung ermöglicht wird, die für den Kristall zur Verfügung gestellt werden kann. Schließlich ermöglicht der Reflektor des Pumpstrahls 10, sehr hohe Absorptionslängen bei Kristallen mit einer begrenzten Länge aufrechtzuerhalten, was zu einem offensichtlichen Kostenvorteil dieser kritischen Komponente führt. Der Pumpquerschnitt in dem aktiven Material bleibt gemäß dem allgemeinen Fachwissen entlang der Ausbreitungsrichtung nicht konstant, das heißt, die Ausbreitungslänge in dem Kristall, die für eine nahezu vollständige Absorption des Pumpstrahls benötigt wird, kann das zweifache des konfokalen Pa rameters oder des Rayleigh-Bereichs Z_r,p des Pumpstrahls übersteigen (definiert als πw_0p ²n_p/λ_pM², wobei w_0p die Pumpstrahltaille in dem Fokus, λ_p die Pumpwellenlänge, n_p der Brechungsindex des Laserkristalls bei der Pumpwellenlänge und M² der Parameter ist, der die Strahlqualität des Pumplichts definiert). Dieser konfokale Parameter wird in 2 mit 36 bezeichnet. Die Länge des aktiven Mediums 9 kann das 1.5- bis 10-fache des konfokalen Parameters 36 des Pumpstrahls 10 sein, wobei aber die Länge des aktiven Mediums 9 bevorzugt Werte im Bereich zwischen dem 1.5- und dem 2.5-fachen aufweist. In diesem Fall findet die Absorption entlang der gesamten Ausbreitungslänge zwischen dem 3- und 5-fachen des konfokalen Parameters 36 statt. Eine Kristalllänge, die gleich dem 2-fachen des konfokalen Pumpparameters 36 ist, erweist sich als besonders nützlich.
Da der Pumpstrahl auf einer beträchtlichen Länge des aktiven Mediums 9 absorbiert wird, weist das erfindungsgemäße Pumpverfahren einen signifikant stabilen Wert der gewonnenen Laserleistung auf, wenn die Pumplichtwellenlänge wechselt. Dieses Phänomen ist für Pumpmaterialien, wie beispielsweise Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄ und Nd:YAG, in dem Band um 808 nm das offensichtlichere Phänomen. Bei einem Nd:GdVO₄-Kristall, dessen Länge gleich dem 2-fachen des konfokalen Parameters 36 der Pumpstrahlung ist, wird die extrahierte Leistung innerhalb von 10% des Sollwertes mit einer Verschiebung von +/–1.5 nm von der zentralen Pumpwellenlänge von 808.2 nm aufrechterhalten. Ebenso kann die Laserstrahlqualität merklichen Änderungen ausgesetzt sein, wenn die Pumpwellenlänge in dem gleichen Intervall verändert wird. Auf jeden Fall wird der Durchschnittsdurchmesser des Pumpstrahls 10 innerhalb des Kristalls 9 so aufrechterhalten, dass er größer ist als der Durchmesser der Grundlasermode 13 TEM_0,0. In dem Brennpunkt ist der Pumpstrahldurchmesser 1.2- bis 2-mal größer als der Durchmesser der Grundlasermode 13 TEM_0,0, wohingegen jenseits des kollimierten Pumpbereichs (wobei geplant ist, dass der kollimierte Pumpbereich gleich dem 2-fachen des konfokalen Parameters ist) der Pumpstrahldurchmesser typischerweise 1.2- bis 10-mal größer wird. Diese Vorkehrung führt zu einer starken Reduktion des Aberrationsphänomens auf Grund der nicht parabolischen „Enden" des Brechungsindexradialprofils, das durch das Pumpen induziert wird. Gleichzeitig erzeugt sie einen Transfer eines Teils der Laserleistung zu höheren Moden mit einem niedrigen Index (TEM_n,m, n und m ≤ 3).
Insbesondere die integrale Radialverteilung der absorbierten Pumpleistung, definiert als P_int(r) = ∫_LP_ass(r)dl, wobei r die radiale Koordinate senkrecht zu der Pumpachse 27 ist, ist analysiert, und ein äquivalenter Durchmesser d_eq, der gleich dem 2-fachen des Strahlradius bei 1/e² der Verteilung P_int(r) ist, ist definiert worden. Daher wird unter der Annahme, dass die Lasermode kollimiert bleibt, wenn sie das aktive Medium durchläuft, und dass ihr Durchmesser D als gleich dem 2-fachen des Strahlradius bei 1/e² definiert werden kann, das Verhältnis der beiden definierten Größen, D/d_eq, gemäß dem erfindungsgemäßen Pumpverfahren unterhalb von 0.8 bleiben.
Es kann zudem gezeigt werden, dass, wenn die fokussierenden optischen Mittel des Pumpstrahls 10 einmal ausgewählt sind, der Wert eines derartigen Verhältnisses, und folglich ein Pumpenergietransfer von der Grundmode zu den höheren Moden, leicht und vorteilhaft verändert werden kann, indem die Position des Pumpstrahlfokus in dem Laserkristall 9 verschoben und/oder die Betriebswellenlänge der Pumplaserdioden verändert wird. Vorteilhafterweise kann das Pumpsystem leicht umgestaltet werden, um mit unterschiedlichen modalen Inhalten betrieben zu werden, ohne die Struktur des Laserresonators zu verändern, indem eine Pumpquelle, die eine radialsymmetrische Transversalverteilung bezüglich der Ausbreitungsrichtung aufweist, und ein Kristall mit einer Länge, die gleich dem 2-fachen des konfokalen Pumpparameters 36 ist, verwendet werden. Es können Laserstrahlqualitäten von M² = 1.3 bis M² = 2.2 gemessen werden, wenn die gezeigten Parameter verändert werden, wohingegen dieser Wert auf M² ≥ 5 erhöht werden kann, wenn längere Kristalle verwendet werden.
