DE69737119T2

DE69737119T2 - Laserdiodengepumpter Festkörper Verstärker und Laser

Info

Publication number: DE69737119T2
Application number: DE69737119T
Authority: DE
Inventors: Shuichi Chiyoda Fujikawa; Tetsuo Chiyoda Kojima
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2017-10-18
Also published as: EP0867988A2; EP0867988A3; DE69737119D1; US7796670B1; JPH10275952A; EP0867988B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker, der einen Diodenlaser als Pumpquelle verwendet, sowie auf einen mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörperlaser.
2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
17 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Konstruktion eines Pumpmoduls, das bei einem herkömmlichen mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker verwendet wird, wie dieser beispielsweise in der Veröffentlichung "Festkörper-Lasertechnik" (Springer-Verlag, Seite 248) beschrieben ist. In der Zeichnung sind zwei Diodenlaseranordnungen 3 an einer Flanke eines Kühlkörpers 5 angebracht, der in der Art eines dreieckigen Prismas ausgebildet ist, wobei lichtemittierende Bereiche 4 von diesen in 17 nach links gerichtet sind.
Eine zylindrische Linse 34 zum Konvergieren von Pumplichtstrahlen, die von den Diodenlaseranordnungen 3 stammen, ist an den Spitzen der lichtemittierenden Bereiche 4 angebracht. Eine elektrische Kühleinrichtung 301 zum Einstellen der Temperatur des Kühlkörpers 5 ist an dem Boden des Kühlkörpers 5 auf der gegenüberliegenden Seite angebracht. Ein Wärmetauscher 302 zum Abführen von Wärme von den Diodenlaseranordnungen 3 über den Kühlkörper 5 und die elektrische Kühleinrichtung 301 ist an der elektrischen Kühleinrichtung 301 angebracht.
Kühlwasser zirkuliert durch den Wärmetauscher 302, so daß der Wärmetauscher Wärme über den Kühlkörper 5 mit den Diodenlaseranordnungen 3 austauscht. Da die elektrische Kühleinrichtung 301 zwischen dem Wärmetauscher 302 und dem Kühlkörper 5 angeordnet ist, kann nach der Kühlung des Kühlkörpers 5 unter Verwendung der elektrischen Kühleinrichtung 301 die Temperatur der Diodenlaseranordnungen 3 rasch eingestellt werden, ohne daß es irgendeiner Änderung bei der Temperatur des durch den Wärmetauscher 302 zu zirkulierenden Kühlwassers bedarf.
Die beiden Diodenlaseranordnungen 3 sind mit einer Ausrichtung in der gleichen Richtung an dem Kühlkörper 5 angebracht. Die zylindrische Linse 34 ist an den Stirnseiten der lichtemittierenden Bereiche 4 der Diodenlaseranordnungen 3 angebracht. Pumplichtstrahlen, die von den lichtemittierenden Bereichen 4 austreten, werden somit durch die zylindrische Linse 34 konvergiert. Ferner ist die elektrische Kühleinrichtung 301 zwischen dem Kühlkörper 5 und dem Wärmetauscher 302 angeordnet, so daß die Wellenlänge der von den Diodenlaseranordnungen 3 austretenden Pumplichtstrahlen durch Einstellen der Temperatur des Kühlkörpers 5 unter Verwendung der elektrischen Kühleinrichtung 301 eingestellt werden kann. Die Komponenten aus dem Kühlkörper 5, den Diodenlaseranordnungen 3, der zylindrischen Linse 34, der elektrischen Kühleinrichtung 301 sowie dem Wärmetauscher 302 bilden ein Pumpmodul 90.
18 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines Zustands, in dem die Pumpmodule 90, die jeweils die in 17 dargestellten Komponenten aufweisen, zusammen mit einem Festkörper-Laserstab 1 und einem Strömungsrohr 2 an einer Trägerplatte 303 angebracht sind. Bei dieser Konstruktion ist ein Festkörper-Laserstab 1 von vier Pumpmodulen 90 umgeben. Jedes Pumpmodul 90 ist mit der Stirnfläche seines Kühlkörpers 5 an der Trägerplatte 303 angebracht und somit mit einem Ende abgestützt. Die lichtemittierenden Bereiche der an den vier Pumpmodulen 90 angebrachten Diodenlaseranordnungen 3 sind in Richtung auf den axialen Kern des Festkörper-Laserstabes 1 gerichtet.
Von den lichtemittierenden Bereichen 4 austretende Pumplichtstrahlen werden von den zylindrischen Linsen 34 jeweils derart beeinflußt, daß sich ein Kondensationspunkt auf dem axialen Kern des Festkörper-Laserstabes 1 befindet. Der Festkörper-Laserstab 1 ist von dem Strömungsrohr 2 umgeben. Ein Kühlmedium strömt durch einen zwischen dem Festkörper-Laserstab 1 und dem Strömungsrohr 2 gebildeten Raum, so daß der Festkörper-Laserstab 1 gekühlt wird.
Bei einer Vorrichtung zum Pumpen des Festkörper-Laserstabes 1 unter Verwendung von Pumplicht sowie unter Verstärkung von Licht, das durch den Festkörper-Laserstab 1 hindurchgeht, kommt es im allgemeinen, wenn die Verteilung der Wärmeabfüh rungsniveaus in einem Bereich des Laserstabes inhomogen wird, zu einem Bifokalphänomen oder einem Phänomen, bei dem die Brennweite des Laserstabes von einer lokalen Stelle zu einer anderen lokalen Stelle an einem Bereich des Laserstabes unterschiedlich wird, während der Festkörper-Laserstab 1 einen Linseneffekt aufgrund der Wärmeabführung ausübt.
Wenn das Bifokalphänomen auftritt, wird es unmöglich, den Linseneffekt des Festkörper-Laserstabes 1 unter Verwendung eines normalen optischen Elements, wie zum Beispiel eines sphärischen Spiegels, einer konvexen Linse oder einer konkaven Linse, ausreichend zu korrigieren. Dies führt zu einem Problem dahingehend, daß die Verstärkungsleistung eines Laserstrahls mit hoher Qualität beeinträchtigt wird und die Stabilität geringer wird.
Bei dem herkömmlichen, mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker, der die vorstehend beschriebenen Komponenten aufweist und einen Diodenlaser als Pumpquelle verwendet, wird im Gegensatz zu einem Laserverstärker, der eine Lichtbogenlampe als Pumpquelle verwendet, bisher keine besondere Sorgfalt auf die gleichmäßige Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Laserstabes verwendet.
Die JP-A-06-350 172 offenbart einen Festkörper-Laserverstärker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sucht die vorstehend geschilderten Probleme zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers, der einen Diodenlaser als Pumpquelle verwendet und der in der Lage ist, die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich eines Festkörper-Laserstabes homogen zu machen und bei dem kein Bifokalphänomen entsteht; weiterhin besteht ein Ziel der Erfindung in der Schaffung eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörperlasers, der einen solchen Verstärker verwendet.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 9 definiert. Verschiedene Ausführungsformen sind durch die Unteransprüche definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Frontansicht eines Pumpmoduls, das in einem mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist;
2 eine Schnittdarstellung des mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers der vorliegenden Erfindung;
3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Intensität des Laserstrahls und einem Betrag der abgeführten Wärme;
4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Verteilung der Strahlintensitäten im niedrigstwertigen transversalen Modus;
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von berechneten Werten, die die Verteilung von Pumpdichten in einem Bereich eines Festkörper-Laserstabes angeben;
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von berechneten Werten, die die Verteilung von Pumpdichten in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes angeben;
7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von berechneten Werten, die die Verteilung von Pumpdichten in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes angeben;
8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Änderung der Brennweite in Relation zu Positionen in Radialrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes;
9 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Änderung der Brennweite in Relation zu Positionen in Radialrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes;
10 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Änderung der Brennweite in Relation zu Positionen in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes;
11 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Änderung der Brennweite in Relation zu Positionen in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes;
12 eine Frontansicht eines Pumpmoduls bei einem weiteren Beispiel eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers der vorliegenden Erfindung;
13 Darstellungen von Modellen von Diodenlaseranordnungen des ersten, zweiten und dritten Pumpmoduls zur Veranschaulichung von Plazierungspositionen der Diodenlaseranordnungen;
14 eine Frontansicht eines Pumpmoduls bei einem weiteren Beispiel eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers der vorliegenden Erfindung;
15 eine Seitenansicht eines Pumpmoduls bei einem weiteren Beispiel eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers der vorliegenden Erfindung;
16 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörperlasers gemäß der vorliegenden Erfindung;
17 eine Darstellung der Komponenten eines Pumpmoduls, das bei einem herkömmlichen, mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker verwendet wird; und
18 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines Zustands, bei dem herkömmliche Pumpmodule, die jeweils die in 17 dargestellten Komponenten aufweisen, zusammen mit einem Festkörper-Laserstab und einem Strömungsrohr an einer Trägerplatte angebracht sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt eine Frontansicht eines Pumpmoduls bei einem mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine Schnittdarstellung des mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers der vorliegenden Erfindung. In 1 weist ein scheibenartiges Substrat 9 einen runden Flansch auf, der entlang des Umfangs am Rand von diesem derart ausgebildet ist, daß der runde Flansch rechtwinklig zu einer Hauptoberfläche des Substrats 9 hervorsteht und in seinem Zentrum eine Öffnung aufweist.
