DE60304564T2

DE60304564T2 - Verbessertes optisches Pumpen von Materialien mit polarisationsabhängiger Absorption

Info

Publication number: DE60304564T2
Application number: DE60304564T
Authority: DE
Inventors: Louis c/o Lumera Laser GmbH Mc Donagh; Achim Dr. Nebel; Ralf Dr. c/o Lumera Laser GmbH Knappe
Original assignee: Lumera Laser GmbH
Current assignee: Lumera Laser GmbH
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: ATE323335T1; EP1482607B2; DE60304564D1; US20040258117A1; DE60304564T3; EP1482607B1; US8913644B2; US20130329762A1; US8542713B2; EP1482607A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laser, insbesondere auf Festkörper-Laser-Oszillatoren oder -Verstärker, welche Verstärkungsmedien mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten nutzen, und zwar in Abhängigkeit von der Polarisation und der Wellenlänge des einfallenden Pumplichtes.
Hintergrund der Erfindung
Da Laser mehr und mehr Anwendungen in der Wissenschaft, Medizin, Industrie und anderen verschiedenen Anwendungsgebieten finden, werden neue oder verbesserte Laserquellen unverändert benötigt. Ein allgemeines Ziel besteht darin, Quellen mit höherer Ausgangsenergie zu konstruieren, während andere Charakteristika beibehalten oder verbessert werden, insbesondere die Strahlqualität. Ein Weg, solche Laserquellen zur Verfügung zu stellen liegt im optischen Pumpen von Festkörpermaterialien mit Laserdioden. Diese Laserdioden stellen ein viel schmaleres Emissionsspektrum als die zuvor eingesetzten Blitzlampen zur Verfügung, wobei noch nicht einmal deren höhere Effizienz und längere Lebensdauern neben vielen anderen Vorteilen genannt sind. Daraus resultiert eine optimierte Absorption des Pumplichtes bei einer Wellenlänge in der Nähe des Absorptionspeaks des Mediums bzw. Verstärkungsmediums, wodurch das Pumplicht zumeist im Rahmen eines einzigen Durchgangs durch das Lasermedium absorbiert wird. Allerdings weisen viele dieser Materialien verschiedene Absorptionskoeffizienten auf, welche von der Polarisation des Pumplichtes abhängen. Solche Materialien beinhalten Nd:YVO₄, Nd:GdVO₄, Nd:YLF,Nd:YAIO₃,Nd:LSB und Nd:YAP. Eine allgemein eingesetzte Verbindung besteht darin, einen Neodym-dotierten Vanadatkristall mit Laserdioden zu pumpen, welche bei den Absorptionspeaks des Neodyms emittieren, im Bereich von 808 nm oder so gar 880 nm. Dabei mag die letztgenannte gegenüber der erstgenannten Emission bevorzugt sein, um den Quantendefekt zu reduzieren, welcher die thermische Belastung des Kristalls effektiv begrenzt. Auf diese Weise werden eine geringere Kristalltemperatur und ein reduziertes Auswölben von Endflächen erreicht, so dass ein geringerer thermischer Linseneffekt mit verminderter Aberration erzielt wird. Auf der anderen Seite, kann der Kristall mit einer höheren Pumpenergie in Bezug zu der 808 nm- Pumpwellenlänge beaufschlagt werden. Ein solches direktes Pumpen des oberen Laserniveaus von Vanadat wird zusammen mit einem experimentellen Vergleich mit 808 nm-Pumpen bei Dudley et al. „Direct 880 nm Diode-pumping of Vanadate Lasers", CLEO 2002, beschrieben.
Ferner wird die Dotierungskonzentration im Kristall mit aktiven Ionen ausgewählt, um die gewünschte Absorptionslänge zu erreichen. In vielen Fällen wird eine kurze Absorptionslänge gewünscht, um die Verstärkungsregion auf ein geringes Volumen örtlich einzuschränken und dadurch das Zusammenspiel Pump/Lasermode zu optimieren. Allerdings erfordert die Einstellung derartiger Pumpschemata im Sinne einer höheren Ausgangsenergie eine wachsende Absorptionslänge des Pumplichtes, um die Hitzebelastung auf ein größeres Volumen zu verteilen. Ein bekannter Weg um dieses zu erreichen besteht darin, die Dotierungskonzentration im Kristall zu verringern, während die Dioden bei der gleichen Wellenlänge emittieren. Durch Auswahl der richtigen Dotierung kann die Absorption an die spezifischen Anforderungen oder Einstellungen entsprechend eingeschränkt und angepasst werden. Diese Technik und verschiedene Ausgestaltungen werden von Cheng et al. „Lasers with low doped gain medium", im US Patent 6 185 235 beschrieben.