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Pumpverfahren, ist für Pumpleistungen in dem Bereich von 5 bis 60 W optimiert, wobei es aber für die Anpassung an höhere Pumpleistungen unter Verwendung von Laserkristallen, die an solch eine Anforderung geeignet angepasst sind, konzipiert ist.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Pumpverfahrens, das geeignet ist, die Probleme der thermischen Linse und der thermo-mechanischen Spannung auf der ersten Fläche 22 (und vielleicht auch auf der zweiten Fläche 23) zu verringern, wobei ein aktives Material 33 zwei Endkappen 34 und 35 aufweist, die aus einem optischen Material hergestellt sind, das mit dem Kristall durch ein geeignetes Klebemittel oder besser mittels der AFB-Technik (engl. adhesive free Bonding) verbunden ist. Die Endkappen 34 und 35 können das gleiche Kristallgitter aufweisen wie das aktive Material 33 oder unterschiedlich sein. Sie können mit dem gleichen aktiven Eisen oder einem anderen dotiert sein. Sie können zusammen mit dem aktiven Material eine kontinuierliche Form aufweisen oder nicht. Die Endkappen 34 und 35 führen einen Teil der Wärme ab, die auf der Fläche des aktiven Materials 33 entsteht. Sie begrenzen die Materialdeformation, die durch die thermo-mechanische Spannung verursacht wird, stark. Ein Hohlraumspiegel 36 kann auf einer der Flächen des ersten Endelements 34 angeordnet sein, oder eine separate Komponente bilden. Der Laserkristall 9, der in der obigen Beschreibung erwähnt worden ist, ist daher durch einen zusammengesetzten Kristall ersetzt, der das aktive Medium 33 bildet, wobei alle Betrachtungen, die sich auf das Pumpverfahren beziehen, ohne substantielle Veränderungen auf die Konfiguration gemäß 6 bezogen werden können. Wenn die Zirkulationsleistung in dem Hohlraum einen Durchschnitt von 50 W übersteigt, ist die Reflektivität des Hohlraumspiegels 36 bei der Laserwellenlänge häufig nicht hoch genug und ein Teil der Strahlung in dem Hohlraum wird durch den Letzteren verloren. Die Pumpoptiken können diesen Laserverlust auf die Pumpdioden fokussieren, wobei ein entsprechendes Beschädigungsrisiko auftritt. In diesem Fall muss eine weitere für die Pumpstrahlung nichtreflektierende dielektrische Oberfläche 38 zwischen dem Laserspiegel und den Pumpdioden eingesetzt werden, die hochreflektierend für das Laserlicht ist. Gemäß einer Ausführungsform kann eine Fläche der optischen Kopplungsanordnung 15 derart dielektrisch behandelt werden. In einer anderen in 6 dargestellten Ausführungsform kann eine geeignete Platte 37, die um einen kleinen Winkel bezüglich der Hohlraumreflektionsoberfläche gekippt ist, in den Pumpweg außerhalb des Hohlraums gesetzt werden. In einer anderen Ausführungsform wird das Licht der Pumpdioden in eine Faseroptik eingekoppelt, die effektiv gegen Rückreflektionen des Hohlraumlaserlichts schützt.
7 zeigt ein Lasersystem, das geeignet ist, gemäß dem erfindungsgemäßen Pumpverfahren betrieben zu werden.
Die Pumpquelle besteht aus einem Laserdiodensystem, das nicht in der Figur gezeigt ist und das mittels einer Faseroptik 55 gekoppelt ist. Gemäß der verwen deten Diodeneinrichtung 55, stehen 30 oder mehr Watt der optischen Leistung an dem Faserausgang zur Verfügung. Die Faser 55 ist durch ein Verbindungselement 56 in ein bewegbares Pumpobjektiv 57 eingesetzt, das innen eine Linse 58 zur Kollimation und eine Linse 59 zum Fokussieren der Pumpstrahlung 60 aufweist. Das bewegbare Pumpobjektiv 57 konvertiert die divergierende Strahlung der Faseroptik 55 in eine Strahlung, die auf einen Punkt fokussiert ist, der einen genauen Abstand bezüglich der Endoberfläche des Objektivs 57 aufweist. Das gesamte Objektiv 57 ist entlang der longitudinalen Achse des Laserhohlraums, der unten beschrieben wird, durch ein Führungssystem 61 bewegbar, wobei die Pumpachse parallel zu der Hohlraumachse gehalten wird (typischerweise innerhalb 0,5°). Die Schiebebewegung des bewegbaren Objektives 57 kann genau justiert und durch ein Feststellsystem gestoppt werden. Ein Kupferblock 62, der auf den Rändern gerippt ist und einen Laserkristall 63 enthält, ist unmittelbar stromabwärts von dem bewegbaren Pumpobjektiv 57 angeordnet. Der Kupferblock 62 ist mit einer dünnen Goldschicht beschichtet. Die Fläche des Kupferblockes, die dem Objektiv 57 zugewandt ist, ist vollkommen senkrecht zu der Hohlraumachse und weist einen Spiegel 64 auf, der hochtransmittierend für das Pumplicht ist, der auf dieser Fläche befestigt ist und der hochreflektierend für das Hohlraumlaserlicht ist. Der Abstand zwischen der zweiten Kristallfläche zu der ersten Spiegelfläche 64 ist kleiner als der Abstand des Fokuspunktes zu der Fläche des Objektives 57, so dass die Bewegung des Pumpobjektives 57 eine freie Verschiebung des Fokuspunktes des Pumpstrahles 10 in dem Laserkristall 63 gewährleistet.
Der Laserkristall 63 ist im Inneren des Laserhohlraums angeordnet, der durch die Achse 26 gekennzeichnet ist und in dem speziellen Fall zwischen dem Spiegel 64 und einem teilreflektierenden Spiegel 65, der den Ausgangsstrahl entweichen lässt, abgegrenzt ist. In der Vorrichtung, die als ein nicht begrenzendes Beispiel beschrieben wird, ist der Laserkristall 63 Nd:GdVO₄, der in der Form eines Parallelepipeds mit einer quadratischen Basis und planaren/parallelen Flächen senkrecht zu der kristallographischen a-Achse geschnitten ist. Diese quadratische Basis weist eine Seite auf, die so gewählt worden ist, dass sie gleich dem ungefähr 5-fachen des Durchmessers des Pumpbrennpunkts ist, um jede Interferenz zwischen den Seitenwänden des Kristalls und dem Pumplicht zu vermeiden. Die longitudinale Achse des Kristalls ist innerhalb der Anordnungstoleranzgrenze, die mit 0.5° quantifiziert werden kann, parallel zu der optischen Achse des Hohlraums orientiert. Die erste Fläche 66 des Kristalls 63 ist eine für das Laserlicht und das Pumplicht antireflektierende Fläche. Die zweite Fläche 67 des Kristalls ist eine antireflektierende Fläche für das Laserlicht, wohingegen sie mehr als 93 des einfallenden Pumplichts reflektiert. Die Länge des Kristalls 63 ist ungefähr gleich dem 2-fachen des konfokalen Parameters der Pumpstrahlung stromabwärts von dem fokussierenden System, so dass die gesamte Absorption des Pumplichts über eine Länge durchgeführt wird, die gleich dem ungefähr 4-fachen des konfokalen Parameters ist. Der Parameter d_eq, der oben definiert worden ist, und dementsprechend die Anzahl von transversalen Moden, die in dem Hohlraum oszillieren, können verändert werden, indem das bewegbare Objekt 57 bezüglich des Kristalls 63 bewegt wird und die Diodenwellenlänge durch die entsprechende Temperatursteuerung verändert wird.
