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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Verstärkungsvorrichtung
und/oder eine optische Quelle.
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Es
sind Konfigurationen von Dioden gepumpten Festkörper-Plattenverstärkern bekannt,
wobei eine optische Strahlungsquelle auf einen Block aus Lasermaterial
gerichtet ist, um eine Verstärkung in
dem Lasermaterial zu erzeugen. Eine Solche Konfiguration. kann zur
Verstärkung
verwendet werden, oder, unter Hinzufügen einer resonanten Rückkopplung
zu dem Lasermaterial zur Erzeugung, um Lasing zu erzeugen, als eine
optische Quelle.
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Viele
Laseranwendungen erfordern eine verstärkte optische Ausgangsleistung,
oder würden
davon profitieren, diese Leistungsanpassung ist jedoch üblicherweise
bevorzugt mit der Aufrechterhaltung einer hohen räumlichen
Qualität
der Ausstrahlung und einem Betrieb mit hoher Effizienz verbunden.
Ein bekanntes Problem, das in diodengepumpten Festkörperlasern
auftritt, ist das Auftreten thermal induzierter Verzerrungen aufgrund
des Pumpmechanismus, die zu einer Verschlechterung der Strahlqualität führen.
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Es
wurden eine Vielzahl an Geometrien für das Laser-Pumpen entwickelt,
welche hauptsächlich auf
End-gepumpten und Seiten-gepumpten Konfigurationen basieren. End-Pumpen neigt dazu,
aufgrund von thermalen Linsenwirkungen und von Schwierigkeiten der
Dioden-Umgestaltung und -Zuleitung, wenn mehrere Dioden-Barren verwendet
werden in der Leistungs-Skalierbarkeit eingeschränkt zu sein. Währenddessen
zeigt das Seiten-Pumpen keine Einheitlichkeit der Pumpverteilung
und bei einer hochqualitativen Laser-Betriebsart eine ineffiziente Überlagerung.
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Das
US-Patent Nummer 5,315,612 (National Research Council of Canada)
zeigt einen Slablaser mit streifenden Einfall mit einer einzelnen
internen Reflexion von der Pump-Fläche einer Seiten-gepumpten
Laserplatte mit hoher Absorbtion für die Pumpstrahlung. Dies bietet
eine hohe Verstärkung mit
einem schmalen Einfallswinkel und einer beträchtlichen Mittelung des thermal
induzierten Brechungsindex und der Verstärkungs-Uneinheitlichkeit. Eine
Vorführung
dieser Anordnung zeigte einen Betrieb bei über 20 W durchschnittlicher
Leistung mit einem optischen Wirkungsgrad von über 60%. Die Räumliche
Strahlqualität
in der Auftreffebene ist jedoch im Allgemeinen bei den höheren Leistungen vermindert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optische Verstärkungseinrichtung
vorgesehen, welche im Betrieb seitlich gepumpt ist, um einen Verstärkungsbereich
vorzusehen, wobei die Einrichtung ein Wegbestimmungsmittel aufweist, um
einen Weg für
zu verstärkende
Strahlung durch den Verstärkungsbereich
festzulegen, wobei das Wegbestimmungsmittel so angeordnet ist, dass der
Weg zumindest zwei, räumlich
unterschiedliche, in einem streifenden Winkel einfallende Reflexionen in
dem Verstärkungsbereich
aufweist.
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Solch
ein Weg kann als ein Mehrfachdurchlauf-Weg durch die Verstärkungsregion
beschrieben werden, da die zu verstärkende optische Strahlung mehr
als einmal durch die Verstärkungsregion
durchläuft.
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„In einem
streifenden Winkel einfallend" kann
im Allgemeinen als bis zu etwa 10 Grad angenommen werden, obwohl
ein Vorteil immer noch gezogen werden könnte, wenn ein streifender
Winkel von bis zu 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 Grad
verwendet wird.