Sofern sehr lange Kristalle verwendet werden, ist es notwendig, die Absorption über deren gesamte Länge auszudehnen, so dass die Dotierung auf einen sehr geringen Wert zu reduzieren ist. Allerdings erlaubt die verfügbare Kristallzüchtungstechnologie keine sehr geringe Dotierung, während gleichzeitig die aktiven Ionen mit akzeptabler Genauigkeit hinsichtlich ihrer Konzentration vorliegen sollen. Beispielsweise ist die Verfügbarkeit von Neodym-Vanadat-Kristallen aktuell auf ungefähr 0,1% atm. Neodym-Dotierung mit +/– 50% relativer Genauigkeit eingeschränkt. Der Einsatz solcher Kristalle verbietet sich aus diesem Grund, sofern reproduzierbare Leistung und Charakteristik gewünscht wird, ohne jeden Kristall individuell auszuwählen. Man ist demzufolge eingeschränkt in der Wahl von Pumpschemata und Kristallen, so dass die gewünschte Absorptionslänge mit niedrig dotierten Materialien erreicht wird, die vorgefertigt zur Verfügung stellen. Auf diese Weise und um lange Verstärkungsmedien sowie eine Ausbreitung der Absorption entlang der Länge zu erreichen, wird eine Lösung benötigt, die eine geringe Absorption in Materialien mit verfügbarer Dotierungskonzentration zur Verfügung stellt.
Eine andere Einschränkung bei der optimierten Absorption des Pumplichtes resultiert von der Polarisationsabhängigkeit der Absorption in bestimmten Lasermaterialien, wie einleitend bereits beschrieben wurde. Neodym-Vanadat soll exemplarisch genutzt werden, um die verschiedenen Konzepte und physikalischen Effekte zu illustrieren, weil es sich momentan um ein sehr gefragtes und weit verbreitetes Lasermaterial handelt, das eine starke Polarisationsabhängigkeit der Absorption zeigt. Es sollte erwähnt werden, dass dieser spezifische Laserkristall lediglich zur Erläuterung dient und nicht das Wesen der Erfindung in irgendeiner Weise einschränkt.
Nd:YVO₄ weist eine große Differenz in der Absorption entlang seiner a-und c-Achsen im Bereich des jeweiligen Absorptionspeaks bei üblichen Pumpwellenlängen von 808 und 880 nm auf (α_c=3,7α_a bei 808 nm und α_c=3α_a bei 880 nm ) auf. Viele endgepumpten Schemata hoher Energie nutzen die Fasereinkopplung oder andere Vorrichtungen, um das Pumplicht von den Dioden in den Kristall einzukoppeln. Die meisten dieser Einkoppelvorrichtungen behalten die ursprünglich lineare Polarisation der Diodenemission nicht bei und führen zu unpolarisiertem oder teilweise polarisiertem Ausgangslicht. Dadurch hängt die Absorptionswellenlänge des Pumplichtes davon ab, wie dieses zwischen den beiden Polarisationen entlang der a-und c-Achsen des Kristalls aufgespalten ist. Des weiteren kann das Verhältnis der Polarisation des Pumplichtes entlang jeder Achse von äußeren Faktoren – einer Drehung oder einem Verbiegen der Faser – abhängen, die sich nicht einfach kontrollieren lassen. Die Absorptionslänge des Pumplichtes hängt demzufolge von diesen Einflüssen ab, so dass sich variable Laserausgangscharakteristika einstellen. Ein Weg diese Probleme zu umgehen besteht darin, das Pumplicht vor oder nach dem Pumpeinkopplungssystem zu entpolarisieren und unpolarisiertes Licht zur Verfügung zu stellen. Petersen beschreibt in dem US-Patent 5 999 544 ein solches System, welches in Verbindung mit fasereingekoppelten Diodenleisten benutzt wird. Obwohl der Einsatz solcher Depolarisierer Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen garantiert, und zwar auf Kosten einer geringfügig gesteigerten Komplexität, sind die Absorptionskurve und Absorptionslänge identisch derer von unpolarisiertem Licht.
