DE69713863T2 - Vanadatlaser für lange Pulse - Google Patents

Vanadatlaser für lange Pulse

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf diodengepumpte Festkörperlaser, insbesondere auf diodengepumpte Festkörperlaser, die lange Pulse bei hohen Repititionsraten mit hoher Stabilität gewährleisten.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diodengepumpte Nd:YVO&sub4;-Laser sind in Anwendungen verwendet worden, die Kurzimpulse (< 20 nsec) bei hohen Repititions- bzw. Wiederholraten (> 10 kHz) erfordern. Siehe beispielsweise M. S. Keirstead, T. M. Baer, S. B. Hutchison, J. Hobbs "High repetition rate, diodebarpumped, Q-switched Nd:YVO&sub4;-laser" in Conference on Lasers and Electro-Optics, 1993, Band 11, OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, D. C., 1993), Seite 642, und S. B. Hutchison, T. M. Baer, K. Cox, P. Gooding, D. Head, J. Hobbs, M. Keirstead und G. Kintz, Diode Pumping of Average-Power Solid State Lasers, Proc. SPIE 1865, 61 (1993). Diese Berichte beschreiben den Betrieb von Nd:YVO&sub4;-Lasern in einer Art und Weise, die kurze Pulse mit hohen Wiederholraten gewährleistet, wie bei W. L. Nighan, Jr., Mark S. Keirstead, Alan B. Petersen und Jan-Willem Pieterse "Harmonic generation at high repetition rate with Q-switched Nd:YVO&sub4;-Lasern" in SPIE 2380-24, 1995, wo die Überzeugung von Pulsen in Güteschaltung mit einem von den Enden bzw. Stirnseiten her gepumpten, akustooptischer Laser in Güteschaltung offenbart wird.
  • Gemäß Nighan et al wurden Pulszeiten von 7-20 nsec für Wiederholraten von 10-80 kHz bei einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von ungefähr ~4 W in einem TEM&sub0;&sub0;-Mode erzeugt. Die Pumpquelle war ein fasergekoppelter Diodenstab (Barrendiode), wie er in den US-Patenten 5,127,068 und 5,436,990 offenbart ist. Das stirnseitige Pumpen von Nd:YVO&sub4; mit einer Pumpquelle wie diesem fasergekoppelten Stab ermöglicht die Erzeugung einer sehr hohen Verstärkung eines kleinen Signales, da dieses Material einen Querschnitt für die stimulierte Emission hat, der wesentlich größer ist als der von Nd:YLF oder Nd:YAG. Dies ist zweckmäßig für das Aufbauen eines diodengepumpten Lasers mit einem niedrigen Laseroszillationsschwellwert und ist außerdem zweckmäßig für das Aufbauen eines Lasers, der kurze Pulse mit hohen Wiederholraten liefert. Die kurze Lebensdauer des oberen Zustandes in diesem Material ( ~100 usec) erlaubt nicht eine so große Energiespeicherung, wie sie bei Nd:YLF möglich ist (500 usec) oder bei Nd:YAG (200 usec), was den Betrag an Impulsenergie begrenzt, die mit Wiederholraten unter 10 kHz erzeugt wird. Beispielsweise kann ein Nd:YVO&sub4;-Laser, der mit 10 W gepumpt wird, bei Niedrigwiederholraten 200 uJ bereitstellen, während ein YLF-Laser (der von Spectra- Physics Lasers als "TFR" bezeichnet wird, wie er von T. M. Baer, D. F. Head, P. Gooding, G. J. Kintz, S. B. Hutchison in "Performance of Diode-Pumped Nd:YAG and Nd:YLF in a Tightly Folded Resonator Configuration", IEEE J. Quantum Electron, Band QE-28, Seiten 1131-1138, 1992 beschrieben wurde) ~800 uJ liefern kann.