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Vorzugsweise
weist der Verstärkungsbereich mehr
als eine Verstärkungszone
auf und die Reflexionen treten in verschiedenen zugehörigen Verstärkungszonen
auf. Beispielsweise könnte
jede Verstärkungszone
des Verstärkungsbereichs
einfach ein verschiedener räumlicher
Bereich eines gemeinsamen Verstärkungsbereichs
sein, oder Verstärkungszonen
könnten
mit verschiedenen entsprechenden Pumpquellen vorgesehen sein.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
somit einen Durchgang eines optischen Strahls mit mehreren Durchläufen durch
einen Bounce-Verstärker
für streifenden
Lichteinfall vorsehen, wobei der Strahl bei jedem Durchgang in verschiedene
Teile des Verstärkungsbereiches
eintritt, was, wie herausgefunden wurde, zu verbesserten Eigenschaften
in der Strahlenqualität
führen
kann, speziell bei der Skalierbarkeit bei höherer Energie. Die Mehrfachdurchlauf-Konfiguration
kann als Verstärkungseinrichtung
für hohe
Verstärkung,
und unter Zugabe von geeigneten Rückkopplungen, wie etwa Kavitäts-Reflektoren,
als Laseroszillator wirken, um eine optische Quelle bereitzustellen.
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Ein
Plattenverstärker,
der typischer Weise in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet
werden könnte,
könnte
einen Kristall aufweisen, der an einer seiner Flächen mit einer Strahlungsquelle,
die von dem Kristall stark absorbiert ist, seitlich gepumpt ist,
wobei in einer schmalen Region innerhalb der Pumpfläche eine
Besetzungsinversion (um die Verstärkung eines Lasers in der bekannten
Weise zu unterstützen)
erzeugt wird. Bei jedem Durchlauf durch den Verstärkerkristall
erfährt
der Laserstrahl eine totale interne Reflektion an der Pumpfläche bei
einem streifenden Einfallswinkel. Mit jedem Durchlauf wird der Strahl
gelenkt, um von verschiedenen Bereichen der Pumpfläche zu reflektieren.
Die Mehrfachdurchlauf-Technik bietet die Gelegenheit für ein größeres Maß an Mittelung
von thermal induzierten Verzerrungen und Uneinheitlichkeit der Verstärkung, was
zu einer höheren
räumlichen
Strahlqualität
der verstärkten
Ausstrahlung führt.
Für spezielle
Pumpverteilungen kann der Mehrfachdurchlauf- Verstärker zu Verbesserungen in der
Effizienz und der Verstärkung des
Verstärkers
führen.
Insgesamt können
Ausführungsformen
der Erfindung einen verbesserten Betrieb bieten, indem sie eine
beinahe beugungsbegrenzte Strahlqualität aufrechterhalten.
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Vorzugsweise
ist die Verstärkungserzielung, die
mit jeder Reflexion unter streifenden Winkel in dem Verstärkungsbereich
verbunden ist, von vergleichbarer Größenordnung. Dies unterstützt einheitlichere
Verstärkungseigenschaften
in der Einrichtung.
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Dort
wo eine Rückkopplung
vorgesehen wurde, um den Mehrfachdurchlauf-Verstärker so zu konfigurieren, dass
er als ein Mehrfachdurchlauf-Laseroszillator wirkt, arbeitet der
Laseroszillator mit ähnlichen
Verbesserungen in Strahlqualität
und Effizienz wie der Verstärker.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Verstärkung
optischer Strahlung vorgesehen, welches Verfahren den Schritt aufweist,
die Strahlung durch einen seitlich gepumpten Bounce-Verstärker entlang
eines Pfades durchzuleiten, welcher vollständige, interne, in streifenden
Winkel einfallende Reflekion an zumindest zwei örtlich verschiedenen Stellen
einer seitlich gepumpten Fläche
des Verstärkers
bietet.
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Als
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wir nun, nur beispielhaft, ein Mehrfachdurchlauf-Bounce-Verstärker mit
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm des Bounce-Verstärkers zeigt, das den Fall mit
zwei Durchläufen
mit einer externen Rückkopplung
eines Strahls für
den zweiten Durchlauf darstellt;
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2 ein
schematisches Diagramm des Bounce-Verstärkers zeigt, das eine Erweiterung
auf drei, oder eine höhere
Anzahl an Durchläufen
darstellt;
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3 ein schematisches Diagramm einer Pumpfläche des
Bounce-Verstärkers
zeigt, das Beispiele verschiedener Anordnungen von Pumpbereichen
zeigt, auf die bei einem Mehrfachdurchlauf des Verstärkers zugegriffen
werden kann;
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4 ein
schematisches Diagramm des Bounce-Verstärkers zeigt, das den Fall mit
zwei Durchläufen
mit einer Rückkopplung
für den
zweiten Durchlauf, die durch eine Reflexion von einer Schnittoberfläche des
Verstärkers
vorgesehen ist, zeigt;
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5 ein
schematisches Diagramm des Zweifach-Durchlauf-Bounce-Verstärkers der 1 mit
Rückkopplungsspiegeln,
die einen linearen Laseroszillator bilden, zeigt;
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6 ein
schematisches Diagramm des Zweifach-Durchlauf-Bounce-Verstärkers der 1 mit
Rückkopplungsspiegeln,
die einen Ring-Laseroszillator bilden, zeigt; und
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7 ein
schematisches Diagramm des Zweifach-Durchlauf-Bounce-Verstärkers der 2 mit
Rückkopplungsspiegeln,
die einen linearen Laseroszillator bilden, zeigt.