Der Kristall 63 ist in seiner Halterung, die aus zwei Hälften besteht, durch eine thermo-mechanische adaptierende Zwischenfläche 68 befestigt, die ungefähr 0.1 mm dick ist und aus einer auf Indium basierenden Legierung hergestellt ist. Der enge Kontakt zwischen dem Kristall und der Legierung und zwischen der Legierung und dem Kupfer ist durch ein Kompressionsanordnungsverfahren bei einer kontrollierten Temperatur gewährleistet. In der Kupferanordnung leitet der Kristall 63 die Wärme durch die Zwischenschichtlegierung ab. Durch Wärmeleitung erreicht die Wärme die Umfangsrippen der Anordnung und wird an die Umgebung durch Konvektion (natürlich oder erzwungen) und durch Strahlung abgegeben. Ein Teil der Wärme wird durch Wärmeleitung zu einem Lasergehäuse 69 überführt und ebenfalls an die Umgebung abgegeben. Zwei Dichtungen 70 und 71 werden zum Dichten der Verbindung zwischen dem Kupferblock 62 und dem übrigen Gehäuse 69 verwendet.
Die Anordnung, die als Ganzes mit 39 bezeichnet ist, kann mehrere Ausführungsformen aufweisen. So kann beispielsweise der Kristall 63 durch ein thermoelektrisches Element, das geeignet mit der Metallanordnung 39 des Kristalls verbunden ist, aktiv temperaturgesteuert werden, wobei der Kristall bezüglich des verbleibenden Lasersystems thermisch isoliert ist, während das thermoelektrische Element die Wärme auf das Lasersystemgehäuse 69 ableitet. In einer anderen Ausführungsform kann der Kristall 63 durch eine Flüssigkühlungsströmung in einem oder mehreren Kanälen, die in der Kristallbefestigungsanordnung enthalten sind, aktiv gekühlt werden. Im Allgemeinen ist es wichtig, dass das Wärmeableitungsverfahren in dem Kristall 63 vorhanden ist, wobei die Wärme durch alle Kristallseitenflächen zu der metallischen Anordnung überführt wird, die aus Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Insbesondere wenn diese Anordnung aus Kupfer hergestellt ist, sollte sie mit einer oder mehreren dünnen Schichten, die auf Gold, Nickel, Palladium basieren, oder einem anderen Material beschichtet werden, das eine Oxidation verhindert und eine Wärmeableitung durch Strahlung, Konvektionsaustausch oder Fremdbelüftung mit Umgebungsluft und eine Wärmeleitung zu dem übrigen Lasergehäuse gewährleistet.
Ein Polarisator 72 ist unmittelbar stromabwärts von dem Laserkristall 63 aus 7 angeordnet. Unmittelbar stromabwärts von dem Polarisator 72 ist ein elektrooptischer Modulator 74 bezüglich der Polarisationsrichtung 77 geeignet angeordnet. Ein Modenauswahlelement 78 kann in dem Endlängsabschnitt des Hohlraums angeordnet sein. Wenn eine Pumpleistung von ungefähr 46 W verwendet wird, erzeugt die Vorrichtung ungefähr 20 W Laserleistung bei einer Wellenlänge von 1062.9 nm im Dauerstrichbetrieb, wobei der Parameter M² von 1.3 bis 2 reicht und die Steigungseffizienz (engl. slope efficiency) 0.5 beträgt.
Das erfindungsgemäße Pumpverfahren kann, neben den genannten aktiven Materialien, an jedes aktive Material angepasst werden. Das erfindungsgemäße Pumpverfahren ist aber insbesondere für die Anwendung auf Kristalle konzipiert, die, wie die folgenden Kristalle, günstige spektroskopische und thermomechanische Eigenschaften aufweisen:

– Nd:YAG, mit einer atomaren Dotierungskonzentration von 0.1%at. bis .1%at. für ein Pumpen bei Wellenlängen zwischen 803 und 820 nm, oder mit einer Konzentration im Bereich von 0.2%at. bis 1.2%at. für ein Pumpen mit polarisiertem oder nicht polarisiertem Licht bei Wellenlängen zwischen 880 und 900 nm,
– Nd:YVO₄, mit einer atomaren Dotierungskonzentration im Bereich von 0.04%at. bis 0.8%at. für ein Pumpen mit polarisiertem oder nicht polarisiertem Licht bei Wellenlängen zwischen 795 und 825 nm (insbesondere bei Wel lenlängen um 806 nm, 809 nm, 813 nm und 816 nm) oder bei einer Konzentration im Bereich von 0.1%at. bis 2.0%at. für ein Pumpen mit polarisiertem oder nicht polarisiertem Licht bei Wellenlängen zwischen 875 und 895 nm (insbesondere bei einer Wellenlänge um 879 nm),
– insbesondere Nd:GdVO₄ mit einer atomaren Dotierungskonzentration im Bereich von 0.02%at. bis 0.8%at. für ein Pumpen mit polarisiertem oder nicht polarisiertem Licht bei Wellenlängen zwischen 795 und 825 nm (insbesondere bei Wellenlängen um 806 nm, 808 nm, 813 nm und 815 nm) oder mit einer Konzentration im Bereich von 0.1%at. bis 2.0%at. für ein Pumpen mit polarisiertem oder nicht polarisiertem Licht bei Wellenlängen zwischen 875 und 895 nm (insbesondere bei einer Wellenlänge um 879 nm); der Letztere sollte als ein bevorzugtes aktives Material für das erfindungsgemäße Pumpverfahren betrachtet werden, da seine Laserabsorptions- und -emissionsmerkmale ausgezeichnet und denen von Nd:YVO₄ sehr ähnlich sind, während seine thermische Leitfähigkeit, ungefähr 12 W/mK entlang der Richtung <110>, im Vergleich zu Nd:YVO₄ praktisch doppelt so groß ist (ungefähr 5 W/mK entlang der Richtung <001> und ungefähr 5 W/mK entlang der Richtung <100> und im Durchschnitt mit Nd:YAG vergleichbar ist (ungefähr 11 W/mK). Die höhere thermische Leitfähigkeit verursacht eine leichtere Wärmeableitung von dem Material und vermindert insgesamt alle schlechten Effekte thermischer und thermo-mechanischer Natur.