  • Während kurze (< 20 nsec) energiereiche Pulse typischerweise für viele Anwendungen erwünscht sind, insbesondere bei hohen Wiederholraten, gibt es einige Anwendungen, die lange Pulse in Güteschaltung erfordern, wie z. B. Pulse in der Größenordnung von 50 nsec. Im Stand der Technik ist das Material Nd:YVO&sub4; nicht auf den Betrieb mit langen Pulsen bei hohen Wiederholgeschwindigkeiten verwendet worden, da es typischerweise gut geeignet ist für die Erzeugung kurzer Pulse. Es ist wohlbekannt, daß ein CW-gepumpter Laser mit wiederholter Güteschaltung zunehmend längere Pulse liefert, wenn die Wiederholrate des Lasers immer weiter erhöht wird. Dies wird beschrieben in "Lasers" von Siegmann in Kapitel 26. Der Grund für diesen Effekt ist einfach. Wenn die Wiederholrate erhöht wird (mit Raten, die höher als der Kehrwert der Lebensdauer des oberen Zustandes sind), so nimmt der maximale Betrag der in dem Verstärkermedium zwischen den Pulsen in Güteschaltung gespeicherten Energie ab; diese gespeicherte Energie ist proportional zur Dichte von Ionen in dem oberen Zustand unmittelbar vor der Güteschaltung. Dieses bedeutet, daß die Verstärkung eines kleinen Signals vermindert wird, da die Verstärkung für ein kleines Signal von der Dichte von Ionen abhängt, die sich noch im oberen Zustand befinden. Wenn die Verstärkung für das kleine Signal reduziert wird, wie es durch Erhöhen der Wiederholrate geschieht, so baut sich der gütegeschaltete Laserpuls nicht so schnell in der Laserkavität auf, wie es bei einer langsameren Wiederholungsrate der Fall wäre. Daher wird der Puls länger.
  • Eine Anzahl diodengepumpter Nd:YLF-Laser, die als die R-Serie von Spectra-Physics erhältlich sind, liefert Pulse von < 10 nsec Dauer (kurz) bei 1 kHz (geringe Wiederholrate). Wenn die Wiederholrate auf über 10 kHz erhöht wird (hohe Wiederholrate), so können Pulsdauern i der Größenordnung von 50 nsec (lang) erreicht werden. Auch wenn typischerweise kurze Impulse wünschenswert sind, können lange Pulse (beispielsweise > 20 nsec) für gewisse Anwendungen zweckmäßig sein, insbesondere mit einer hohen Wiederholrate. Die Stabilität von Puls zu Puls bei einem Nd:YLF-Laser mit hoher Wiederholgeschwindigkeit kann jedoch schlecht sein. Beispielsweise können die Fluktuationen von Peak zu Peak für einen Nd:YLF-Laser bei Wiederholraten von mehr als 10 kHz leicht 50% betragen, was einem RMS-Rauschen von ~8% entsprechen kann und was für einige Anwendungen zu verrauscht ist. Diese Zunahme in der Instabilität ist üblich für einen Laser, dessen Wiederholrate gesteigert worden ist; da weniger Energie gespeichert wird, liegt die Laseroszillation mit jeder Steigerung der Wiederholrate näher am Schwellwert und ist damit verrauschter. Für Anwendungen, die eine höhere Stabilität mit hoher Wiederholrate erfordern, jedoch längere Impulse benötigen, besteht ein Problem in der direkten Anwendung eines Lasers mit niedriger Wiederholrate, der mit höheren Wiederholraten arbeitet; die Stabilität nimmt ab. Einige Anwendungen erfordern eine hohe Stabilität, lange Pulse und hohe Wiederholraten. Ein wichtiger Bereich, der durch den Stand der Technik nicht abgedeckt wird, ist eine Wiederholrate von mehr als 25 kHz, eine Pulsdauer von mehr als 35 nsec und eine RMS-Stabilität von weniger als 5%.
  • In "A new laser texturing technique for high performance magnetic disk drives" von Baumgart et al (IEEE Transactions on Magnetics, Band 31, no. 6, Nov. 1995) wird offenbart, daß ein Nd:YLF-Laser mit 50 nsec Pulsen verwendet wird, um eine in hohem Maße wünschenswerte Textur auf einer Magnetscheibe bereitzustellen, wie z. B. einer Scheibe, die in der Festplatte eines Computers verwendet wird. Die Zitate und Patente, die in dem Baumgart-Paper aufgelistet sind, werden hier durch die Bezugnahme aufgenommen. Sie listen eine Vielfalt von Stand der Technik zur Lasertexturierung auf. Das Baumgart-paper zeigt, daß eine leichte Veränderung in der Pulsenergie die Form der "Erhebung", den ein einzelner Laserpuls auf der Festplatte hinterläßt, verändern kann. Mehrere Erhebungen verbleiben typischerweise auf der Scheibe, wie Baumgart es beschreibt. In einigen Fällen steht ein Variationsbereich, der akzeptable ist, wie es von Baumgart offenbart wurde. Aus diesem Grunde besteht eine Grenze in den Variationen von Puls zu Puls eines Lasers, die akzeptabel ist. Außerdem erlaubt, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist, eine hohe Wiederholgeschwindigkeit, daß die erforderliche Zeit für das Vollenden einer Lasertexturbehandlung kürzer wird.