Auf der Hauptoberfläche des Substrats 9 sind vier Befestigungsblöcke 10 mit gleichmäßiger winkelmäßiger Beabstandung von 90° angeordnet, wobei die zentrale Öffnung das Zentrum bildet. Vier Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d, die als Pumpquellen dienen und bei denen es sich um eine Vielzahl von linear angeordneten lichtemittierenden Vorrichtungen handelt, sind über Kühlkörper 5 an den Befestigungsblöcken 10 angebracht. Die Befestigungsblöcke 10 dienen als Einrichtung zum Befestigen der Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d, bei denen es sich um Pumpquellen handelt.
Das Substrat 9, die Befestigungsblöcke 10, die Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d sowie die Kühlkörper 5, die an der Hauptoberfläche des Substrats 9 angebracht sind, bilden ein Pumpmodul 118. Der runde Flansch, der am Rand des Substrats 9 ausgebildet ist, weist angesenkte Verbindungs-Durchgangsöffnungen 18 und Verbindungs-Schraubenöffnungen 19 auf. Die angesenkten Verbindungs-Durchgangsöffnungen 18 und die Verbindungs-Schraubenöffnungen 19, die in das Substrat 9 eingebracht sind, sind einander abwechselnd in Winkelabständen von 60° auf einem Kreis angeordnet, der zu dem Festkörper-Laserstab 1 konzentrisch ist.
Bei einem Dreieck, das durch Verbinden der Mittelpunkte der drei in dem Substrat 9 ausgebildeten, angesenkten Verbindungs-Durchgangsöffnungen 18 gebildet ist, sowie bei einem Dreieck, das durch Verbinden der Mittelpunkte der drei Verbindungs-Schraubenöffnungen 19 gebildet ist, handelt es sich um gleichschenkelige Dreiecke, die jeweils drei Seiten mit der gleichen Länge aufweisen und zueinander kongruent sind.
Der Durchmesser jeder Senköffnung jeder angesenkten Verbindungs-Durchgangsöffnung 18 ist größer als der Durchmesser eines Schraubenkopfes einer Sechskantschraube, die in eine Verbindungs-Schraubenöffnung einzuschrauben ist. Ferner ist die Tiefe der Senköffnung größer als die Höhe des Schraubenkopfes.
Ein Reflektor 36 ist auf dem Substrat 9 derart angeordnet, daß er den Festkörper-Laserstab 1 umschließen kann. Der Reflektor 36 weist eine Reflexionsoberfläche, bei der es sich um eine diffusive Reflexionsoberfläche beispielsweise aus Keramikmaterial handelt, als innere Oberfläche auf, die dem Festkörper-Laserstab 1 gegenüberliegt.
Eine Eintrittsöffnung 38, durch die Pumplicht 33 ins Innere des Reflektors 36 eingeleitet wird, ist an vier Stellen des Reflektors 36 ausgebildet. Eine optische Wellenleiterplatte 39, bei der es sich um ein optisches Element handelt, dessen eine Endfläche zum Verhindern der Reflexion von Pumplicht 33 bearbeitet ist, ist in den Eintrittsöffnungen 38 angeordnet, um dadurch das Einleiten von Pumplicht 33 in den Reflektor 36 zu erleichtern.
Die Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d weisen optische Achsen 401a, 401b, 401c bzw. 401d auf und emittieren Pumplicht 33 durch lichtemittierende Bereiche 4 von diesen entlang der optischen Achsen. Die optischen Achsen 401a, 401b, 401c und 401d verlaufen in der gleichen Ebene orthogonal zu der Laserstabachse 8 des Festkörper-Laserstabes 1 und sind mit einer vorbestimmten Beabstandung von der Laserstabachse 8 des Festkörper-Laserstabes 1 getrennt. Ferner kreuzen sich einander benachbarte optische Achsen 401a, 401b, 401c und 401d in einem rechten Winkel.
Eine Linie parallel zu den optischen Achsen 401a und 401c, die durch das Zentrum des Festkörper-Laserstabes 1 hindurchgeht, soll als Mittellinie 402a bezeichnet werden, und eine Linie parallel zu den optischen Achsen 401b und 401d, die durch das Zentrum des Festkörper-Laserstabes 1 hindurchgeht, soll eine Mittellinie 402b bilden.
Die optischen Achsen 401a und 401c sind mit einer bestimmten Beabstandung in entgegengesetzten Richtungen von der Mittellinie 402a getrennt, und die optischen Achsen 401b und 401d sind mit der bestimmten Beabstandung in entgegengesetzten Richtungen von der Mittellinie 402b getrennt. Mit anderen Worten, es sind die optischen Achsen 401a, 401b, 401c und 401d mit der bestimmten Distanz von den Linien versetzt, die durch den axialen Kern des Festkörper-Laserstabes 1 hindurchgehen. Die Richtung der Abweichung ist vergleichbar mit der gleichen Rotationsrichtung in bezug auf die Laserstabachse 8 des Festkörper-Laserstabes 1. Das heißt, die optischen Achsen sind in 1 im Gegenuhrzeigersinn versetzt.
Anders betrachtet sind die Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d, die Pumpquellen bilden, in gleichmäßigen Winkelabständen in bezug auf die Laserstabachse 8 des Festkörper-Laserstabes 1 in der gleichen Ebene angeordnet, die zu der Laserstabachse 8 des Festkörper-Laserstabes 1 orthogonal ist. Mit anderen Worten, es sind die optischen Achsen 401a, 401b, 401c und 401d in gleichmäßigen Winkelabständen um die Laserstabachse 8 des Festkörper-Laserstabes 1 als Rotationsachse angeordnet, und zwar in der gleichen Ebene, die zu der Laserstabachse 8 des Festkörper-Laserstabes 1 orthogonal ist.
In 2 liegen Seitenplatten 12 auf einer unteren Platte 14 auf. Die beiden Seitenplatten 12 sind von beiden Enden des Festkörper-Laserstabes 1 durchsetzt, der sich durch in den Hauptflächen der Seitenplatten 12 ausgebildete Durchgangsöffnungen hindurch erstreckt, so daß der Festkörper-Laserstab 1 gehaltert ist. Der Festkörper-Laserstab 1 ist von einem Strömungsrohr 2 umgeben. Das Strömungsrohr 2 ist zylindrisch und umhüllt den Festkörper-Laserstab 1 vollständig in dessen Längsrichtung.
Die beiden Enden des Strömungsrohrs 2 sind ebenfalls durch die Seitenplatten 12 abgestützt. Eine der Seitenplatten 12 weist eine Eintrittsöffnung 51 auf, durch die ein Kühlmedium zugeführt wird, bei dem es sich zum Beispiel um reines Wasser handelt. Die andere Seitenplatte 12 weist eine Austrittsöffnung 52 auf, durch die das Kühlmedium ausgeleitet wird. Das durch die Eintrittsöffnung 51 zugeführte Kühlmedium strömt durch einen zwischen dem Festkörper-Laserstab 1 und dem Strömungsrohr 2 gebildeten Raum und kühlt somit den Festkörper-Laserstab 1 in direkter Weise. Das durch das Strömungsrohr 2 hindurchgeführte Kühlmedium wird durch die Austrittsöffnung 52 ausgeleitet.