Allerdings sollte man beachten, dass die Absorption von unpolarisiertem Licht durch ein Medium mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten entlang zweier oder mehr seiner Achsen nicht die gleiche Optimierung und eine gesteigerte Leistung wie bei polarisiertem Licht ermöglicht. Im Falle von Vanadat wird das meiste des entlang der c-Achse des Kristalls polarisierten Pumplichtes innerhalb einer kurzen Distanz von der Eintrittsfläche absorbiert, während das entlang der a-Achse polarisierte Licht eine viel größere Entfernung für die Absorption benötigt. Darüber hinaus wird durch polarisiertes Pumplicht eine geringere absorbierte Pumpenergiedichte in der Nähe der Eintrittsfläche bei der gleichen insgesamt absorbierten Energie beobachtet, so dass sich die Absorption auf die gesamte Länge des Kristalls verteilt. Im Gegensatz dazu erzeugt unpolarisiertes Pumplicht eine höhere thermische Belastung in der Nähe der Eintrittsfläche, so dass Auswölbungen der Kristallflächen, eine höhere Temperatur und ein stärkerer thermischer Linseneffekt inklusive Aberration vorliegen.
Eine Lösung, um den Effekt einer solchen starken Absorption in der Nähe der Eintrittsfläche des Pumplichtes zu reduzieren wird von Marshall im US Patent 6 144 484 beschrieben. Undotierte Endkappen werden durch Diffusion an die Kristallenden gebondet, um als thermisches Reservoir zu dienen, so dass durch das Pumplicht induzierte Auswölbungen des Kristalls reduziert werden und das im Kristall gepumpte Volumen bei einer geringeren Temperatur gehalten wird im Vergleich zu freistehenden Flächen. Daraus resultiert ein reduzierter thermischer Linseneffekt mit verminderter Aberration, so dass die maximal anwendbare Pumpenergie deutlich gesteigert ist, während gleichzeitig die Strahlqualität beibehalten wird. Allerdings stellt dies eine Verbesserung beim klassischen End-Pumpen dar, welche eine geringfügig größere Energie zur Beaufschlagung des Kristalls ermöglicht, allerdings nicht die hohe thermische Belastung an sich reduziert. Darüber hinaus schränken die Kosten und die begrenzte Verfügbarkeit der Kristalle mit diffusionsgebondeten Endkappen ihren Einsatz in einem Produkt ein. Folgerichtig ist es wünschenswert, polarisiertes im Gegensatz zu unpolarisiertem Licht einzusetzen, um das Pumpschema zu optimieren und schlußendlich die allgemeine Leistungsfähigkeit des Lasers zu verbessern.
Allerdings benutzen viele endgepumpten Systeme optische Fasern, Faserbündel oder andere vergleichsmäßigende Vorrichtungen zum Einkoppeln des Pumplichtes, welche eine räumlich homogene Lichteinkopplung in den Kristall zur Verfügung stellen, jedoch ohne die lineare Polarisation der Diode beizubehalten. Eine Technik, um die Polarisation beizubehalten oder eine geringfügige Depolarisation zu erreichen besteht darin, sehr kurze Einzelfasern einzusetzen, die gerade in fixierter Position gehalten werden. Obwohl diese Technik nahezu linear polarisiertes Licht zur Verfügung stellt, ist die räumliche Homogenität nicht so gut wie bei längeren Fasern. Demzufolge liegt eine Diskrepanz zwischen Strahlqualität und Polarisationskonstanz vor. Des weiteren kann eine solche polarisationskonstante Technik nicht immer angewendet werden oder ist für bestimmte Konfigurationen zu unpraktisch, weil die Pumpquelle nicht von dem Laserresonator getrennt werden kann.
Eine andere Methode, um polarisiertes Licht in das Lasermedium einzukoppeln, sogar nach teilweiser oder vollständiger Depolarisation des Pumplichtes durch eine einkoppelnde oder homogenisierende Vorrichtung wird von Maag et al. im US Patent 6 137 820 vorgestellt. Der teilweise oder vollständig unpolarisierte Pumpstrahl wird von einem Polarisierungselement in zwei Strahlen mit orthogonaler linearer Polarisation aufgespalten. Einer dieser beiden Strahlen passiert ein Polarisations-Dreh-Element (beispielsweise eine Lambda-Halbe-Platte, die um 45 ° im Vergleich zu der einfallenden Polarisation orientiert ist ) welche die Polarisation um einen Winkel von 90° dreht, so dass der zweite Strahl linear polarisiert und parallel zu dem ersten Strahl vorliegt. Danach pumpen diese beiden Strahlen den Laserkristall entweder unabhängig von beiden Seiten oder gemeinsam an einer Eintrittsfläche des Kristalls. Demzufolge wird der Kristall mit einer einzigen Polarisation gepumpt, entweder entlang der starken oder der schwachen Absorptionsachse, in Abhängigkeit von der gewünschten Konfiguration. Obwohl ein solches System linear polarisiertes Pumplicht zur Verfügung stellt, wird dieses in zwei Strahlen aufgespalten, die gemeinsam mit der Lasermode im Kristall überlappen müssen. Daher ist die Auswahl der Pumpkonfigurationen bei dieser Vorrichtung begrenzt. Darüber hinaus werden zusätzliche Komponenten benötigt (Polarisator, Lambda-Halbe-Platte, Linsen etc.), welche die Komplexität des Systems steigern und daher seinen Einsatz in den meisten Anwendungsfällen und Produkten verbieten.