Insbesondere wird, im Zusammenhang mit den Anwendungsbereichen des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens, für alle genannten Materialien ein Pumpen bei einer Wellenlänge vorgeschlagen, die größer ist als 850 nm und die darüber hinaus in der Nähe von 880 nm liegt (885 nm für Nd:YAG und ungefähr 879 nm für Nd:YVO₄ und Nd:GdVO₄). Diese Pumpwellenlängen werden, auf Grund eines niedrigeren Quantendefekts bei dem Laserübergang, bevorzugt mit den konventionellen Pumpwellenlängen (die um 808 nm konzentriert sind) verglichen. Beispielsweise wird, Bezug nehmend auf die Hauptlaserwellenlänge von ungefähr 1064 nm, ein Bruchteil (1 – 808/1064) = 0.24 der Energie, die mit dem Pumpphoton bei einer Wellenlänge von 808 nm verbunden ist, als Wärme abgegeben, während nur ein Bruchteil (1 – 880/1064) = 0.17 der Energie, die mit dem Pumpphoton bei 880 nm verbunden ist, der gleichen Bedingung unterliegt. Daher wird bei einer gleichen Emission von Laserphotonen (und der entsprechenden extrahierten Durchschnittsleistung) ungefähr 30% weniger Wärme, die durch den Quanteneffekt verursacht wird, in dem Laserkristall abgegeben.
8 und 9 zeigen zwei mögliche Ausführungsformen des Pumpverfahrens in Bezug auf die Art, in der der Pumpstrahl in dem aktiven Medium konvergieren sollte.
In der in 8 gezeigten Darstellung tritt der Pumpstrahl 10 in den Hohlraum durch eine dielektrische Beschichtung 19 ein, die für das Laserlicht hochreflektierend und bevorzugt für das Pumplicht nichtreflektierend ist und die unmittelbar auf der Endfläche des Laserkristalls, das heißt des aktiven Mediums 9, angeordnet ist.
Bei der in 9 dargestellten Ausführungsform tritt der Pumpstrahl 10 in den Hohlraum durch einen gekippten Spiegel 20 ein, der in dem Hohlraum mit einem Winkel zwischen 20° und 70° bezüglich der Achse des Hohlraums selbst angeordnet ist. Durch eine geeignete dielektrische Beschichtung werden seine zwei Flächen für das Laserlicht nichtreflektierend (bevorzugt R < 0.5%), aber hochreflektierend für den Pumpstrahl 10, bei dem relevanten Einfallswinkel und auf der Fläche, die dem aktiven Medium 9 und der Pumpquelle 14 zugewandt ist.
Wie oben bereits bemerkt, verwendet das erfindungsgemäße Pumpverfahren eine Auswahl von Pumpparametern, die zu einem Laserhohlraumbetrieb in einem leicht multi-modalen Zustand führen, das heißt der Wert des Parameters M² für den Ausgangsstrahl liegt bevorzugt zwischen 1.3 und 6.
Der aktuelle Materialverarbeitungsmarkt benötigt die Entwicklung von Quellen mit einer stets wachsenden Helligkeit. Auf dem Gebiet der Lasermarkierung und der Lasergravur erfordert diese Bearbeitung nicht notwendigerweise, dass die Strahlqualität bei der Beugungsgrenze (TEM_0,0) aufrechterhalten wird. Tatsächlich erfordert diese Anwendung typischerweise die Fähigkeit, den Laserstrahl auf eine kleinere Punktgröße zu fokussieren (wie beispielsweise auf einen Durchmesser, der kleiner ist als 0.2 mm), auch wenn er sich nicht an der Beugungsgrenze grenze befindet. Wegen der auf diesem Gebiet verwendeten Standardfokusobjektive kann dies nur erreicht werden, wenn die Laserquelle eine kontrollierbare optische Qualität mit einem M²-Wert aufweist, der niedriger ist als eine festgesetzte Grenze (beispielsweise M² < 10). Wie bereits oben beschrieben, umfasst das konventionelle Pumpschema für Festkörperlasersysteme für Markierungs- und Gravuranwendungen eine energetische Aktivierung eines Abschnitts des aktiven Mediums, der im Allgemeinen größer ist als der Querschnitt der Grundeigenmode des stabilen Hohlraums, in dem sie betrieben wird, und dementsprechend einen Betrieb des Laseroszillators auf mehreren Moden höherer Ordnung, die die Leistungsextraktion sättigen. Die so konzipierten Lasermarkierungs- und -gravursysteme sind zum Erzeugen von hohen Leistungen (wie beispielsweise von wenigen Watt bis mehreren 10 Watt) geeignet. Aber sobald die Absorptionseffizienzanforderung des Pumplichts erreicht ist, ermöglichen sie eine Kontrolle der Anzahl angeregter höherer Moden und dementsprechend der Laserstrahlqualität nicht. Um die Quellenstrahlqualität in diesen multi-modalen Lasersystemen für Markierungs- und Gravuranwendungen an die spezifischen Anforderungen anzupassen, wird eine Verbesserung der Quellenstrahlqualität normalerweise erreicht, indem entweder die Querschnittsabmessung des aktiven Materials reduziert wird (eine Absorption der gesamten Pumpenergie findet nicht mehr statt) oder indem die Moden höherer Ordnung, die in dem Hohlraum oszillieren, unterdrückt werden (Raumfiltern). In beiden Fällen kann ein Qualitätsanstieg auf Kosten der Pumpeffizienz erreicht werden. Daher wird ein Markierungssystem, das auf einen multi-modalen Festkörperlaser mit seitlichem Pumpen und einer Strahlqualität basiert, die für eine Markierungs- und Gravuranwendung ausgezeichnet geeignet ist, eine begrenzte Pumpeffizienz und dementsprechend hohe Kosten, einen hohen Verbrauch und große Gesamtabmessungen aufweisen. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, die oben genannten Limitierungen der vorhandenen Lasermarkierungssysteme zu überwinden, da die Verwendung eines longitudinalen Pumpschemas zum einen gewährleistet, dass eine hohe Absorption des Pumplichts aufrechterhalten wird, und auf der anderen Seite, dass die optische Qualität des Laserstrahls, der durch die Anregung eines sehr reduzierten Querschnitts des aktiven Materials erzeugt wird (wobei eine begrenzte und kontrollierte Anzahl von Moden höherer Ordnung erhalten wird), kontrolliert wird. Insbesondere die Wahl, die Laserquelle longitudinal-gepumpt in einem leicht multi-modalen Zustand zu betreiben (M² > 1.3 und beispielsweise M² stand zu betreiben (M² > 1.3 und beispielsweise M² < 10), ermöglicht es, hohe Ausgangsleistungen (und dementsprechend hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten) effizient bei niedrige Kosten zu erreichen, wobei zur gleichen Zeit das für die Anwendung benötigte Raumauflösungsniveau aufrechterhalten wird.