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Bezugnehmend
auf die 1, ist eine Zweifach-Durchlauf-Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, um die Grundsätze des
Betriebs zu veranschaulichen.
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Der
Bounce-Verstärker
weist eine Lasermedium 1 auf, das als ein Einzelkristall
aus einem Festkörperlaser-Material,
wie etwa Nd:YVO4 gezüchtet wurde. Der Verstärker ist
bekannter Weise mit einer Strahlungsquelle (nicht gezeigt) Dioden
gepumpt, die auf eine ebene Fläche
des Kristalls gerichtet ist, die als Pumpfläche 2 bezeichnet wird.
Das Lasermedium 1 wird unter Verwendung eines bekannten
optischen Besetzungsinversions-Mechanismus in einer Quelle, insbesondere
einer Laserdiode, gepumpt. Das Material des Lasermediums sollte
eine hohe Absorption für
die optische Besetzungsinversionsquelle aufweisen. Dies bietet in
dem Kristall eine hohe Inversionsdichte innerhalb eines flachen,
an die Pumpfläche 2 angrenzenden
Bereichs.
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Für den Zweck
der Veranschaulichung kann dieser Inversions- oder Verstärkungsbereich
als in zwei Verstärkungsbereiche
G1 und G2 geteilt, betrachtet werden. Bei einem Durchlauf durch
das Lasermaterial fällt
ein Laserstrahl unter einem flachen Einfallswinkel θ1, bezogen auf die Pumpfläche 2, und in dem
Verstärkungsbereich
G1 zentriert ein, wo er eine totale interne Reflexion von der Pumpfläche und eine
Verstärkung
von dem Bereich G1 erfährt.
Eine externe Rückkopplung
wird beispielsweise von einem Paar Spiegeln M1 und M2 vorgesehen,
die den Strahl für
einen zweiten Durchlauf durch das Lasermedium in Richtung des Verstärkungsbereichs
G2 umlenken, wobei er eine Reflexion unter einem Winkel θ2, bezogen auf die Pumpfläche 2, und eine Verstärkung von
dem Bereich G2 erfährt.
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Die
Verstärkungsbereiche
G1 und G2 der 1 sind zum Zweck der Veranschaulichung
rechteckig und gleich groß dargestellt.
Die tatsächliche Verteilung
der Verstärkung
wird eine Form aufweisen, die von der Pumpverteilung abhängig ist.
Verschiedene Bereiche können
verschieden Abmessungen haben, die von den Abmessungen des Pumpstrahls
an der Pumpfläche
bestimmt wird.
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Der
Strahl, der gerade bei einem Durchlauf durch einen Verstärkungsbereich
verstärkt
wird, kann auch den Strahl, der gerade bei einem Durchlauf durch
einen angrenzenden Verstärkungsbereich
verstärkt
wird, teilweise überlappen.
Es ist jedoch eine bevorzugte Umsetzung, dass die Strahlen im Wesentlichen
voneinander getrennt sein sollten, obwohl eine teilweise Überlappung
an angrenzenden Seitenbereichen der Strahlen für die Strahlen notwendig sein
kann, um einen maßgeblichen
Anteil der gesamten Verstärkungsvereilung
zu entnehmen.
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Die
Größe des Strahls,
der durch jeden Verstärkungsbereich
durchtritt wird von einigen Faktoren abhängen, einschließlich der
Parameter des eingespeisten Strahls, der Brechung und thermal induzierter
Linsenwikungen und Abweichungen in dem gepumpten Lasermedium. Eine Gewisse
Kontrolle der Größen ist
durch eine geeignete Wahl des eingespeisten Strahls und der externen
Rückkopplungs-Reflektoren
M1 und M2 gegeben.
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Obwohl
die Verstärkungsbereiche
nicht gleich sein müssen,
ist es bevorzugt, dass die Verstärkungserzielung,
die bei jedem Durchlauf auftritt, eine vergleichbare Größenordnung
hat und dass, für einen
effizienten Betrieb, die gesamten entnommenen Bereiche von G1 und
G2, einen beträchtlichen Anteil
der tatsächlichen
Pumpleistung umfassen sollten.