Es besteht daher das Bedürfnis nach einer Technik, welche das Pumpen eines Materials mit polarisationsabhängiger Absorption mit unpolarisiertem oder teilweise polarisiertem Licht er laubt, während gleichzeitig die Vorteile eines Pumpens mit linear polarisiertem Licht erhalten bleiben.
Ein weiteres Bedürfnis besteht darin, die Absorptionslänge im Vergleich zu dem zu steigern, was mit geringdotierten Kristallen und regulären Laserdioden ermöglicht wird, die im Bereich der Absorptionspeaks emittieren, so dass eine höhere Pumpenergie angewendet werden kann im Vergleich zu gering dotierten Kristallen, die bei der Peakwellenlänge gepumpt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Folgerichtig besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Pumpen von Lasermaterialien mit polarisationsabhängiger Absorption mit einer bestimmten Pumpquelle zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Absorption bei beiden Polarisationen gleich ist oder eine verringerte Differenz im Vergleich zum Pumpen des Materials am gemeinsamen Absorptionspeak (an den gemeinsamen Absorptionspeaks) vorliegt.
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Pumpen von Lasermaterialien mit polarisationsabhängiger Absorption zu schaffen, und zwar mit teilweise polarisiertem oder vollständig unpolarisiertem Licht, während die Absorptionskoeffizienten beider Polarisationen gleich bleiben oder ihre Differenz reduziert ist im Vergleich zum Pumpen des Materials am gemeinsamen Absorptionspeak bzw. an den gemeinsamen Absorptionspeaks.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um eine geringe und polarisationsunabhängige Absorption in Nd:YVO₄ zur Verfügung zu stellen, die nicht bei den gemeinsamen Peakabsorptionswellenlängen im Bereich von 808 und 880 nm erreichbar ist.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden mit einem Laser-Oszilator oder -Verstärker erreicht, welcher ein Verstärkungsmedium enthält, das eine polarisationsabhängige Absorption aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt einen Graph dar, welcher die nicht absorbierte Energie in Nd:YVO₄ zeigt, und zwar bei einer Absorption im Bereich von 808 nm mit unpolarisiertem Pumplicht und die polarisationsunabhängige Absorption bei spezifischen Wellenlängen (im Bereich von 819 und 888 nm).
2 ist eine Grafik, welche die absorbierte Energie pro Längeneinheit in Nd:YVO₄ darstellt, und zwar bei einer Absorption im Bereich von 808 nm mit unpolarisiertem Pumplicht und bei polarisationsunabhängiger Absorption bei spezifischen Wellenlängen (im Bereich von 819 und 880 nm).
3 stellt das Absorptionsspektrum von Nd:YVO₄ im Bereich von 819 nm dar.
4 stellt das Absorptionsspektrum von Nd:YVO₄ im Bereich von 880 nm dar.
Spezifische Beschreibung
Das Diodenpumpen von Laserkristallen nutzt allgemein Laserdioden, die im Bereich deren Absorptionspeaks emittieren. Beispielsweise wird Nd:YVO₄ normalerweise im Bereich seiner Absoptionspeaks bei 808 nm (stark) oder 880 nm (schwächer) gepumpt, um die Absorption zu verstärken. Bei der am meisten eingesetzten Pumpwellenlänge von 808 nm ist der Absorptionskoeffizient α_c entlang der c-Achse des Kristalls 3,7 Mal größer als der Absorptionskoeffizient α_a entlang der a-Achse. Demzufolge wird das gesamte entlang der c-Achse polarisierte Pumplicht innerhalb von einigen wenigen mm absorbiert, wenn ein Vanadatkristall bei einer solchen Wellenlänge mit unpola risiertem oder teilweise polarisiertem Licht gepumpt wird, wohingegen das entlang der a-Achse polarisierte Licht eine viel größere Absorptionslänge benötigt. 1 stellt die verbleibende, nicht absorbierte Pumpenergie entlang der Länge des Kristalls dar im Falle des klassischen unpolarisierten Pumpens bei 808 nm (12) und bei polarisiertem Pumpen und anderweitig unpolarisiertem Pumpen, sofern die Absorptionskoeffizienten entlang der a-und c-Achse gleich sind (10). Im Falle des polarisationsunabhängigen Pumpens folgt der Abfall der Pumpenergie entlang der Länge (1) des Kristalls einer Exponentialfunktion (exp (–αl)) wobei a den Absorptionskoeffizienten darstellt. Allerdings ist im Falle des unpolarisierten Pumpens bei 808 nm der Abfall der Pumpenergie entlang der Länge des Kristalls nicht exponentiell: er ist die Summe einer rasch fallenden Exponentialfunktion entlang der c-Achse (exp(α_cl)) und einer langsamer fallenden Exponentialfunktion entlang der a-Achse (exp(–α_al)). Demzufolge lässt sich im Falle von vollständig unpolarisiertem Licht (bei gleicher Energie für beide Polarisationen) der Abfall der Pumpenergie entlang der Länge l des Kristalls durch 0,5 (exp(–α_cl) + exp(α_al)) beschreiben.