Eine Vielzahl von Pumpmodulen 118 ist von dem Festkörper-Laserstab 1 und dem Strömungsrohr 2 durchsetzt, die sich durch die zentralen Öffnungen der Substrate 9 von diesen hindurch erstrecken, wobei die Pumpmodule 118 in der gleichen Richtung aufeinander geschichtet sind. Die Seitenplatten 12 weisen angesenkte Befestigungs-Durchgangsöffnungen 20 auf. Die Pumpmodule 118 und die Seitenplatten 12 sind durch Sechskantschrauben 21 miteinander verbunden und aneinander befestigt, bei denen es sich um Verbindungs-/Befestigungseinrichtungen handelt.
Zum Verbinden der Pumpmodule 118 in der in 2 dargestellten Weise werden die angesenkten Verbindungs-Durchgangsöffnungen 18 eines Pumpmoduls 118 mit den Verbindungs-Schraubenöffnungen 19 des ganz links angeordneten Pumpmoduls 118 ausgerichtet. Anschließend werden die Sechskantschrauben 21 von links nach rechts eingeschraubt. Die angesenkten Verbindungs-Durchgangsöffnungen 18 und die Verbindungs-Schraubenöffnungen 19, die am Rand des Substrats 19 ausgebildet sind, sind auf einem Kreis angeordnet, der konzentrisch zu dem Festkörper-Laserstab 1 ist.
Die positionsmäßigen Beziehungen zwischen dem Festkörper-Laserstab 1 und den Pumpquellen bildenden Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d können somit zu allen Zeiten konstant bleiben. Ferner sind in die Seitenplatten 12 die Vielzahl der angesenkten Befestigungs-Durchgangsöffnungen 20, die die gleichen positionsmäßigen Beziehungen wie die angesenkten Verbindungs-Durchgangsöffnungen 18 aufweisen, sowie die Verbindungs-Schraubenöffnungen 19 ausgebildet, die an den Rändern der Substrat 9 ausgebildet sind.
Das ganz links und das ganz rechts angeordnete Substrat 9 werden in enge Berührung mit den Seitenplatten 12 gebracht. Die Sechskantschrauben 21 werden in die über den Verbindungs-Schraubenöffnungen 19 angeordneten angesenkten Befestigungs-Durchgangsöffnungen 20 eingeschraubt, so daß die Substrate 9 und die Pumpmodule 118 verbunden sind.
Das in 1 dargestellte Pumpmodul 118 weist die vier Pumpquellen bildenden Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d auf, strahlt Pumplicht 33 in vier Richtungen auf den Festkörper-Laserstab 1 ab und pumpt somit den Festkörper-Laserstab 1. Die optischen Achsen 401a, 401b, 401c und 401d, entlang derer die von den Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d austretenden Pumplichtstrahlen 33 sich fortpflanzen, sind zu den Mittellinien versetzt angeordnet, die durch das Zentrum des Festkörper-Laserstabes 1 hindurchgehen.
Die Verteilung der Pumpdichten in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes 1 kann somit verändert werden. Wenn die Größe der Versetzung auf einen bestimmten Wert eingestellt ist, läßt sich die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes 1 homogen ausbilden. Der in dieser Hinsicht zu Grunde liegende Gedanke wird im folgenden erläutert.
Im allgemeinen kehren Teilchen, die aus einem Grundzustand durch die Absorption von Pumplicht in einen angeregten Zustand angeregt werden, unter Durchlaufung einer Vielzahl von Übergangsphasen in den Grundzustand zurück. Bei der Vielzahl der Übergangsphasen von dem angeregten Zustand in den Grundzustand wird ein Energieunterschied zwischen den Zuständen während einer Entspannungsphase aufgrund einer strahlungslosen Übergangsphase, in der kein Licht emittiert wird, in Wärme umgewandelt. Dies veranlaßt den Festkörper-Laserstab 1 zum Abgeben von Wärme.
Wenn der Festkörper-Laserstab gemäß dem Stand der Technik gleichmäßig gekühlt wird, indem die gesamte Umgebung von diesem gekühlt wird, so wird dann, wenn die Verteilung der Wärmeabführniveaus in einem Bereich des Laserstabes homogen ist, die Verteilung der Temperaturen an dem Bereich des Laserstabes in Form einer Parabel ausgedrückt, die in ihrem Zentrum einen Peak hat. Der Brechungsindex des Festkörper-Laserstabes 1 ist nahezu proportional zu der Temperatur.
Wenn somit die Temperaturverteilung in einem Bereich des Laserstabes als Parabel ausgedrückt wird, wirkt der Festkörper-Laserstab 1 als ideale Linse. Somit kann der Linseneffekt des Festkörper-Laserstabes 1 unter Verwendung eines allgemeinen optischen Elements, wie zum Beispiel eines sphärischen Spiegels, einer konvexen Linse oder einer konkaven Linse, korrigiert werden. Letztendlich läßt sich ein Laserstrahl hoher Qualität in stabiler und effizienter Weise verstärken.
Wenn jedoch die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Laserstabes inhomogen wird, während der Festkörper-Laserstab 1 aufgrund der Wärmabführung den Linseneffekt ausübt, tritt ein Bifokalphänomen auf, bei dem die Brennweite des Festkörper-Laserstabes von einer lokalen Stelle zu einer anderen lokalen Stelle in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes unterschiedlich wird.
Beim Auftreten des Bifokalphänomens kann der Linseneffekt des Festkörper-Laserstabes 1 mittels des allgemeinen optischen Elements, wie zum Beispiel eines sphärischen Spiegels, einer konvexen Linse oder einer konkaven Linse nicht ausreichend korrigiert werden. Dies führt zu einer verschlechterten Verstärkungsleistung eines Laserstrahls mit hoher Qualität sowie zu einer Beeinträchtigung der Sicherheit.
Zum Verstärken eines Laserstrahls hoher Qualität in stabiler und äußerst effizienter Weise ist es unverzichtbar, eine homogene Verteilung der Wärmeabführungspegel in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu erzielen. In der Vergangenheit wurde jedoch das Augenmerk in erster Linie auf die Homogenität der Verteilung der Pumpdichten gerichtet, während auf die Homogenität der Verteilung der Wärmeabführungsniveau nicht geachtet wurde. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß eine Lichtbogenlampe als Pumpquelle verwendet worden ist.
Ein Vorgang von einem angeregten Zustand bis zu dem Grundzustand kann in einen Übergangsvorgang von dem angeregten Zustand in einen oberen Zustand sowie einen Übergangsvorgang von dem oberen Zustand in den Grundzustand unterteilt werden. Ein Großteil der Teilchen, die angeregt werden und in den angeregten Zustand verbracht wird, gelangt allein durch einen strahlungslosen Vorgang in den oberen Zustand.
Sobald der Energiepegel eines angeregten Zustands sowie die Anregungsstärke (die Anzahl der anzuregenden Teilchen, die pro Zeiteinheit und Volumeneinheit in den angeregten Zustand zu bringen ist) bestimmt sind, kann ein Betrag der während des Übergangsvorgangs von dem angeregten Zustand in den oberen Zustand erzeugten Wärme konstant gehalten werden. Andererseits gibt es eine Vielzahl von Übergangsvorgängen zwischen dem oberen Zustand und dem Grundzustand. Ein Übergang mit Strahlung, bei dem Licht aufgrund einer spontanen Emission oder einer stimulierten Emission emittiert wird und dann Energie abgestrahlt wird, sowie ein Übergang ohne Strahlung, bei dem Energie aufgrund von Wärme ohne Lichtemission abgestrahlt wird, sind in Koexistenz bei jedem Vorgang vorhanden.
Die Anzahl der Teilchen, die jedem Vorgang unterzogen werden, variiert in Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer Laserschwingung oder der Intensität des Laserstrahls, der durch den Festkörper-Laserstab hindurchgeht. Ein Betrag der Wärme, die von einem Übergang ohne Strahlung in jedem der Vorgänge stammt, ist von Vorgang zu Vorgang verschieden. Selbst wenn die Stärke der Anregung bei dem gleichen Anregungszustand gleich ist, variiert ein Wärmebetrag, der in dem Festkörper-Laserstab 1 während des Prozesses von dem oberen Zustand in den Grundzustand erzeugt wird, in Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer Laserschwingung oder der Intensität des durch den Laserstab hindurchgehenden Laserstrahls.