  • Es besteht ein Bedarf an einem gütegeschalteten Laser mit langen Pulsen, welcher Pulse mit hoher Stabilität und hoher Wiederholrate liefert. Es besteht auch ein Bedarf an einem Laser mit einem harmonisch konvertierten Ausgangswert mit hoher Stabilität.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein diodengepumpter Festkörperlaser bereitgestellt, der gütegeschaltete Pulse von mehr als 35 nsec bei Wiederholraten von über 25 kHz und mit einem RMS-Rauschen des gepulsten Ausgangswertes von weniger als 5% liefert, wobei der Festkörperlaser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium beinhaltet.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit zum Vorsehen einer Textur auf der Oberfläche einer Festplatte für ein Festplattenlaufwerk eines Computers, wobei die Vorrichtung einen diodengepumpten Festkörperlaser aufweist, der gütegeschaltete Pulse von mehr als 35 nsec bei Wiederholraten von mehr als 25 kHz und mit einem RMS-Rauschen des gepulsten Ausgangswertes von weniger als 5% liefert, wobei der Festkörperlaser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium beinhaltet.
  • In vorteilhafter Weise kann der diodengepumpte Festkörperlaser lange, gütegeschaltete Pulse mit hoher Wiederholrate bei hoher Stabilität liefern. Zusätzlich kann der diodengepumpte Festkörperlaser lange, gütegeschaltete Pulse bei hoher Wiederholrate mit hoher Stabilität liefern, wobei der Festkörperlaser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium beinhaltet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der diodengepumpte Festkörperlaser gütegeschaltete Pulse von mehr als 35 nsec bei Wiederholraten von mehr als 25 kHz und mit einem RMS-Rauschen der gepulsten Ausgangsgröße von weniger als 5% liefern kann.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der diodengepumpte Festkörperlaser gütegeschaltete Pulse von mehr als 35 nsec Länge, bei Wiederholraten von mehr als 25 kHz und mit einem RMS-Rauschen des gepulsten Ausgangswertes von weniger als 5% liefern kann, wobei der Festkörperlaser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium beinhaltet.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der diodengepumpte Festkörperlaser lange, gütegeschaltete Pulse bei hoher Wiederholgeschwindigkeit mit hoher Stabilität liefern kann, wobei der Festkörperlaser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium aufweist, mit einem harmonischen Generator, der in dem Laser enthalten ist, um die Ausgangsgröße des Lasers harmonisch zu konvertieren.
  • Der diodengepumpte Festkörperlaser kann außerdem lange, gütegeschaltete Pulse bei hoher Wiederholgeschwindigkeit mit hoher Stabilität liefern, wobei der Festkörperlaser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium aufweist, wobei dieser Festkörperlaser für eine Lasertexturierung angewendet wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Laser einen Resonator mit zumindest zwei Spiegeln.
  • In einer Ausführungsform ist die Laserresonatorkonfiguration relativ symmetrisch, wobei der Laserkristall nahezu am Zentrum des Laserresonators angeordnet ist.
  • In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist Nd:YVO&sub4; in einem hochstabilen (< 5% RMS) diodengepumpten Festkörperlaser mit langen Pulsen (> 35 nsec) und einer hohen Wiederholrate (> 25 kHz) enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform liefert er mehr als 1 W an durchschnittlicher Ausgangsleistung.
    • GENAUE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Fig. 1 ist ein Diagramm eines gütegeschalteten, diodengepumpten Nd:YVWO&sub4;- Festkörperlasers, der lange Pulse (> 35 nsec) bei hoher Stabilität (< 5% RMS) und hohen Wiederholraten (> 25 kHz) liefert. In einigen Ausführungsformen liefert er über 1 W Durchschnittsleistung.