Die Absorptionskoeffizienten der beiden Pumpmethoden werden eingestellt, um die übereinstimmende absorbierte Energie zu erreichen oder – in anderen Worten – den gleichen Verlust an Pumpenergie nach Passieren des Kristalls. Demzufolge ist die nicht absorbierte Energie beim Pumpen mit polarisationsunabhängiger Absorption (10) und unpolarisiertem Pumpen bei 808 nm (12) die gleiche an der Ausgangsfläche des Kristalls (14). 2 zeigt die absorbierte Pumpenergie pro Längeneinheit für beide Pumpmethoden. Da die absorbierte Energie pro Längeneinheit durch die erste Ableitung der lokalen Pumpenergiedichte vorgegeben wird, lässt sie sich durch einen exponentiellen Abfall (a·exp(-αl)) für polarisationsunabhängiges Pumpen (18) beschreiben und durch die Summe von zwei Exponentialfunktionen für unpolarisiertes Pumplicht (0,5(α_cexp( – α_cl) + α_a·exp(–α_al))) (16). Die absorbierte Energie pro Län geneinheit ist für zwei Pumpverfahren aufgetragen. Dadurch lässt sich die lokale thermische Belastung entlang der Länge des Kristalls darstellen, welche unmittelbar zu einer Grenze für die anwendbare Pumpenergie führt. Der Wert für die norminierte absorbierte Pumpenergie pro Längeneinheit an der Eingangsfläche des Kristalls ist 1 für unpolarisiertes Pumpen (20) und 0,56 für polarisationsunabhängiges Pumpen (22). Es ist zu beachten, dass die polarisationsunabhängige Absorption (α=α_a=α_c) die absorbierte Pumpenergiedichte um einen Faktor von nahezu zwei in der Nähe der Eingangsfläche des Kristalls im Falle von Nd:YVo₄ reduziert. Dadurch verändert sich die thermische Belastung deutlich und führt zu einer niedrigeren Temperatur im Pumpfleck und verringerter Wölbung der Eingangsfläche des Kristalls.
Es sollte betont werden, dass Vanadat lediglich zum Zwecke der Illustration angeführt wurde, und zwar aufgrund dessen großen Verhältnis zwischen den zwei Absorptionskoeffizienten bei der Peak-Absorptionswellenlänge. Dadurch wird der Schutzbereich der Erfindung in keiner Weise eingeschränkt. Außerdem ist zu beachten, dass je größer das Verhältnis zwischen den beiden Absorptionskoeffizienten, desto größer der Vorteil von polarisationsunabhängigem Pumpen ist. Das kann dergestalt verstanden werden, dass im Falle von unpolarisiertem Pumpen der Abfall der Pumpenergiedichte in der Nähe der Eingangsfläche einen starken Abfall und einen geringeren Abfall entlang der übrigen Länge des Kristalls aufweist.
Da zusätzlich viele endgepumpte Schemata fasergekoppelte Pumpdioden beinhalten, die unpolarisiertes oder teilweise polarisiertes Licht zur Verfügung stellen und auf diese Weise gleiche Absorptionskoeffizienten in beiden Polarisationsrichtungen vorliegen, kann eine Faser um ihre Achse gedreht oder ohne signifikante Änderung in der Absorptionslänge verbogen werden.
Eine solche polarisationsunabhängige Absorption kann in Vanadat bei bestimmten ausgewählten Wellenlängen erreicht werden, nämlich im Bereich von 819 und 888nm, wo die Absorptionskoeffizienten gleich sind. 3 zeigt die Absorptionskurven entlang der beiden kristallographischen Achsen im Bereich von 819 nm, wohingegen 4 dieselbe Information liefert im Bereich von 888 nm. Bei einer bestimmten Wellenlänge schneiden sich die Kurven der Absorptionskoeffizienten für die a-Achse und c-Achse und die Absorptionskoeffizienten sind gleich (3 (24), (26), (28), (30) und 4 (32), (34), (36)). Ein Pumpen im Bereich von 880 nm kann wegen des reduzierten Quantendefektes und der höheren Effektivität bevorzugt sein im Vergleich zu einem Pumpen bei 808 und 819 nm, wie dies für das Pumpen bei 880 nm bei Dudley et al. „Direct 880 nm Diode-pumping of Vanadate Lasers" in CLEO 2002 beschrieben wird.