Wenn zum Beispiel das Verhältnis der Teilchen zunimmt, die dem Prozeß unterzogen werden, bei dem ein Übergang ohne Strahlung erfolgt und eine hohe Energiedifferenz hervorgerufen wird, nimmt die Wärmemenge zu, die während des Prozesses von dem oberen Zustand in den Grundzustand erzeugt wird.
Bei einem Festkörperverstärker, der eine Lichtbogenlampe als Pumpquelle verwendet, werden aufgrund der Tatsache, daß die Lichtbogenlampe ein breites Emissionsspektrum zuläßt, Teilchen derart angeregt, daß sie in einen stationären Zustand mit einem viel höheren Energiepegel als dem oberen Zustand verbracht werden, und zwar aufgrund von UV-Komponenten, deren Frequenzen in dem Emissionsspektrum liegen. Aus diesem Grund bildet die Wärmemenge, die während des Übergangsvorgangs ohne Strahlung von einem angeregten Zustand in den oberen Zustand erzeugt wird, einen Großteil der Wärme, die von dem Festkörper-Laserstab abgeführt wird.
Das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von Laserschwingung während des Übergangsvorgangs von dem oberen Zustand zu dem Grundzustand oder eine Veränderung in dem Betrag der abgeführten Wärme in Abhängigkeit von der Intensität des Laserstrahls kann somit ignoriert werden.
Mit anderen Worten, es ist bei Verwendung einer Lichtbogenlampe als Pumpquelle eine von dem Festkörper-Laserstab abgeführte Wärmemenge unabhängig von dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von Laserschwingung oder von der Intensität des Laserstrahls, sondern diese wird im wesentlichen mittels eines angeregten Zustands bestimmt. Sobald die Verteilung der Pumpdichten homogen gemacht ist, kann somit die Verteilung der Wärmeabführungsniveau in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes als homogen betrachtet werden.
Man war lange der Ansicht, daß die Diskussion ähnlich der vorstehenden, d.h. die Annahme, daß die Verteilung der Pumpdichten sowie die Verteilung der Wärmeabführungspegel miteinander übereinstimmen, auch für einen mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker übernommen werden kann, der einen Diodenlaser als Pumpquelle verwendet und um den es bei der vorliegenden Erfindung geht.
Wenn jedoch eine Diodenlaseranordnung als Pumpquelle verwendet wird, dann wird das Emissionsspektrum sehr schmal. Wenn die Energie eines angeregten Zustands, der dem oberen Zustand am nähesten ist, einem Schwingungsbetrag entspricht, der von der Diodenlaseranordnung geschaffen wird, so wird es möglich, Teilchen selektiv in einen angeregten Zustand zu bringen, der dem oberen Zustand am nächsten ist. Im Vergleich mit der Anregung unter Verwendung der Lichtbogenlampe ist eine Wärmemenge, die während des Prozesses von dem angeregten Zustand in den oberen Zustand erzeugt wird, bemerkenswert gering.
Eine Änderung des Betrages der abgeführten Wärme, die während der Wärmeabführung des Festkörper-Laserstabes auftritt und von einem Zustand der Laserschwingung abhängig ist, wie zum Beispiel dem Vorhandensein oder dem Nicht-Vorhandensein einer Laserschwingung oder der Intensität des Laserstrahls, kann somit nicht ignoriert werden.
3 veranschaulicht eine Veränderung der Menge der abgeführten Wärme in Relation zu den Intensitäten eines Laserstrahls, der durch ein mit einem Diodenlaser gepumptes Festkörpermedium hindurchgeht, wobei dann, wenn die Intensität des Laserstrahls 0 beträgt, die Menge der abgeführten Wärme 1 beträgt. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, nimmt die Menge der abgeführten Wärme bei einem Anstieg der Intensität des Laserstrahls um 20 % oder mehr ab.
Der Grund dafür besteht darin, daß die Anzahl der Teilchen, die einen Prozeß der stimulierten Emission durchlaufen, welche eine Laserschwingung hervorruft, größer wird und die Anzahl der Teilchen, die einen Übergangsprozeß durchlaufen, der eine große Menge an abgeführter Wärme hervorruft, geringer wird. Die Änderung von 20 % oder mehr bei dem Betrag der abgeführten Wärme ist groß genug, um die Stabilität während der Verstärkung zu beeinträchtigen.
Im folgenden wird die Verstärkung oder die Erzeugung des Laserstrahls in dem niedrigstwertigen transversalen Modus beschrieben, der eine hohe Kondensationsleistung aufweist und einen hohen Anwendungswert hat. 4 zeigt die Verteilung der Intensitäten eines Strahls in dem niedrigstwertigen transversalen Modus. Der niedrigstwertige transversale Modus wird im allgemeinen als TEM00-Modus beschrieben und in Form einer axialen symmetrischen Gauß'schen Verteilung mit einem einzigen Peak im Zentrum zum Ausdruck gebracht.
Wenn ein Strahl in dem niedrigstwertigen transversalen Modus durch den Festkörper-Laserstab 1 hindurchgeht, hat der Strahl eine hohe Intensität in bezug auf das Zentrum eines Bereichs des Festkörper-Laserstabes sowie eine niedrigere Intensität in Relation zu dem Umfang des Bereichs des Festkörper-Laserstabes. Wie in 3 gezeigt ist, ist eine Menge der abgeführten Wärme in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes, der Licht mit höherer Intensität ausgesetzt ist, geringer. Unter der Annahme, daß die in dem Festkörper-Laserstab auftretende Anregung homogen ist, kann dann, wenn die Intensität des durch den Festkörper-Laserstab 1 hindurchgehenden Laserstrahls zu schwach ist, um eine nennenswerte stimulierte Emission hervorzurufen, die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes als homogen betrachtet werden.
Wenn jedoch der Laserstrahl in der Praxis verstärkt wird, dann wird aufgrund der Tatsache, daß der Laserstrahl mit hoher Intensität durch den Festkörper-Laserstab hindurchgeht, wenn ein Strahl in dem niedrigstwertigen transversalen Modus durch einen Bereich des Festkörper-Laserstabes hindurchgeht, die stimulierte Emission im Zentrum eines Bereichs des Festkörper-Laserstabes, in dem der Strahl eine hohe Intensität besitzt, extrem hoch. Dies führt zu einer Zunahme der Anzahl von Teilchen, die einen Übergangsprozeß durchlaufen, der eine Laserschwingung hervorruft. Eine Verminderung des Betrags der abgeführten Wärme wird daher größer.
Infolgedessen drückt sich die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in dem Bereich des Festkörper-Laserstabes als inhomogene Verteilung aus, die eine Abnahme in dem Betrag der abgeführten Wärme in dessen Zentrum zeigt. Wenn der Linseneffekt des Festkörper-Laserstabes 1 aufgrund der Wärmeabführung ausgeführt wird, kommt es zum Auftreten eines Bifokalphänomens.
Wenn ein Strahl in dem niedrigstwertigen transversalen Modus erzeugt und verstärkt wird, so wird die Verteilung der Pumpdichten in Form eines recht hohen Peaks in Relation zu dem Zentrum eines Bereichs des Festkörper-Laserstabes ausgedrückt. Die Verteilung der Pumpdichten sollte vorzugsweise derart sein, daß beim Durchgang des Strahls in dem niedrigstwertigen transversalen Modus die Verteilung der Wärmeabführniveaus in dem Bereich des Festkörper-Laserstabes homogen wird.
Die Verteilung der Pumpdichten kann in Abhängigkeit von einer Strahlerfassungstechnik auf der Basis der Größe der Abweichung der optischen Achsen 401a, 401b, 401c und 401d, des Absorptionskoeffizienten relativ zu dem Pumplicht in dem Festkörper- Laserstab 1 sowie der Konstruktion einer Pumpeinheit berechnet werden, wie zum Beispiel der Formgebung des Reflektors 36 und dem Zustand der Oberfläche von diesem. Die Anzahl der Teilchen, die den jeweiligen Übergangsvorgang durchlaufen, läßt sich berechnen durch Lösen einer Raten-Gleichung, die jeden stationären Energiezustand eines aktiven Mediums sowie eine Photonendichte in dem Laserstrahl beschreibt.