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Bezug
nehmend auf die 2 können die funktionellen Grundsätze der 1,
unter Verwendung einer zusätzlichen
Rückkopplung,
die beispielsweise durch ein weiteres Paar Spiegel M5 und M6 erzielt
werden kann, auf einen dritten Durchlauf ausgeweitet werden. in
dem dritten Durchlauf wird der Strahl auf einen dritten Verstärkungsbereich
G3 gerichtet. Die Umsetzung mit drei Durchläufen kann selbstverständlich auch
im Prinzip stufenförmig
erweitert werden, um auf einen vierten Bereich G4 zuzugreifen, und
im Allgemeinen auf eine ganzzahlige Anzahl von Durchläufen, wodurch
auf eine größere Anzahl
an Verstärkungs-Unterbereiche
zugegriffen werden kann. Auf die Verstärkungsbereiche in einer Mehrfachdurchlauf-Verstärkung muss
nicht der Reihe nach (G1, G2, G3 ...) zugegriffen werden, sondern kann
in jeder geeigneten oder vorteilhaften Reihenfolge (z.B. G1, G3,
G2 ...) zugegriffen werden.
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Bezug
nehmend auf die 3 kann die Mehrfachdurchlaufs-Technik
ausgeweitet werden, um auf die Verstärkung von einer komplexeren
Anordnung von Verstärkungsbereichen
zuzugreifen, die von einer komplexeren Pump-Verteilung gebildet sein
könnte. 3 veranschaulicht Beispiele von Verteilungen,
wie sie auf der Pumpfläche 2 eines
Lasermediums gesehen werden. 3A zeigt
eine Zweifach-Durchlauf-Verstärkerkonfiguration
mit zwei Verstärkungsbereichen
G1 und G2, die eine einfache Pumpverteilung 3 umfassen. 3B zeigt
eine komplexere (gekrümmte)
Pumpverteilung 3, die aufgrund von Fehlerstellen in der
Qualität
eines Diodenlaserbarrens erzeugt werden könnten. In diesem Beispiel sind
drei Verstärkungsbereiche
G1, G2 und G3 ausgewählt,
um eine wirksame Überlappung
von einem Laserstrahl hoher räumlicher
Qualität
vorzusehen.
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Das
in der 3B gezeigte Beispiel bietet
einen Einblick in die Vorteile eines Mehrfachdurchlauf-Verstärkers über eine
Umsetzung mit einfachem Durchlauf. Der Versuch einen Strahl großer Abmessung,
der den gesamten Verstärkungsbereich
abdeckt, mit einem einzigen Abprallen zu verstärken, führt zu einer Verringerung der
Strahlqualität
des verstärkten
Strahls, aufgrund der schlechten räumlichen Überlappung eines Gauß'schen Laserbetriebsart
hoher Qualität
mit der Verstärkungsverteilung
und Uneinheitlichkeit aufgrund von thermal induzierten Änderungen
des Brechungsindex, die zu Phasenabweichungen führen. In dem Mehrfachdurchlauf-Verstärker von
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann ein Strahl hoher Qualität in kleinern
Bereichen verstärkt
werden, mit einer einheitlicheren Verstärkung und geringern Phasenveränderungen.
Darüber
hinaus können,
durch eine geeignete Einstellung der Rückkopplung, die Bereiche optimiert
werden, um ein gewisses Maß an
Mittelung der Verstärkung
und der Phasenveränderungen
zwischen jedem Bereich zu ermöglichen.
Die höhere
Qualität
der Überlappung
mit dem Mehrfachdurchlauf-Strahl kann auch eine verbesserte Effizienz
des Verstärkers
ergeben.
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3C zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem die Verstärkungsverteilung in zwei getrennten
Bereichen 3 angeordnet ist, wie dies durch Pumpen mit zwei
Diodenlaser-Barren bereitgestellt werden kann, und bei dem auf die
Verstärkungsverteilung
durch zweifaches Abprallen in den Bereichen G1 und G2 zugegriffen
wird.
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3D zeigt
die zwei getrennten Bereiche der 3C, wobei
auf jeden einzeln durch eine Strahlfortpflanzung im Mehrfachdurchlauf
in mehreren Verstärkungs-Unterbereichen
G1-G8 zugegriffen wird.