Die Anwendung von Pumpdioden, die in einer schmalen Bandbreite emittieren hilft dabei, die ausgesandten Wellenlängen in der Nähe der Kreuzungspunkte der beiden Absorptionskoeffizienten zu halten bzw. in einem Bereich, in dem diese beiden Werte benachbart zueinander angesiedelt sind. Darüber hinaus wird ein Ansteigen eines Absorptionskoeffizienten vom Kreuzungspunkt aus in Richtung auf niedrigere Wellenlängen vorteilhaft durch ein Anwachsen des anderen Koeffizienten kompensiert in Richtung auf größere Wellenlängen. Dadurch wird sichergestellt, dass die übereinstimmenden Absorptionskoeffizienten für das komplette Emissionsspektrum des Pumplichtes sehr nah beieinander verbleiben, sogar vor dem Hintergrund, dass die beiden Absorptionskoeffizienten nicht exakt für alle Wellenlängen innerhalb des Pumplichtes übereinstimmen. Das kann bei einer bestimmten ausgewählten Wellenlänge dargestellt werden (3, (24) und 4 (36)). Sofern die spektrale Bandbreite der Laserdiode nicht schmal ist, muss die Faltung des emittierten Spektrums mit dem Absorptionsspektrum für beide Polarisationen berechnet werden, um die gemittelte Absorption für die a-Achse und die c-Achse gleich einzustellen. Auf diese Weise findet man eine Wellenlänge für das Maximum des Laserdiodenspektrums im Bereich von 819 nm (3) und 888 nm (4), wo die gemittelten Absorptionskoeffizienten gleich sind.
Eine Energieskalierung des Laseroszilators oder – Verstärkers erfordert gewöhnlich, dass die Absorption des Pumplichtes reduziert wird und demzufolge sich auf einem längeren Medium ausbreitet. Das wird in der Regel dadurch erreicht, dass die Dotierungskonzentration des Materials verringert wird und bei einer mittleren Wellenlänge gepumpt wird, bei welcher ein Absorptionspeak vorliegt. Beispielsweise wird Vanadat allgemein gepumpt bei seinen Absorptionspeaks im Bereich von 808 oder 880 nm. Allerdings sind Kristalle, die eine Dotierungskonzentration unterhalb von 0,1 % atm aufweisen, nicht gebrauchsfertig mit kontrollierten Eigenschaften verfügbar. Dieser geringste Wert begrenzt die minimal erreichbare Absorption und demzufolge die maximale Länge des Kristalls, welche effektiv genutzt werden kann. Ein Weg, um dieses Problem zu umgehen, besteht darin, bei anderen Wellenlängen zu pumpen, bei denen der Absorptionskoeffizient viel geringer als beim Absorptionspeak ist. Die 3 und 4 stellen das Absorptionsspektrum von Nd:YVO₄ im Bereich von 819 und 888 nm dar. Diese Werte können mit Absorptionskoeffizienten bei 808 nm:α_c = 3,7 mm^-1, α_a = 1,0 mm^-1 (808 nm) verglichen werden, wobei α_c = α_a = 0,25 mm^-1 bei 819nm und α_c = α_a = 0,15 mm^-1 bei 888 nm ist. Derartige geringe Absorptionskoeffizienten ermöglichen eine Ausbreitung der Absorption in einem viel längeren Kristall als dies zuvor möglich war bei einem Pumpen bei 808 oder 880 nm.
Auf diese Weise ermöglicht das Pumpen von Neodym-Vanadat im Bereich von 818 oder 888 nm sowohl eine geringe Absorption, wie sie für einige Hochenergiesysteme nötig ist als auch die Polarisationsunabhängigkeit, welche es ermöglicht, die anzuwendende Pumpenergie zu vergrößern und unpolarisiertes oder teilweise polarisiertes Pumplicht zu nutzen, und zwar mit al len Vorteilen einer polarisationsunabhängigen Absorption, wie sie eingangs erwähnt wurden.