Ein Betrag der abgeführten Wärme in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes läßt sich durch Analyse ermitteln. Die Verteilung der Temperaturen in dem Bereich des Festkörper-Laserstabes wird unter Verwendung der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus berechnet, und die Verteilung der Brechungsindizes wird unter Verwendung der Verteilung der Temperaturen berechnet. Eine Brennweite an einem lokalen Punkt in dem Bereich des Festkörper-Laserstabes kann unter Verwendung einer Neigung berechnet werden, die mittels der Brechungsindizes definiert ist.
Die 5, 6 und 7 zeigen Verteilungen der Pumpdichten in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes in Relation zu Abweichungsgrößen der optischen Achsen von: 0 mm, 1 mm und 2 mm. Bei steigender Abweichungsgröße sinkt die Spitze im Zentrum einer Verteilung der Pumpdichten. Bei einer Abweichungsgröße von 2 mm zeigt die Darstellung eine nahezu homogene Verteilung der Pumpdichten.
8 veranschaulicht ein Bifokalpänomen, das sich aufgrund der inhomogenen Verteilung der Wärmeabführungsniveaus ergibt, d.h. eine Änderung in der Brennweite von einer lokalen Stelle zu einer anderen lokalen Stelle in Abhängigkeit von einem Radius, wobei die zentrale Achse des Stabes in Relation zu den Abweichungsgrößen von 0 mm, 1 mm und 2 mm auf 0 gesetzt ist, und zwar unter der Annahme, daß ein durch den Festkörper-Laserstab 1 hindurchgehender Laserstrahl schwach ist.
Wenn das Bifokalphänomen nicht in Erscheinung tritt, bleibt die Brennweite unabhängig von dem Radius konstant. Als Index, der eine Differenz in der Brennweite von einer lokalen Stelle zu einer anderen lokalen Stelle in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes anzeigt, die sich aufgrund der inhomogenen Verteilung der Wärmeabführungspegel an dem Bereich des Festkörper-Laserstabes ableitet, d.h. ein Ausmaß eines Bifokalphänomens, soll eine Differenz zwischen einem maximalen Wert und einem minimalen Wert der Brennweite an dem Bereich des Festkörper-Laserstabes als Bifokalrate definiert werden. Unter der Voraussetzung, daß der durch den Festkörper-Laserstab 1 hindurchgehende Laserstrahl schwach ist, nimmt die Bifokalrate einen minimalen Wert in Relation zu der Abweichungsgröße von 2 mm an, die der homogensten Verteilung der Pumpdichten zugeordnet ist.
9 veranschaulicht ein Bifokalphänomen, das sich von der inhomogenen Verteilung der Wärmeabführungsniveaus ableitet, d.h. eine Änderung bei der Brennweite in Abhängigkeit von einem Radius in Relation zu den Abweichungsgrößen von 0 mm, 1 mm und 2 mm unter der Annahme, daß ein Laserstrahl in dem niedrigstwertigen transversalen Modus durch den Festkörper-Laserstab 1 mit einer ausreichenden Intensität hindurchgeht, ohne daß eine stimulierte Emission hervorgerufen wird.
Im Gegensatz zu den in 8 veranschaulichten Resultaten, die auf der Annahme basieren, daß das durchgehende Licht schwach ist, wenn die Abweichungsgröße 1 mm beträgt, ist die vorstehend definierte Bifokalrate minimal. Dies bedeutet, daß bei Verstärkung und Erzeugung des Laserstrahls in dem niedrigstwertigen transversalen Modus die Abweichungsgröße auf 1 mm eingestellt werden sollte, um die homogene Verteilung der Wärmeabführungsniveaus zu erzielen.
Die Beschreibung ist von der Annahme ausgegangen, daß der Laserstrahl in dem niedrigstwertigen transversalen Modus durch den Festkörper-Laserstab 1 hindurchgeht. Selbst wenn ein Laserstrahl in einem höherwertigen Modus hindurchgeht, sollte die Abweichungsgröße in Abhängigkeit von den voraussichtlichen Betriebsbedingungen bestimmt werden, bei denen es sich zum Beispiel um die Konstruktion der Pumpeinheit, die Stärke der Anregung, die Dichte der Moleküle eines aktiven Mediums sowie die Verteilung der Intensitäten des durch den Festkörper-Laserstab 1 hindurchgehenden Laserstrahls handelt, so daß die in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachtende Bifokalrate minimal wird.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, das in den 1 und 2 dargestellt ist, verlaufen die optischen Achsen 401a, 401b, 401c und 401d, entlang derer sich die aus den vier Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d austretenden Pumplichtstrahlen fortpflanzen, in der gleichen Ebene, die zu dem axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1 orthogonal ist, wobei sie mit einer vorbestimmten Distanz von dem axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1 getrennt sind. Die einander benachbarten optischen Achsen kreuzen sich ferner in rechten Winkeln.
Die Abweichungsgrößen der optischen Achsen 401a, 401b, 401c und 401d sind auf den vorstehend genannten optimalen Wert eingestellt. Eine Schwankung in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus, die entlang des Umfangs eines Bereichs des Festkörper-Laserstabes auftritt, kann somit minimiert werden. Ferner kann das Auftreten eines Bifokalphänomens unterdrückt werden. Infolgedessen läßt sich der Linseneffekt des Festkörper-Laserstabes 1 unter Verwendung eines sphärischen Spiegels, einer konvexen Linse oder einer konkaven Linse in wirksamer Weise korrigieren. Auf diese Weise kann ein Laserstrahl mit hoher Strahlqualität in stabiler und effizienter Weise verstärkt und erzeugt werden.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel pflanzen sich die aus den Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d austretenden Pumplichtstrahlen entlang der optischen Wellenleiterplatten fort, die an den Eintrittsöffnungen 38 des Reflektors 36 angebracht sind, und treffen auf den Reflektor 36 auf. Die optischen Wellenleiterplatten 39 sind aus einem Material gebildet, das einen ausreichend höheren Brechungsindex als beispielsweise ein Haftmittel aufweist, das mit einem externen Element, beispielsweise einen Saphir, in Kontakt zu bringen ist.
Ein Großteil des auf die optischen Wellenleiterplatten 39 auftreffenden Pumplichts wird durch die Flanken der optischen Wellenleiterplatten 39 vollständig reflektiert und in effizienter Weise mit geringem Verlust in den Reflektor 36 eingebracht. Die Positionen der optischen Achsen, entlang derer sich die Pumplichtstrahlen ausbreiten, um auf den Festkörper-Laserstab ausgestrahlt zu werden, sind durch die Positionen definiert, an denen die optischen Wellenleiterplatten 39 angeordnet sind.
Wenn die Positionen der optischen Achsen, entlang derer sich die Pumplichtstrahlen ausbreiten, unter Verwendung von optischen Elementen auf gewünschte Positionen eingestellt sind, kann selbst dann, wenn die Pumpquellen bildenden Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d von den normalen Positionen oder Winkeln versetzt oder abweichend angeordnet sind, an denen sie angeordnet sein sollten, da die Positionen der optischen Achsen, entlang derer sich die Pumplichtstrahlen fortpflanzen, konstant bleiben, eine stabile Verteilung der Pumpdichten in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu allen Zeiten erzielt werden.
Infolgedessen kann eine effiziente Verstärkung und Erzeugung des Laserstrahls mit hoher Strahlqualität in stabiler Weise aufrechterhalten werden. Darüber hinaus ist auch die Genauigkeit beim Plazieren der Pumpquellen bildenden Diodenlaser 3 entschärft und die Montage der Pumpmodule ist vereinfacht. Ferner sind bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel die Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d und der Reflektor 36 an dem gleichen Substrat 9 angebracht. Die Positionen der optischen Achsen, entlang derer sich die Pumplichtstrahlen fortpflanzen, können unabhängig von der Position oder dem Winkel, an der bzw. dem das Pumpmodul 118 plaziert ist, zu allen Zeiten konstant gehalten werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die optischen Wellenleiterplatten 39 als optische Elemente zum Definieren der optischen Achsen verwendet, entlang derer sich die Pumplichtstrahlen fortpflanzen. Die optischen Elemente sind nicht auf optische Wellenleiterplatten beschränkt. Selbst bei Verwendung von zylindrischen Linsen oder optischen Fasern läßt sich der gleiche Vorteil erzielen.