Die Laser-Steigungseffizienz, die durch dieses Verfahren bei der Verwendung von Nd:YVO₄ oder Nd:GdVO₄ als aktive Materialien erreicht werden kann, ist größer als 0.5, wenn der Parameter M² in dem Bereich zwischen 1.3 und 2 liegt, und größer als 0.55, wenn der Parameter M² in dem Bereich zwischen 2 und 6 liegt. Bei der Verwendung von Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:BYF oder Nd:YLF als aktive Materialien ist sie größer als 0.35, wenn der Parameter M² zwischen 1.3 und 2 liegt und größer als 0.4, wenn der Parameter M² zwischen 2 und 6 liegt. Des Weiteren werden gemäß dem vorliegenden Verfahren durch die Auswahl eines aktiven Materials mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und einem hohen Emissionsquerschnitt bei der Laserwellenlänge die oben genannten Effizienzen auch in diesen Systemen mit einer sehr hohen Ausgangsleistung (beispielsweise mit einer Ausgangsleistung größer als 50 W) aufrechterhalten. Daher ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren das bevorzugte Material Nd:GdVO₄.
Der Laserhohlraum kann mit einem Wert des Parameters M² betrieben werden, der kleiner ist als 1.3, wobei eine Blende, wie die Blende, die durch das Modenauswahlelement 78 in 7 dargestellt ist, mit dem Zweck eingesetzt wird, Verluste der Moden höherer Ordnung für TEM_0,0 einzuführen. Dies kann physikalisch erreicht werden, indem eine Blende mit einem kalibrierten Durchmesser auf dem Laserstrahlweg in dem Hohlraum (pinhole) oder ein optisches Element, das in Transmission lokal selektiv ist, verwendet wird, beispielsweise wie, aber nicht begrenzt auf diesen, ein sättigbarer Absorber, der die Bereiche höherer Intensität des Laserstrahls transmittieren lässt, wobei dies dazu tendiert, ausgehend von modalen Verteilungen mit niedrigen Indizes normalerweise TEM_0,0 auszuwählen. Bevorzugte sättigbare Absorber sind Cr⁴⁺:YAG, andere Festkörperkristallmaterialien oder Glasmaterialien.
Es ist auch bekannt, dass ein Hochleistungslaserhohlraum, der nicht genau in einem Einzel-Transversalmodenzustand betrieben wird und eine intensive thermische Linse aufweist, größere Schwierigkeiten aufweist, bei einer Riesenpuls anordnung, auch bekannt als repetitive Güteschaltung (Q-switch), korrekt betrieben zu werden. In diesem Zustand wird die Energie, die für den Dauerstrichlaserbetrieb zur Verfügung gestellt wird, in diskrete Pulse mit einer Zeitdauer in der Größenordnung von Nanosekunden geteilt, wobei diese Pulse Höchstleistungen von wenigen kW bis zu MW erreichen und für die Erzeugung von starken Wechselwirkungen mit dem Material ideal sind.
Dieser Zustand wird im Allgemeinen erreicht, indem ein akusto-optischer oder elektro-optischer Modulator in den Resonator gesetzt wird. Im Stand der Technik weisen elektro-optische Modulatoren, die sehr effizient für die Güteschaltung von multi-modalen Lasern sind, starke praktische Begrenzungen auf. Zuerst sei erwähnt, dass sie ein Polarisationselement in dem Hohlraum benötigen (eine Platte oder ein Polarisationsprisma). Das Letztere führt zu merklichen Leistungsverlusten auf Grund der thermischen Depolarisation bei dem konventionellen aktiven Material Nd:YAG (das nicht polarisiertes Laserlicht emittiert). Des Weiteren werden die konventionellen elektro-optischen Güteschaltungen durch ein Schalten von sehr hohen Spannungen betrieben (in der Größenordnung von einigen kV), die an einen oder mehreren elektro-optischen Kristallen angelegt werden: häufig führen beide, die Komplexibilität und die Fragilität des elektronischen Systems, das zum Betreiben der Einrichtungen benötigt wird, dazu, dass von ihrer Verwendung abgeraten wird, insbesondere im Fall von Pulsrepetitionsfrequenzen von mehreren kHz (bei diesen Frequenzen können die Schaltungsverluste von der Art sein, dass sie das elektronische Betriebssystem, häufig nicht wieder herstellbar, überlasten). Konventionellerweise ist die attraktivste Alternative der akusto-optische Modulator, dessen Maximaleffizienz auf jeden Fall innerhalb einer genau begrenzten angulären Akzeptanz des zu modulierenden Laserstrahls gewährleistet ist.
Wenn Laserhohlräume in einem multi-modalen Zustand mit einer starken thermischen Linse in dem aktiven Material und mit einer hohen Laserverstärkung betrieben werden, breitet sich das Gemisch aus Lasermoden in dem Resonator mit einem Divergenzparameter aus, der häufig jenseits der angulären Akzeptanz der Güteschaltungseinrichtung liegt, wobei die Letztere sehr ineffizient wird. Des Weiteren dauert die optische Schaltungsfront (engl. optical switching front) einer akusto-optischen Güteschaltung minimal 150 bis 200 ns für jeden mm des La serstrahldurchmessers. Wenn der Laser mit hohen Laserverstärkungen in dem aktiven Material betrieben wird (dies tritt beispielsweise bei stark gepumpten Nd:GdVO₄ oder Nd:GdVO₄ auf), wächst der Riesenpuls in dem Hohlraum, während die Güteschaltung noch nicht vollständig offen ist, wobei folglich Verluste durch Diffraktion auftreten. Dagegen sind die elektro-optischen Systeme diesen Begrenzungen nicht ausgesetzt, da sie viel kürzere Schaltungszeiten aufweisen.