Ein anderer Weg, um die gleiche Absorption entlang beider Achsen des Lasermaterials zu erreichen und damit eine polarisationsabhängige Absorption besteht darin, das Lasermaterial mit verschiedenen Wellenlängen bei jeder Polarisation zu pumpen. Die Wellenlänge λ₁ auf der a-Achse bzw. λ₂ auf der c-Achse kann unabhängig verändert werden, so dass die Absorptionskoeffizienten auf beiden Achsen (α_a,λ1 = α_c,λ2) gleich sind. Ein solches Konzept wird für Neodym-Vanadat dargestellt. Das in 4 gezeigte Absorptionsspektrum zeigt den Absorptionskoeffizienten entlang der c-Achse bei λ₂ = 886,5 nm (32) und entlang der a-Achse bei λ₁ = 890,5 nm (34), welche nah beieinander liegen und durch ähnliche symmetrische Anstiege umgeben sind, wenn die Wellenlänge verändert wird. Dadurch ermöglicht die Kombination von zwei Pumpquellen, die im Bereich dieser beiden Wellenlängen auf orthogonalen Polarisationsachsen emittieren, eine übereinstimmende Absorption entlang jeder der Achsen des Lasermediums. Das kann in der Praxis realisiert werden, indem die linear polarisierten Ausgänge von zwei Pumpdioden kombiniert werden, von denen eine eine um 90° gedrehte Polarisationsrichtung aufweist.
Sämtliche vorangestellten Beschreibungen berücksichtigen ideale Fälle, bei denen die Absorption gleich entlang der beiden Polarisationsachsen des Mediums ist. Diese spezielle Konfiguration wurde ausgewählt, um die Vorteile zur Reduzierung der Differenz in den Absorptionskoeffizienten am besten darstellen zu können, weil hierdurch die größten Verbesserungen zur Reduzierung der thermischen Belastung in der Nähe der Eintrittsfläche des Mediums erreicht werden. Allerdings stellt jede zwischengelagerte Situation vergleichbare Vorteile zur Verfügung, bei welcher die Differenz der Absorptionskoeffizienten reduziert ist im Vergleich zu derjenigen bei konventionellem Pumpen im Bereich des Absorptionspeaks des Mediums. Es sollte deshalb verständlich sein, dass die Erfin dung nicht auf diese spezielle Situation begrenzt ist, bei welcher die Absorptionskoeffizienten exakt gleich sind, sondern ebenso als signifikante Reduzierung des Verhältnisses zwischen den Absorptionskoeffizienten bei der gemeinsamen Pumpwellenlänge definiert werden kann. Das Wesen der Erfindung lässt sich folgerichtig definieren als 50% oder bessere Verminderung des Verhältnisses zwischen den Absorptionskoeffizienten bei der gemeinsamen Pumpwellenlänge. Mit anderen Worten, falls R = α_c/α_a oder R = α_a/α_c (R>1) das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten des Verstärkungsmediums in Abhängigkeit davon angibt, welcher Absorptionskoeffizient bei der Absorptionspeakwellenlänge der größte ist, dass dann das Wesen der Erfindung die Auswahl jeglichen Pumpschemas beinhaltet, bei welchem das besagte Verhältnis R zwischen den Absorptionen entlang der beiden Achsen um den Faktor zwei oder mehr reduziert wird im Vergleich zum Absorptionskoeffizient bei der gemeinsamen Pumpwellenlänge. Demzufolge muss man das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten der gemeinsamen Pumpwellenlänge mit dem Verhältnis der Absorptionskoeffizienten der eingesetzten Wellenlänge vergleichen. Falls die Reduktion der Absorptionskoeffizienten für die eingesetzte Wellenlänge geringer als 50% ist, genießt das System sämtliche Vorteile und Verbesserungen, wie sie eingangs zitiert worden sind, und zwar sogar dann, falls eine reduzierte Übereinstimmung der Absorptionskoeffizienten im Vergleich zu dem Fall völlig gleicher Absorptionskoeffizienten vorliegt.