Die Endflächen der optischen Wellenleiterplatten 39 bei diesem Ausführungsbeispiel, auf die die Pumplichtstrahlen auftreffen, sind rechteckig. Wenn zum Beispiel eine lineare Diodenlaseranordnung mit einer Vielzahl von lichtemittierenden Bereichen von Diodenlasern in Form einer Anordnung als Pumpquelle verwendet wird, kann das Pumplicht in einfacher Weise effizient mit einem optischen Element gekoppelt werden. Da kein optisches Element verwendet wird, bei dem eine Brechung verwendet wird, wie zum Beispiel bei einer Linse, kann die Plazierung ohne jegliche Berücksichtigung einer Brennweite oder einer Kondensationsrichtung ausgeführt werden, dies führt zu einer einfachen Montage und Einstellung.
Bei der Konstruktion wie der des vorliegenden Ausführungsbeispiels, bei der der Reflektor 36 den Festkörper-Laserstab 1 umgebend angeordnet ist und Pumplichtstrahlen durch die Eintrittsöffnungen 38 des Reflektors 36 in den Reflektor 36 eingebracht werden, erscheinen aufgrund der Tatsache, daß die Eintrittsöffnungen 38 Pumplicht nicht reflektieren, die Eintrittsöffnungen 38 wie unzulässige Bereiche im Hinblick auf die ursprüngliche Funktionsweise des Reflektors 36.
Für einen effizienten Pumpvorgang muß das Verhältnis der von den Eintrittsöffnungen 38 eingenommenen Fläche zu der Gesamtfläche des Reflektors 36 verringert werden. Die Verwendung von größeren Eintrittsöffnungen 38 ermöglicht übrigens in einfacher Weise das effiziente Einbringen von Pumplichtstrahlen in den Reflektor 36.
Wenn die optischen Wellenleiterplatten 39 zum Einbringen von Pumplichtstrahlen in den Reflektor 36 verwendet werden, wie dies bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, kann die Formgebung der lichtemittierenden Bereiche in einfacher Weise an die der Endflächen der optischen Wellenleiterplatten 39 angepaßt werden, durch die die Pumplichtstrahlen eingeleitet werden. Selbst wenn die Wellenleiterplatten 39 dünner ausgebildet werden, können Pumplichtstrahlen in effizienter Weise übertragen werden, und zwar aufgrund der vollständig reflektierenden Wirkung der Flanken der optischen Wellenleiterplatten 39. Die Eintrittsöffnungen 38 des Reflektors 36, durch die Pumplichtstrahlen eingeleitet werden, lassen sich kleiner ausbilden, während die Effizienz beim Übertragen der Pumplichtstrahlen hoch bleibt. Ferner kann der Pumpvorgang in effizienter Weise ausgeführt werden.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel sieht eine Konstruktion vor, bei der Pumplicht in vier Richtungen in bezug auf die zentrale Achse des Festkörper-Laserstabes 1 abgestrahlt wird. Selbst bei der Konstruktion zum Aufstrahlen vom Pumplicht in zwei Richtungen in bezug auf die zentrale Achse des Festkörper-Laserstabes 1, so daß das Licht seitlich auf den Festkörper-Laserstab 1 fällt und somit ein Pumpen des Festkörperlasers stattfindet, sind die optischen Achsen, entlang derer sich zwei Pumplichtstrahlen fortpflanzen, derart angeordnet, daß sich diese an gleichen Winkelpositionen in bezug auf die Mittelachsenrichtung des Festkörper-Laserstabes 1 befinden, d.h. an Positionen mit einer winkelmäßigen Beabstandung von 180° zwischen diesen, wobei sie mit einer bestimmten konstanten Distanz von einer Mittellinie des Festkörper-Laserstabes 1 getrennt sind und in bezug auf die zentrale Achse des Festkörper-Laserstabes 1 in der gleichen Richtung von der Mittellinie versetzt sind. Dies führt zu der verbesserten Homogenität bei der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes.
Bei der Konstruktion für ein bidirektionales Pumpen sind jedoch die optischen Achsen, entlang derer sich die Pumplichtstrahlen fortpflanzen, zueinander parallel. Eine Abweichung bzw. Versetzung der optischen Achsen erfolgt nur in einer Richtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes. Da es sich bei der Richtung, in der die optischen Achsen abweichen, um eine Richtung handelt, ist es schwierig, die zweidimensionale Verteilung der Wärmeabführungsniveaus an einem Gesamtbereich des Stabes zu homogenisieren.
Infolgedessen wird das Ausmaß der Homogenität in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus zwischen einer Richtung, die mit der Richtung der Abweichung identisch ist und rechtwinklig zu den optischen Achsen ist, sowie einer Richtung, die zu der Abweichungsrichtung rechtwinklig ist und zu den optischen Achsen parallel ist, unterschiedlich. Die Richtwirkung in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes läßt sich somit nicht in effektiver Weise eliminieren.
10 veranschaulicht eine Veränderung in der Brennweite von einer lokalen Stelle zu einer anderen lokalen Stelle in der Umfangsrichtung an einem Rand des Festkörper-Laserstabes, die bei einer Konstruktion zum Aufstrahlen von Pumplicht auf den Festkörper-Laserstab 1 in zwei Richtungen auftritt, die gleiche winkelmäßige Beabstandung in bezug auf die Mittelachsenrichtung des Festkörper-Laserstabes 1 aufweisen, d.h. in zwei Richtungen mit einem Winkelabstand von 180° dazwischen, sowie die Änderung der Brennweite, wie diese bei einer Konstruktion zum Aufstrahlen von Pumplicht auf den Festkörper-Laserstab 1 in drei Richtungen austritt, die in bezug auf die Mittelachsenrichtung des Festkörper-Laserstabes 1 den gleichen Winkelabstand aufweisen, d.h. in drei Richtungen mit einer Winkelbeabstandung von 120° voneinander.
Bei beiden Konstruktionen ist die Größe der Abweichung der optischen Achsen optimiert, um die Bifokalrate zu minimieren, die in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachten ist. Wenn die Anzahl der Richtungen, in denen Pumplicht ausgestrahlt wird, von zwei auf drei erhöht wird, während die optischen Achsen, entlang derer sich Pumplicht fortpflanzt, in bezug auf die Mittelachsenrichtung des Festkörper-Laserstabes 1 in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet bleiben, kann die Richtung, in der die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus durch Einstellen der Abweichung der optischen Achsen korrigiert wird, auf zwei oder mehr nicht zueinander parallelen Richtungen in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes eingestellt werden.
Die zweidimensionale Homogenität in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes kann somit in wirksamer Weise erzielt werden. Letztendlich kann die Bifokalrate, die in der Umfangsrichtung zu beobachten ist, d.h. die Richtwirkung bei der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus, drastisch reduziert werden.
11 veranschaulicht eine Änderung der Brennweite von einer lokalen Stelle zu einer weiteren lokalen Stelle in Umfangsrichtung an dem Rand des Festkörper-Laserstabes, wie diese bei einer Konstruktion auftritt, die einen Reflektor mit einer inneren hochglanzpolierten Oberfläche sowie einen Reflektor mit einer inneren diffusen Reflexionsoberfläche aufweist. Bei dieser Konstruktion erfolgt das Aufstrahlen von Pumplicht auf den Festkörper-Laserstab 1 in drei Richtungen, die den gleichen Winkelab stand in bezug auf die Mittelachsenrichtung des Festkörper-Laserstabes 1 aufweisen, d.h. in drei Richtungen mit Winkelabständen von 120°, wobei die Größe der Abweichung der optischen Achsen optimiert ist, um die Bifokalrate zu minimieren, die in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachten ist.
Wie vorstehend erwähnt, reflektiert der den Festkörper-Laserstab 1 umschließende Reflektor 36 Pumplicht, das nicht auf den Festkörper-Laserstab 1 aufgetroffen ist, oder Pumplicht, das einmal auf den Festkörper-Laserstab 1 aufgetroffen ist, jedoch nicht von dem Festkörper-Laserstab 1 absorbiert worden ist und von dem Inneren des Festkörper-Laserstabes 1 nach außerhalb von diesem emittiert worden ist, so daß der Reflektor 36 somit die Fortpflanzungsrichtung des Pumplichts derart verändert, daß das Pumplicht auf den Festkörper-Laserstab 1 auftreffen kann. Die Nutzungseffizienz des Pumplichts wird somit verbessert.