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Bezug
nehmend auf die 4, ist in einer alternativen
Ausführungsform
des Zweifachdurchlauf-Verstärkers
die Rückkopplung
für den
zweiten Durchlauf von einer Reflexion von einer reflektierenden
Oberfläche 4 des
Lasermediums vorgesehen. Diese Oberfläche 4 kann für ein hohes
Reflexionsvermögen
speziell beschichtet sein, und kann, zusammen mit der Auswahl des
Winkels des einfallenden Strahls, in einem geeigneten Winkel geschnitten sein,
um Abprallen an den geeigneten Bereichen der Pumpfläche 2 vorzusehen.
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Bezug
nehmend auf die 5, 6 und 7 ist
es möglich,
den oben mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebenen
Mehrfachdurchlauf-Verstärker,
in einen Mehrfachdurchlauf-Laseroszillator,
und somit in eine optische Quelle, zu verwandeln.
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5 zeigt
die Einbindung von zwei Spiegeln M3, M4 außerhalb des Lasermediums 1,
um eine lineare Laser-Resonanzkammer für die Ausführung des Zweifachdurchlauf-Verstärkers der 1 zu
bilden. Eine ähnliche
Ausführung
(nicht gezeigt) kann eingebaut werden, um das Verstärkersystem der 4 in
einen Laseroszillator umzuwandeln. 6 zeigt
die Einbindung der Spiegel M3 und M4, um einen Ring-Laseroszillator
zu bilden. Die Ausgabe von diesem Laser könnte über jeden der Spiegel M1 bis
M4 geschehen, indem einer von ihnen teilweise durchlässig hergestellt
ist. Der Laser kann in beide Ringrichtungen oszillieren. Die Einbindung
eines Faraday-Isolators in den Ring kann, in bekannter Weise, eine
Ring-Oszillation in einer Richtung erzwingen. 7 zeigt
die Einbindung von Reflektoren M3, M4, um aus einem Dreifachdurchlauf-Verstärkersystem
einen Laseroszillator zu bilden. Eine Erweiterung auf Laseroszillatoren
mit Konfigurationen für
einen höheren
Durchlauf ist leicht einzubauen.
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Die
Laserbetriebsart bei dem Mehrfachdurchlauf-Laseroszillator erfährt die
gleichen Vorteile wie der Mehrfachdurchlauf-Verstärker, einschließlich der
verbesserten Modusüberlappung
mit der Verstärkungsverteilung
und Verbesserungen in der räumlichen
Qualität
der Verstärkung
aufgrund der verbesserten Mittelung der Verstärkung und der Phasenabweichung über der
Verstärkungsverteilung.
Der Mehrfachdurchlauf-Verstärker
zeigt einen kleineren wirksamen Bereich für die Auswahl der fundamentalen
Betriebsart der Resonanzkammern.
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Eine
weitere Anwendung der Erfindung ist es, einen Verstärkungsbereich
zu nutzen, um einen Mehrfachdurchlauf-Laseroszillator zu bilden,
und einen getrennten Bereich zu nutzen, der einen zusätzlichen
Einzel- oder Mehrfachdurchlass-Verstärkungsbereich darstellt.
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In
einem Beispiel einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die oben mit Bezug auf die 5 beschrieben
wurde, weist das Lasermedium 1 in einem Laseroszillator,
der auf einem Doppeldurchlauf-Bounce-Verstärker basiert, eine Nd:YVO4-Platte auf,
die von einem Diodenbarren mit einer Wellenlänge von 808 nm gepumpt wird.
Die Gesamtlänge
des Verstärkungsbereichs
G1, G2 an der Pumpfläche 2 beträgt in der
Abprallebene etwa 14 mm.
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Für die zwei
Durchläufe
werden Abprallwinkel θ1, θ2 von etwa 7,5 Grad und 5 Grad verwendet. Bei
jedem der beiden Abpralle wurde der Verstärkungsbereich in zwei annähernd gleiche
Hälften
(G1 und G2) ausgewählt.
Ein Laserresonator wurde gebildet, wobei der Ausstoß von einem
teilweise reflektierendem Spiegel M3 genommen wurde. Wenn er mit
57 Watt Diodenleistung gepumpt wurde, hatte der Laseroszillator
eine Ausgangsleistung von 26 Watt. Der Ausstoß betrug räumlich TEM00, mit einem Strahlenqualitäts-Parameter
M2 von 1,2 in der Abprallebene und 1,05
in der Normalebene.