Obwohl Neodym-Vanadat umfangreich in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung und der Erläuterung der verschiedenen Zielsetzungen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf dieses spezielle Lasermaterial begrenzt. Es wurde ausgewählt und beschrieben, um am besten die Prinzipien der Erfindung und seine praktischen Anwendungen zu beschreiben und auf diese Weise andere Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung unter Berücksichtigung verschiedener Ausführungsformen und veränderter Modifikationen zu verstehen, wie sie sich auf Grund der speziellen Verwendungen ergeben.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims

Optisch gepumpter Laser-Oszillator oder -Verstärker, mit: einem Laserkopf, welcher ein Verstärkungsmedium mit einer polarisationsabhängigen Absorption entlang zweier kristallographischer Achsen enthält; einer Pumpquelle, die einen Pumpstrahl in der Weise erzeugt, daß die Absorptionskoeffizienten des Verstärkungsmediums entlang der beiden kristallographischen Achsen gleich sind oder das Verhältnis R=α_c/α_a oder R=α_a/α_c (R>1) der Absorptionskoeffizienten des Verstärkungsmediums in Abhängigkeit davon, welcher Absorptionskoeffizient bei der Absorptionswellenlänge der größte ist, um wenigstens den Faktor zwei reduziert ist im Vergleich zum Verhältnis der Absorptionskoeffizienten bei den Absorptionspeaks des Mediums, die bei konventionellem Pumpen vorliegen; wobei entweder mit unpolarisiertem oder teilweise polarisiertem Pumplicht bei einer Wellenlänge gepumpt wird, in deren Bereich die mittleren Absorptionskoeffizienten entlang beider kristallographischer Achsen gleich sind oder in einem Verhältnis vorliegen, welches um wenigstens den Faktor zwei im Vergleich zum Verhältnis der Absorptionskoeffizienten bei den Absorptionspeaks des Mediums reduziert ist, oder indem mit einer Kombination aus zwei Pumpquellen gepumpt wird, die Licht bei verschiedenen Wellenlängen und mit orthogonaler Polarisation aussenden, wobei jede der beiden Pumpquellen bei einer Wellenlänge emittiert, bei der die Absorptionskoeffizienten entlang ihrer jeweiligen kristallographischen Achsen gleich sind oder in einem Verhältnis vorliegen, das wenigstens um den Faktor zwei reduziert ist im Vergleich zum Verhältnis der Absorptionskoeffizienten bei den Absorpionspeaks des Mediums.
Laser-Oszilator oder – Verstärker nach Anspruch 1, bei welchem das Pumplicht von Laserdioden emittiert wird und in das Verstärkungsmedium mittels einer nicht polarisierenden Vorrichtung eingekoppelt wird.
Laser-Oszilator oder – Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Pumplicht von Laserdioden emittiert wird, deren Strahlen kombiniert werden.
Laser-Oszilator oder – Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Verstärkungsmedium ein Neodym-dotierter Vanadat (Nd:YVO₄) Kristall ist und die zentrale Pumpwellenlänge 819 ± 4 nm beträgt.
Laser-Oszilator oder – Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Verstärkungsmedium ein Neodym-dotierter Vanadat (Nd:YVO₄) Kristall ist und die zentrale Pumpwellenlänge bei 888 ± 4 nm liegt.
Laser-Oszilator oder – Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Verstärkungsmedium ein Neodym-dotierter Vanadat (Nd:YVO₄) Kristall ist, welcher eine Länge von mehr als 15 mm aufweist.
Laser-Oszilator oder – Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Verstärkungsmedium endgepumpt wird, i.e. die Pump- und Laserstrahlung durch den Kristall nahezu parallel wandern.
Verfahren zum Pumpen von Lasermaterialien mit polarisationsabhängiger Absorption entlang von zwei kristallographischen Achsen mit einem Pumpstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskoeffizienten des Verstärkungsmediums entlang der beiden kristallographischen Achsen gleich sind oder das Verhältnis R=α_c/α_a oder R=α_a/α_c (R>1) der Absorptionskoeffizienten des Verstärkungsmediums in Abhängigkeit davon, welcher Absorptionskoeffizient bei der Absorptionswellenlänge der größte ist, um wenigstens den Faktor zwei reduziert ist im Vergleich zum Verhältnis der Absorptionskoeffizienten bei den Absorptionspeaks des Mediums, die bei konventionellem Pumpen vorliegen; wobei entweder mit unpolarisiertem oder teilweise polarisiertem Pumplicht bei einer Wellenlänge gepumpt wird, in deren Bereich die mittleren Absorptionskoeffizienten entlang beider kristallographischer Achsen gleich sind oder in einem Verhältnis vorliegen, welches um wenigstens den Faktor zwei im Vergleich zum Verhältnis der Absorptionskoeffizienten bei den Absorpionspeaks des Mediums reduziert ist, oder indem mit einer Kombination aus zwei Pumpquellen gepumpt wird, die Licht bei verschiedenen Wellenlängen und mit orthogonaler Polarisation aussenden, wobei jede der beiden Pumpquellen bei einer Wellenlänge emittiert, bei der die Absorptionskoeffizienten entlang ihrer jeweiligen kristallographischen Achsen gleich sind oder in einem Verhältnis vorliegen, das wenigstens um den Faktor zwei reduziert ist im Vergleich zum Verhältnis der Absorptionskoeffizienten bei den Absorptionspeaks des Mediums.