Die Reflexionsrichtung des Lichts von einer hochglanzpolierten Oberfläche wird in eindeutiger Weise durch die Richtung des eintreffenden Lichts bestimmt, während die Reflexionsrichtung von Licht von einer diffusen Reflexionsoberfläche diversifiziert wird, und zwar mit einer Ausbreitung, die in Abhängigkeit von dem Zustand der diffusen Reflexionsoberfläche bestimmt wird. Bei Verwendung eines Reflektors mit diffuser Reflexionsoberfläche, wie dies in 11 dargestellt ist, kann somit die Bifokalrate, die in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachten ist, d.h. die Richtwirkung bei der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus, in drastischer Weise reduziert werden.
Wenn der Reflektor 36 mit der diffusen Reflexionsoberfläche auch als Einrichtung zum Festlegen von Pumpquellen dient, kann ferner die Bifokalrate, die in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachten ist, d.h. die Richtwirkung bei der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus, stark verbessert werden. Darüber hinaus kann die Anzahl der Komponenten einer Pumpeinheit reduziert werden, die Montage der Komponenten läßt sich vereinfachen, und die Kosten für die Pumpeinheit lassen sich reduzieren.
Das Pumpmodul 118 bei diesem Ausführungsbeispiel weist die angesenkten Verbindungs-Durchgangsöffnungen 18 und die Verbindungs-Schraubenöffnungen 19 auf, die in den runden Flansch an dem Rand des Substrats 9 eingebracht sind. Eine Vielzahl von Pumpmodulen 118 kann entlang des Festkörper-Laserstabes 1 zusammengefügt werden und fest an normalen Plazierungspositionen angebracht werden, wobei dies mit hoher Genauigkeit und einfach möglich ist.
Wenn die Vielzahl der Pumpmodule 118 entlang des Festkörper-Laserstabes 1 zusammengefügt sind und zum Zweck der Verbesserung der Verstärkungsleistung eingesetzt werden, können die Verteilungen der Pumpdichten in den Pumpmodulen exakt miteinander in Übereinstimmung gebracht werden. Somit läßt sich ein Laserstrahl mit hoher Strahlqualität in stabiler und effizienter Weise verstärken, ohne daß es zu irgendeiner Beeinträchtigung bei der Homogenität der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes kommt.
Zweites Ausführungsbeispiel
12 zeigt eine Frontansicht eines Pumpmoduls gemäß einem weiteren Beispiel eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers der vorliegenden Erfindung. Bei einem Pumpmodul 119 dieses Ausführungsbeispiels sind drei Sätze von je vier Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11a, 11b und 11c mit jeweils vier Verbindungs-Durchgangsöffnungen in einer Anordnung mit Winkelabständen von 90° in einen runden Flansch an dem Rand des Substrats 9 eingebracht.
Die Verbindungs-Durchgangsöffnungen, die zu den drei Sätzen der Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11a, 11b und 11c gehören, sind konzentrisch angeordnet. Die Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11b sind in bezug auf die Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11a im Gegenuhrzeigersinn bei einem Winkel von 22,5° angeordnet. Die Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11c sind in bezug auf die Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11b im Gegenuhrzeigersinn bei einem Winkel von 22,5° angeordnet.
Die Befestigungsweise der Pumpquellen bildenden Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d an dem Substrat 9 ist identisch mit der des ersten Ausführungsbeispiels. Wenn die Pumpmodule 119 dieses Ausführungsbeispiels tatsächlich an einem mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker angebracht sind, durchsetzen der Festkörper-Laserstab 1 und das Strömungsrohr 2 die Zentren der Pumpmodule 119 in einer zu der Darstellung in 12 rechtwinkligen Richtung.
Bei dem mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker mit den vorstehend genannten Komponenten sind zwei Pumpmodule aus dem ersten Pumpmodul 119 und dem zweiten Pumpmodul 119 zusammengefügt, wobei die Verbindungs-Durch gangsöffnungen 11a des ersten Pumpmoduls 119 und die Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11b des zweiten Pumpmoduls 119 für die Verbindung verwendet werden. Eine Richtung, in der die Diodenlaseranordnungen 3 des ersten Pumpmoduls 119 angeordnet sind, und eine Richtung, in der die Diodenlaseranordnungen 3 des zweiten Pumpmoduls 119 angeordnet sind, sind in bezug auf die Mittenachse des Festkörper-Laserstabes 1 als Zentrum um 22,5° voneinander versetzt angeordnet.
13 zeigt Modelle der Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d, die in dem ersten Pumpmodul 119 enthalten sind, der Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d, die in dem zweiten Pumpmodul 119 enthalten sind, sowie der Diodenlaseranordnungen 3a, 3b, 3c und 3d, die in dem dritten Pumpmodul 119 enthalten sind, in einem Zustand, in dem die drei Pumpmodule des ersten Pumpmoduls 119, des zweiten Pumpmoduls 119 und des dritten Pumpmoduls 119 miteinander verbunden sind. 13 zeigt somit die Positionen, an denen die Diodenlaseranordnungen angeordnet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel können die einander benachbarten Pumpmodule 119 miteinander verbunden werden, während sie in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander verlagert werden. Die Ausstrahlrichtung des Pumplichts, das von jedem Pumpmodul ausgeht, kann somit in gleichmäßigen Winkelabständen verlagert werden. Die Anzahl der Richtungen, in denen Pumplicht auf den Festkörper-Laserstab 1 ausgestrahlt wird, läßt sich erhöhen. Die Homogenität bei der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus läßt sich weiter verbessern. Ferner kann die Bifokalrate, die in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachten ist, in zuverlässigerer Weise reduziert werden. Letztendlich läßt sich ein Laserstrahl mit hoher Strahlqualität in stabiler und effizienter Weise verstärken.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Verbindungs-Durchgangsöffnungen 11a, 11b und 11c in Winkelabständen von 22,5° an dem Rand des Substrats 9 eingebracht. Die winkelmäßige Beabstandung zwischen den Verbindungs-Durchgangsöffnungen sowie die Anzahl der Verbindungs-Durchgangsöffnungen sind nicht auf die bei dem Ausführungsbeispiel genannten Werte beschränkt, sondern können auf beliebige Werte eingestellt werden, solange die Verteilung der Pumpdichten in Abhängigkeit von der Anzahl der verbundenen Pumpmodule und der Ausbildung der in jedem Pumpmodul miteinander zu verriegelnden Diodenlaseranordnungen optimiert werden kann.
Drittes Ausführungsbeispiel
14 zeigt eine Frontansicht eines Pumpmoduls gemäß einem weiteren Beispiel eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung. 15 zeigt eine Seitenansicht hiervon. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei Pumpmodule 120a, 120b und 120c mit drei Diodenlaseranordnungen 3a, 3b bzw. 3c entlang des Festkörper-Laserstabes 1 geschichtet bzw. schichtartig angeordnet, wobei sie in gleichen Winkelabständen voneinander versetzt sind. Die Diodenlaseranordnung 3a, 3b und 3c emittieren Pumplicht entlang von optischen Achsen 401a, 401b bzw. 401c.
Die optischen Achsen 401a, 401b und 401c verlaufen in verschiedenen Ebenen orthogonal zu dem axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1 und sind mit einer vorbestimmten Distanz von dem axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1 in den jeweiligen Ebenen getrennt. Beim Projizieren von Pumplichtstrahlen auf eine Ebene orthogonal zu dem axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1, weisen einander benachbarte optische Achsen eine Winkelbeabstandung von 120° auf.
In der Ebene, auf die Pumplichtstrahlen projiziert werden, sollen eine Linie, die parallel zu der optischen Achse 401a verläuft und durch das Zentrum des Festkörper-Laserstabes 1 hindurchgeht, als Mittellinien 402a bezeichnet werden, eine Linie, die parallel zu der optischen Achse 401b ist und durch das Zentrum des Festkörper-Laserstabes 1 hindurchgeht, als Mittellinie 402b bezeichnet werden, und eine Linie, die parallel zu der optischen Achse 401c ist und durch das Zentrum des Festkörper-Laserstabes 1 hindurchgeht, als Mittellinie 402c bezeichnet werden. Die optischen Achsen 401a, 401b und 401c sind von den Mittellinien 402a, 402b bzw. 402c in der gleichen Rotationsrichtung voneinander versetzt. Kurz gesagt sind die optischen Achsen in 14 im Gegenuhrzeigersinn versetzt bzw. abweichend angeordnet.