Da das oben beschriebene Verfahren, das auf eine gute Anzahl von aufgeführten Materialien angewendet wurde, insbesondere auf Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, einen Betrieb des Laserhohlraums in einem Nicht-Einzel-Moden-Zustand und mit einer intensiven thermischen Linse umfasst, ist es sachgemäß, einige Verfahren zum Erreichen eines effizienten Betriebes solcher Hohlräume in einem gütegeschalteten Zustand darzustellen (7 legt eine Implementation mit dem Polarisator 72 und der elektro-optischen Güteschaltung 74 nahe).
Der Betrieb des Resonators in einem passiven gütegeschalteten Zustand kann erzeugt werden, indem ein geeigneter sättigbarer Absorber verwendet wird (wie beispielsweise, aber nicht begrenzt auf, Cr:YAG, Vd:YAG). Die Energie, die Pulsrepetitionsrate und die Pulsdauer hängen von der Pumpleistung ab, die in dem aktiven Medium verwendet wird, und nicht von einer externen Steuerung. Dieses Güteschaltungsverfahren ist sehr effizient und verlässlich. Das Vorhandensein eines sättigbaren Absorber in dem Hohlraum führt auch zu einem Filterungseffekt der Hohlraumtransversalmoden höherer Ordnung, wodurch die Strahlqualität der Ausgangsmode verbessert wird. Dagegen ist die strikteste Begrenzung dieses Verfahrens seine Unfähigkeit, elektronisch beide zu verändern, die Repetitionsfrequenz und die Pulsenergie.
Diese Begrenzung kann überwunden werden, indem eine aktive Güteschaltung verwendet wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann eine akusto-optische Einrichtung verwendet werden, deren Werte und Begrenzungen bereits geschrieben worden sind.
10 und 11 zeigen im Detail den Polarisator 72 und die elektro-optische Güteschaltung 74 aus 7, die die Verwendung von elektro-optischen Einrichtungen beinhalten, die auf die Verwendung von nichtlinearen Kristallen basieren, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, wie beispielsweise RTA, RTP, LiNbO₃ (aber nicht begrenzt auf diese). Die elektro-optische Einrichtung ist insbesondere für ihre Verwendung in Kombination mit Polarisierte-Emission-Lasermaterialien konzipiert, insbesondere für ihre Verwendung in Kombination mit Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:YLF, Nd:YAP, Nd:SFAP, aber nicht begrenzt auf diese oder auf ihr Merkmal der polarisierten Emission. Die Verwendung eines Materials mit stark polarisierter Emission, wie beispielsweise Nd:YVO₄ oder Nd:GdVO₄, begrenzt die Einführungsverluste eines Hohlraumpolarisationssystems auf die intrinsischen Verluste, die nicht von der Polarisation abhängen (wie beispielsweise Fresnelverluste oder Absorptionsverluste). Das Polarisationselement, das auf eine Art angeordnet ist, die eine maximale Transmission bei der wahrscheinlichen Richtung einer polarisierten Emission des Lasermaterials gewährleistet, kann erhalten werden, indem ein oder mehrere dielektrische beschichtete Polarisationsplatten oder ein Polarisationsprimsa verwendet werden (Glan-Thompson, „Polarisationsstrahlteilerwürfel" oder eine andere äquivalente Arbeitseinrichtung). 10 zeigt eine Ausführungsform mit einem Doppelstapel aus polarisierenden Platten 48, die aus einem optischen Glas oder einem kristallinen Material hergestellt sind (beispielsweise Quarz, Saphir oder YAG) und die parallel und mit Luftzwischenraum 50 gestapelt sind. Der eine Stapel ist mit dem geeigneten Brewster-Winkel ϑ_b 49 und der andere Stapel ist mit einem Winkel 180°-ϑ_b bezüglich einer gewünschten Polarisationsebene 51 angeordnet.
11 zeigt eine elektro-optische Einrichtung, die aus einem temperaturkompensierten Paar aus RTP-Kristallen 52 besteht. Die Kristalle 52 sind in der Form eines Parallelepipeds entlang der Hauptachsen x, y und z geschnitten, und leitende Elektroden 53 und 54, die in Zweiergruppen verbunden sind, sind auf den gegenüberliegenden Flächen angeordnet, die durch die x- und y-Achse definiert sind. Die Flächen z-y sind optisch poliert und weisen eine Beschichtung auf, die bei der Betriebslaserwellenlänge antireflektierend ist. Eine Eingangstrahlpolarisationsachse ist bezüglich der Richtung der z-Achse oder y-Achse bei 45° angeordnet. Die bevorzugte Abmessung der Seiten z und y (I_z und I_y) liegt zwischen 1 und 4 mm, wobei die bevorzugte Länge I_x des Kristalls (x-Achse) in dem Bereich von 3 bis 10 mm liegt. Die bevorzugte Auswahl eines Verhältnisses I_z/I_x kleiner als 0.4 tendiert dazu, eine so genannte „λ/4-Spannung" für die elektro-optische Einrichtung zu erhalten, die für die Wellenlänge 1064 nm kleiner ist als 1000 V. Diesen Spannungen wird leicht widerstanden. Zudem können sie schnell durch einfache elektronische Leistungskomponenten geschaltet werden, die seit einigen Jahren als Stand der Technik erhältlich sind. Die elektro-optische RTP-Einrichtung, die mit einem wie oben beschriebenen Polarisator kombiniert ist, der geringe Verluste aufweist, löst adäquat die Probleme, die sich bezüglich der gültegeschalteten Modulation für einen leicht multi-modalen Laser mit einer starken thermischen Linse ergeben. Diese Einrichtung weist eine sehr hohe anguläre Akzeptanz und eine Schaltungszeit auf, die gleich wenigen (< 10) Nanosekunden ist, während die Antriebselektronik der Einrichtung einfach und innerhalb von 10¹⁸-Schaltungsoperationen sehr verlässlich ist. Das RTP-Material antwortet korrekt auf eine Modulation in einem Bereich von Repetitionsfrequenzen von 0 bis 500 kHz.
Die Vorrichtung wird in dem so genannten „λ/4-Schema" verwendet, wobei der Polarisator zwischen dem aktiven Material und dem Modulator angeordnet ist: Wenn die „λ/4-Spannung" an der Einrichtung angelegt wird, erfährt das Licht, das durch den Polarisator strahlt, eine 90°-Polarisationsdrehung in zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des Modulators, wobei es stark abgeschwächt wird, wenn es durch den Polarisator verläuft, was mit einer entsprechenden Hohlraumextinktion verbunden ist. Beim Entfernen der „λ/4-Spannung" geht die Polarisation unverändert durch den Modulator, und der Laserhohlraum arbeitet oberhalb des Schwellwertes, wobei ein Riesenpuls erzeugt wird.