  • Fig. 2 ist eine Darstellung der Ausgangspulsdauer als Funktion der Wiederholrate und der durchschnittlichen Ausgangsleistung als eine Funktion der Wiederholrate. Die Pumpleistung betrug 5 W.
    • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Fig. 1 zeigt einen diodengepumpten Nd:YVO&sub4;-Laser, der lange Pulse (> 35 nsec) liefert, hochstabil ist (< 5% RMS) von Puls zu Puls, und zwar selbst bei hohen Wiederholraten (> 25 kHz). In einer bevorzugten Ausführungsform liefert er mehr als 1 W an durchschnittlicher Ausgangsleistung. In einer bevorzugten Ausführungsform liefert er Pulse einer Dauer von etwa 70 nsec bei Wiederholraten von etwa 70 kHz.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, weist der Laser einen Ausgangskoppler 1 auf (die typische Reflektanz beträgt 95% bei der fundamentalen Wellenlänge von 1,064 um), mit einem Krümmungsradius von typischerweise 2 m bis Unendlich. Alle optischen Bauelemente sind erhältlich von Spectra-Physics Laser Components and Accessories Group in Oroville, CA.
  • Der Laser beinhaltet auch einen Strahlpfad 3, der in seiner Länge bezüglich des Ausgangskopplers 1 optimiert ist, um eine angemessene Lebensdauer der Kavität bereitzustellen, um einen langen Puls zu liefern. Eine bevorzugte Ausführungsform hat eine Länge von 18 cm. Beispiele anderer Ausführungsformen des Strahlpfades 3, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in den US-Patenten No. 5,412,681 und 5,651,020 offenbart.
  • Der Laser weist auch einen Faltungsspiegel 5 auf, der bei der Wellenlänge von 1,064 um hoch reflektiv ist (R > 99,5%) und bei der Diodenpump-Wellenlänge in hohem Maße durchlässig ist (T > 90%). Dies ist eine flache bzw. ebene Optik.
  • Der Laser umfaßt auch einen Nd:YVO&sub4;-Laserkristall 7, der bei Litton Airtron in Charlotte North Carolina, erhältlich ist, und zwar mit Maßen von näherungsweise 4·4·4 mm³ und einer Dotierung von etwa 0,7%. Der Laserkristall kann ausgestaltet werden, wie es in den US- Patenten mit den Nummern 5,412,683, 5,561,547 und 5,577,060, beschrieben ist.
  • Der Laser umfaßt auch einen akustooptischen Güteschalter 9, der aus SF10-Glas oder irgendeinem anderen Glas, wie geschmolzenes Siliciumoxid, hergestellt ist, um einen angemessenen Verlust für die Güteschaltung bereitzustellen. Ein Verkäufer für diese Einrichtungen ist NEOS in Melbourne, Florida.
  • Der Laser umfaßt auch einen Endspiegel 11, der bei 1,064 um hoch reflektiv ist und einen Krümmungsradius von 2 m bis Unendlich hat.
  • Der Laser umfaßt weiterhin einen Güteschaltungstreiber 13, der RF der geeigneten Frequenz für den akustooptischen Güteschalter liefert, wie z. B. 80 MHz, mit der geeingeten Leistung, wie z. B. 2-4 W, um einen kontrollierbaren Verlust für die Güteschaltung der Kavität bereitzustellen.
  • Der Laser umfaßt weiterhin eine Abbildungsoptik 21, um das Licht von einer Diodenpumpquelle in den Laserkristall zu schalten bzw. umzuleiten. Diese einfachen Linsen sind von Melles Griot, Irvine, CA, oder aus vielen anderen Quellen erhältlich. Eine typische Pumpfleckgröße ist 0,5 bis 0,6 mm in dem Laserkristall.
  • Der Laser umfaßt auch ein Faserbündel 23, um Diodenlicht in die Abbildungsoptik 21 einzuleiten. Ein Verkäufer für diese Bündel ist Spectra-Physics Laser Components and Accessories Group in Oroville, CA.