Ausgehend von der obigen Beschreibung sind die Merkmale der vorliegenden Erfindung und auch ihre Vorteile klar.
Das Pumpverfahren für Lasersysteme gemäß der vorliegenden Erfindung stellt mittels Dioden longitudinal gepumpte Festkörperlasersysteme bereit, die, auf Grund der Wahl des Betriebes in einem leicht multi-modalen Zustand bei einer Ausgangsstrahlqualität (Parameter M²) größer als 1.3 und bevorzugt kleiner als die 6-fache Beugungsgrenze, eine hohe Effizienz und eine hohle Helligkeit aufweisen. Die Ursache hierfür ist insbesondere, dass der Pumpstrahl nicht senk recht zu der ersten Fläche des aktiven Kristalls orientiert ist, sondern vielmehr zu einer zweiten optischen Oberfläche, die den nicht absorbierten Teil (erster Durchgang in dem aktiven Medium) des Pumpstrahls entlang der Einfallsrichtung reflektiert, wobei der Restpumpstrahl in dem aktiven Kristall 9 umgelenkt wird.
Vorteilhafterweise verteilt das erfindungsgemäße Pumpverfahren für Lasersysteme die Absorption zudem gleichmäßiger innerhalb des aktiven Kristalls, wobei günstigere lokale Zustände zur Restwärmeableitung verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das erfindungsgemäße Pumpverfahren für Lasersysteme die Wärmebelastung in dem aktiven Material durch die geeignete Auswahl des aktiven Materials, der Dotierungsparameter und der Pumpwellenlänge merklich reduziert.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das erfindungsgemäße Pumpverfahren für Lasersysteme durch die geeignete Auswahl der physikalischen Struktur des aktiven Materials und des damit verbundenen Wärmeentfernungssystems effizient den Begrenzungen entgegenwirkt, die durch die thermische Linse und die thermo-mechanische Spannung auf Grund des Anwachsens der in dem Lasermaterial absorbierten Pumpleistung verursacht werden.
Das erfindungsgemäße Pumpverfahren für Lasersysteme gewährleistet einen effizienten Betrieb des Lasers mit niedrigen modalen Inhalten, auch in einem Riesenpuls- oder Güteschaltungssystem.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Pumpverfahren für Lasersysteme geeignet, die Mikrobearbeitungstechniken für die Lasermarkierung und die Lasergravur zu verbessern.
Es ist offensichtlich, dass für den Fachmann viele Veränderungen des Pumpverfahrens und der Vorrichtung derselben, die oben beschrieben worden sind, möglich sind, ohne sich von der Neuheit der erfinderischen Idee zu entfernen. Es ist klar, dass sich in der praktischen Ausführung der Erfindung die Komponenten häufig in der Form, der Größe, den Proportionen und den verwendeten Materia lien von den oben beispielhaft beschriebenen Komponenten unterscheiden könne und dass sie durch technisch äquivalente Elemente ersetzt werden können.

Claims

Pumpverfahren für Festkörperlasersysteme mit diskreten Elementen, wobei die Festkörperlasersysteme mit Halbleiterlaserdioden gepumpt werden, die einen Pumpstrahl (10; 60) durch ein aktives Medium (9; 33; 63) strahlen, wobei das aktive Medium (9; 33; 63) eine erste Fläche (22), die zuerst von dem Pumpstrahl (10; 60) durchsetzt wird, und eine zweite Fläche (23) aufweist, die als zweites von dem Pumpstrahl (10; 60) getroffen wird, wobei eine Pumpachse (17) dem Pumpstrahl (10; 60) zugeordnet ist, wobei das aktive Medium (9; 33; 63) in einen Hohlraum eingesetzt ist, dem eine Hohlraumausbreitungsachse (26) zugeordnet ist, wobei die Pumpachse (17) mit der Hohlraumausbreitungsachse (26) im aktiven Medium (9; 33; 63) zusammenfällt und senkrecht zu einer optischen Oberfläche (23; 31) verläuft, auf die der Pumpstrahl (10; 60) trifft, nachdem er das aktive Medium (9; 33; 63) durchsetzt hat, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberfläche (23; 31) teilweise reflektierend für die Wellenlänge des Pumpstrahls (10) und nicht reflektierend für die Laserwellenlänge ist.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (10; 60) in dem Kristallvolumen des aktiven Mediums (9; 33; 63) fokussiert wird, das zwischen der ersten Fläche (22) und zwei Dritteln der Kristalllänge (9; 33; 63) beginnend von der ersten Fläche angeordnet ist (Bereich I), so dass eine stark divergierende Strahlung auf die zweite Fläche (23) treffen wird.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (10; 60) innerhalb der Kristalllänge (9; 33; 63) in einem Bereich fokussiert wird, der zwischen zwei Dritteln der Kristalllänge (9; 33; 63) beginnend von der ersten Fläche (22) und der zweiten Fläche (23) (Bereich II) liegt, so dass der Abstand der zweiten Fläche (23) zu der Position der Pumpstrahltaille kürzer ist als der konfokale Parameter (Z_r,p) des Pumpstrahls.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (10; 60) virtuell in dem Kristall hinter der zweiten Fläche (23) fokussiert wird (Bereich III), so dass ein immer noch konvergenter Pumpstrahl (10; 60) auf die zweite Fläche (23) treffen wird.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Durchschnittsdurchmesser des Pumpstrahls (10; 60) in dem Kristall (9; 33; 63) aufrechterhält, der größer ist als der Durchmesser der Lasergrundmode TEM_0,0 des Laserstrahls (13), wobei insbesondere in dem Brennpunkt der Durchmesser 1,2 bis 2-mal größer ist als der Durchmesser der Lasergrundmode TEM_0,0, wohingegen er jenseits des Brennpunkts 1,2 bis 10-mal größer wird, um die durch das Pumpen induzierten optischen Aberrationen zu vermindern und einen Teil der Laserleistung auf TEM_m,n-Moden zu übertragen, die einen kleinen Index aufweisen und von höherer Ordnung sind.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es das Verhältnis zwischen einem Durchmesser D und einem äquivalenten Durchmesser d_eq mit einem Wert aufrechterhält, der entweder kleiner oder gleich 0,8 ist, wobei der Durchmesser D bei 1/e² der Lasergrundmode in dem aktiven Medium berechnet wird und der äquivalente Durchmesser d_eq gleich dem Zweifachen des Strahlradius bei 1/e² der longitudinal integrierten Verteilung P_int(r) ist, die als Integral entlang der longitudinalen Koordinate der räumlichen Verteilung der absorbierten Pumpleistung definiert ist.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es den Wert des Verhältnisses D/d_eq und die Übertragung der Pumpenergie von der Grundmode zu den Moden höherer Ordnung verändert, wobei die Position des Pumpfokus in dem Laserkristall (9) verschoben wird und/oder die Emissionswellenlänge der Pumplaserdioden verändert wird.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpverfahren eine Pumpquelle (14), deren Transversalverteilung bezüglich der Ausbreitungsrichtung (17) des Pumpstrahls (10; 60) radial symmetrisch ist, und einen Kristall (9; 33; 63) mit einer Länge, die gleich dem Ein- bis Dreifachen des konfokalen Parameters (36) des Pumpstrahles ist, verwendet, um Laserstrahlqualitäten in dem Bereich von M² = 1,3 bis M² = 2,2 zu erhalten.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberfläche (23, 31) die zweite Fläche (23) des aktiven Mediums ist und mehr als 60% des Lichts der Pumpwellenlänge reflektiert und dass die Hauptpumprichtung mit einer Toleranz von 2° auf sich selbst reflektiert wird.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberfläche (23, 31) die zweite Fläche des aktiven Mediums ist und zumindest 90% des Lichts der Pumpwellenlänge reflektiert.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (23) des aktiven Mediums (9; 33; 63) das Licht der Pumpwellenlänge durchlässt und dass die optische Oberfläche (23; 31) aus einem optischen Element (31) außerhalb des aktiven Mediums besteht, das den Pumpstrahl (10; 60) in eine Richtung reflektiert, die mit der Einfallsrichtung innerhalb einer Toleranz von 4° zusammenfällt.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (10; 60) bei dem ersten Durchgang durch das aktive Medium (9; 33; 63) nicht vollständig absorbiert wird, dass er aber während der zwei Durchgänge in dem aktiven Medium zum größten Teil absorbiert wird, wobei der letzte Rest weniger als 50% des Anfangswertes beträgt.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionslänge der Pumpstrahlung und die Volumenverteilung der Populationsinversion in dem aktiven Material (9; 33; 63) durch die Art und die Dotierung des aktiven Materials (9; 33; 63) bestimmt werden.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionslänge der Pumpstrahlung und die Volumenverteilung der Populationsinversion in dem aktiven Material (9; 33; 63) durch die Pumpwellenlänge und/oder die Länge des akti ven Materials (9; 33; 63) und/oder den Polarisationszustand des Pumpstrahls (10; 60) bestimmt werden.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material (9; 33; 63) ein- bis zehnmal so lang ist wie der konfokale Parameter (36) des Pumpstrahles (10; 60).
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verändern der Fokusposition des Pumpstrahls (10; 60) oder der Wellenlänge der Pumpdioden ermöglicht.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (10; 60) in den Laserhohlraum durch einen ebenen oder gekrümmten Spiegel (18) eintritt, der mit einer hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung für das Laserlicht (13) versehen ist und bevorzugt für den Pumpstrahl eine geringe Reflektivität aufweist.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (10; 60) in den Hohlraum durch eine dielektrische Beschichtung eintritt, die für das Laserlicht (13) hochreflektierend und bevorzugt hochdurchlässig für den Pumpstrahl (17) ist, wobei die Beschichtung unmittelbar auf der Endfläche des aktiven Mediums (16) angeordnet ist.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl (17) in den Hohlraum durch eine gekippte Platte (20) eintritt, die in dem Hohlraum mit einem Winkel von 20° bis 70° relativ zu der Achse des Hohlraums selbst angeordnet ist, die eine geeignete dielektrische Antireflektionsbeschichtung für das Laserlicht aufweist und die bei den bereitgestellten Einfallswinkeln für den Pumpstrahl (17) hochreflektierend ist.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Medium (9; 33; 63) aus einem Element, das aus einem aktiven Material (33) hergestellt ist, und einer oder zwei Endkappen (34; 35) besteht, die aus optischem Material hergestellt sind, das mit der ersten Fläche (22) und gegebenenfalls mit der zweiten Fläche (23) des Elements verbunden ist.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Element zwischen dem Pumpsystem (14) und dem Laserhohlraum angeordnet wird, das hochreflektierend für die Resonanzlaserwellenlänge ist.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasersysteme in einem Güteschaltungszustand betrieben werden.
Pumpverfahren für Lasersysteme nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehr als eine Wellenlänge in dem gleichen Pumplaserstrahl verwendet.
Festkörperlasersystem mit einem diskreten Element, wobei das Festkörperlasersystem eine Pumpquelle (14) mit Halbleiterlaserdioden aufweist zum Übertragen eines Pumpstrahles (10; 60) zu einer mechanisch-optischen Einrichtung (57) zum Fokussieren des Pumpstrahles auf ein aktives Medium (63), das in einen Hohlraum eingesetzt ist, dem eine Hohlraumausbreitungsachse (26) zugeordnet ist, wobei die Pumpachse (17) mit der Hohlraumausbreitungsachse (26) innerhalb des aktiven Mediums (9; 33; 63) zusammenfällt und senkrecht zu einer optischen Oberfläche (23; 31) verläuft, die von dem Pumpstrahl (10; 60) getroffen wird, nachdem er das aktive Medium (9; 33; 63) durchsetzt hat, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Oberfläche (23; 31) für die Wellenlänge des Pumpstrahles (10) teilweise reflektierend und für die Laserwellenlänge nicht reflektierend ist.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem in dem Hohlraum ein Pinhole aufweist, um einen Parameter M² zu erzeugen, der kleiner ist als 1,3.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem im Hohlraum einen sättigbaren Absorber aufweist, um einen Parameter M² zu erzeugen, der kleiner ist als 1,3.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem einen sättigbaren Absorber aufweist, der als ein Güteschalter betrieben werden kann.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem einen elektro-optischen Modulator (74) aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem einen akusto-optischen Modulator aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Material ein Nd:GdVO₄-Kristall ist.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Pumplichtes eine Wellenlänge aufweist, die größer ist als 860 nm.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch-optische Einrichtung (57) zum Fokussieren des Pumpstrahles auf ein aktives Medium (63) bewegbar ist, um die Position des Pumpfokus in dem aktiven Material zu verschieben, ohne die Struktur des Hohlraums zu verändern.