  • Der Laser kann auch einen optionalen Aperturstopp 25 aufweisen, mit einer geeigneten Größe, um einen TEM&sub0;&sub0;-Betrieb sicherzustellen. Der Laser umfaßt weiterhin eine Diode 15, um Pumplicht für den Festkörperlaser bereitzustellen. Eine übliche Einrichtung ist ein OPC-B020- 7808-CS, erhältlich von der OptoPower Corporation, Tucson, AZ. Sechs bis acht Watt von der Diode sind typisch, wobei in dem Bündel 5 bis 6 vorliegen.
  • Der Laser umfaßt weiterhin eine Stromversorgung 17, die elektrische Energie für die Diode bereitstellt und die Diodentemperatur aufrecht erhält. Der Treiber 13 für die Güteschaltung ist typischerweise auch in der Stromversorgung 17 aufgenommen.
  • Der Laser umfaßt weiterhin einen Ausgangsstrahl 19, der typischerweise oberhalb von 1 W in der durchschnittlichen Leistung liegt, mit hoch stabilen, langen, gütegeschalteten Pulsen.
  • Die Kombination von diodengepumpten Nd:YVO&sub4; in einer Kavität geeigneter Länge und Kavitätslebensdauer führt zu langen Pulsen (> 35 nsec und > 50 nsec in einer bevorzugten Ausführungsform), einer hohen Wiederholrate (> 25 kHz, wobei > 50 kHz bevorzugt ist) und einer hohen Stabilität (< 5% RMS). Die hohe Verstärkung und die kurze Lebensdauer von Nd:YVO&sub4; kombiniert sich mit der Kavitätlebensdauer, um diese einzigartige Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Dieses Verstärkungsmaterial ist im Stand der Technik niemals verwendet worden, um derart lange Pulse bei solch hoher Stabilität bereitzustellen. Diese Leistungsfähigkeit ist in einigen Anwendungen erforderlich. Der Stand der Technik bezüglich dieses Materials beschreibt nur die Erzeugung kurzer Pulse (20 nsec), selbst bei Wiederholraten von bis zu 80 kHz. Ein Beispiel einer Anwendung, welche längere Pulse erfordert, ist die magnetische Texturierung von Festplatten.
  • Fig. 2 zeigt die Leistungsfähigkeit des Lasers nach Fig. 1. Pulse einer Dauer von in etwa 70 nsec wurden bei näherungsweise 70 kHz in einem hoch stabilen Strahl erhalten. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Laserausgangsgröße TEM&sub0;&sub0;, was die Fokussierbarkeit verbessert.
  • Änderungen und Modifikationen an den speziell beschriebenen Ausführungsformen können ausgeführt werden, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der nur durch den Schutzumfang der anhängigen Ansprüche begrenzt werden soll.

Claims (10)

1. Diodengepumpter Festkörperlaser, der gütegeschaltete Impulse einer Länge von mehr als 35 nsec mit Wiederholraten von mehr als 25 kHz liefert, und mit einem RMS-Rauschen der gepulsten Ausgangsgröße von weniger als 5%, wobei der Laser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium aufweist.
2. Laser nach Anspruch 1, wobei die gütegeschalteten Impulse länger als 50 nsec sind und die Wiederholraten höher als 50 kHz sind.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gütegeschalteten Impulse näherungsweise 70 nsec lang sind und die Wiederholraten näherungsweise 70 kHz betragen.
4. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Laser einen Aperturstop (25) aufweist und die gepulste Ausgangsgröße die TEM&sub0;&sub0; ist.
5. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher einen Resonator mit zumindest zwei Spiegeln aufweist.
6. Laser nach Anspruch 5, wobei der Resonator 18 cm lang ist.
7. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher einen akustooptischen Güteschalter (9) aufweist.
8. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Generator für Harmonische, um die Ausgangsgröße des Lasers harmonisch zu konvertieren.
9. Vorrichtung zum Bereitstellen einer Oberflächentextur einer Festplatte für einen Computer, wobei die Vorrichtung einen Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
10. Vorrichtung zum Bereitstellen einer Oberflächentextur einer Festplatte für ein Computerfestplattenlaufwerk, wobei die Vorrichtung einen diodengepumpten Festkörperlaser aufweist, der Güteschaltungsimpulse von mehr als 35 nsec Länge mit Wiederholraten von mehr als 25 kHz bereitstellt, sowie mit einem RMS-Rauschen der gepulsten Ausgangsgröße von weniger als 5%, wobei der Festkörperlaser Nd:YVO&sub4; als das Verstärkungsmedium aufweist.
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