Anders ausgedrückt, es befinden sich beim Projizieren von Pumplichtstrahlen auf eine Ebene orthogonal zu dem axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1 die Diodenlaseranordnungen 3a, 3b und 3c, die Pumpquellen bilden, in dieser Ebene in gleichmäßigen Winkelabständen voneinander in bezug auf den axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1. Beim Pumpen von Pumplichtstrahlen auf eine Ebene orthogonal zu dem axialen Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1 befinden sich somit die optischen Achsen 401a, 401b und 401c in der Ebene mit gleichmäßigen Winkelabständen voneinander, wobei der axiale Kern 8 des Festkörper-Laserstabes 1 die Rotationsachse bzw. den Mittelpunkt bildet.
Selbst bei diesem Ausführungsbeispiel werden Reflektoren 36a, 36b und 36c jeweils mit einer diffusen Reflexionsoberfläche im Inneren verwendet. Die Reflektoren 36a, 36b und 36c weisen Eintrittsöffnungen 38a, 38b und 38c auf, durch die Pumplicht 33 nach innen geleitet wird. Ferner sind optische Wellenleiterplatten 39a, 39b und 39c in den Eintrittsöffnungen 38a, 38b und 38c angeordnet. Pumplichtstrahlen, die von den Diodenlaseranordnungen 3a, 3b und 3c austreten, pflanzen sich in den optischen Wellenleiterplatten 39a, 39b bzw. 39c fort und treffen dann auf die Reflektoren 36a, 36b bzw. 36c auf.
Bei dem mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist eine Diodenlaseranordnung pro Pumpmodul vorhanden. Pumplicht wird in einer lateralen Richtung auf den Festkörper-Laserstab 1 abgestrahlt. Die Verteilung der Pumpdichten in einem Bereich des durch ein einziges Pumpmodul gebildeten Festkörper-Laserstabes ist asymmetrisch. Eine Veränderung in der Wellenfront, die beim Hindurchgehen eines Laserstrahls durch den Festkörper-Laserstab 1 auftritt, ist jedoch proportional zu einem Integral aus einem Brechungsindex in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes, der in der Mittelachsenrichtung des Festkörper-Laserstabes zu beobachten ist.
Wenn die Verteilungen der Pumpdichten, die durch die drei Pumpmodule gebildet werden, einander in Axialrichtung überlagert werden und die resultierende Verteilung symmetrisch ist, wird auch die durch den Festkörper-Laserstab hervorgerufene Änderung in der Wellenfront symmetrisch.
Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel in der vorstehend beschriebenen Weise Pumplichtstrahlen auf eine Ebene orthogonal zu dem axialen Kern des Festkörper-Laserstabes projiziert werden, sind die optischen Achsen, entlang derer sich die von den drei Diodenlasern stammenden Pumplichtstrahlen fortpflanzen, in gleichmäßigen Winkelabständen in bezug auf den axialen Kern des Festkörper-Laserstabes angeordnet.
Die Symmetrie eines Überlagerungsergebnisses der Verteilungen der Pumpdichten in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes, die durch die drei Pumpmodule gebildet wird, kann stark verbessert werden. Infolgedessen kann die Bifokalrate, die in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachten ist, d.h. die Richtwirkung bei der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus, reduziert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird Pumplicht in vier oder in drei Richtungen in bezug auf die optische Achse des Festkörper-Laserstabes auf den Festkörper-Laserstab aufgestrahlt. Die Anzahl der Aufstrahlrichtungen von Pumplicht ist nicht auf vier oder drei beschränkt. Wenn die Anzahl der Aufstrahlrichtungen zunimmt, kann die Bifokalrate, die in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes festzustellen ist, d.h. die Richtwirkung in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus, drastisch reduziert werden.
Wenn die Abweichungsgröße der optischen Achsen ferner in Abhängigkeit von der Anzahl der Aufstrahlrichtungen optimiert ist, kann die in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachtende Bifokalrate in noch wirksamerer Weise reduziert werden. Letztendlich lassen sich die Verstärkungseffizienz und die Verstärkungsstabilität des Laserstrahls stark verbessern.
Viertes Ausführungsbeispiel
16 zeigt eine Schnittdarstellung eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörperlasers gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dem vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist die Konstruktion eines mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärkers erläutert worden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der mit einem Diodenlaser gepumpte Festkörperlaser beschrieben, der von dem mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörper-Laserverstärker Gebrauch macht.
Ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörperlaser 200 mit Pumpmodulen 118, von denen jedes die gleichen Komponenten wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufweist, weist einen Teilreflexionsspiegel 40 und einen Totalreflexionsspiegel 41 auf, die auf der unteren Platte 14 derart aufliegen, daß der Teilreflexionsspiegel und der Totalreflexionsspiegel relativ zu dem Festkörper-Laserstab 1 an der Rückseite und an der Vorderseite angeordnet sind.
Von einer spontanen Emission in dem gepumpten Festkörper-Laserstab 1 stammendes Licht wird in einem optischen Resonator hin- und herreflektiert und dadurch verstärkt, so daß ein kohärenter Laserstrahl 42 erzeugt wird. Diese Konstruktion wird somit als ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörperlaser verwendet. Der Teilreflexionsspiegel 40 und der Totalreflexionsspiegel 41 bilden den optischen Resonator.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann jede von den Konstruktionen des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels bei dem mit einem Diodenlaser gepumpten Festkörperlaser 200 verwendet werden.
Bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird in einem einzigen Pumpmodul von einer Diodenlaseranordnung stammendes Pumplicht auf einen Festkörper-Laserstab in vier oder in drei Richtungen rechtwinklig zu der optischen Achse des Festkörper-Laserstabes aufgestrahlt. Die Anzahl der Diodenlaseranordnungen, die als Pumpquellen dienen, sowie die Anzahl der Aufstrahlrichtungen von Pumplicht sind nicht auf die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen beschränkt. Es kann jede beliebige Konstruktion verwendet werden, solange Pumplicht in lateraler Richtung auf den Festkörper-Laserstab aufgestrahlt werden kann.
Bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird eine Diodenlaseranordnung mit einer Vielzahl von linear angeordneten lichtemittierenden Vorrichtungen als Pumpquelle verwendet. Es versteht sich von selbst, daß bei Verwendung eines Diodenlasers mit einer einzigen lichtemittierenden Vorrichtung die gleichen Vorteile erzielt werden können.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erzeugt ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörperlaser einen Laserstrahl unter Verwendung eines stabilen optischen Resonators, der durch Plazieren eines Teilreflexionsspiegels und eines Totalreflexionsspiegels an der Rückseite und der Vorderseite relativ zu dem Festkörper-Laserstab 1 gebildet ist. Der optische Resonator ist nicht auf diesen Typ beschränkt. Alternativ hierzu kann beispielsweise ein instabiler optischer Resonator zum Erzeugen eines Laserstrahls durch Lichtbrechung unter Plazierung von Totalreflexionsspiegeln an der Rückseite und der Vorderseite relativ zu dem Festkörper-Laserstab 1 gebildet sein.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, der einen Festkörper-Laserstab aufweist, der sich entlang der optischen Achse eines Laserstrahls erstreckt und ein aktives Medium enthält, sowie eine Vielzahl von Pumplichtquellen aufweist, die optische Pumplichtachsen aufweisen, die in einer zu der Axialrichtung des Festkörper- Laserstabes orthogonalen Richtung liegen und um eine vorbestimmte Distanz von der Axialrichtung des Festkörper-Laserstabes getrennt sind, wobei bei Projektion der optischen Achsen der Vielzahl der Pumplichtquellen auf eine zu der Axialrichtung des Festkörper-Laserstabes orthogonale Ebene die optischen Achsen der Vielzahl der Pumplichtquellen in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind, wobei die Axialrichtung des Festkörper-Laserstabes die Rotationsachse auf der Ebene bildet.
Infolgedessen kann eine Schwankung in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes minimiert werden, und es tritt kein Bifokalphänomen auf. Letztendlich kann der Linseneffekt des Festkörper-Laserstabes aufgrund der Wärmeabführung unter Verwendung eines sphärischen Spiegels, einer konvexen Linse oder einer konkaven Linse in wirksamer Weise korrigiert werden. Ein Laserstrahl mit hoher Strahlqualität kann in stabiler und effizienter Weise erzeugt und verstärkt werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, der mindestens drei Pumplichtquellen beinhaltet. Wenn von den Pumplichtquellen stammend e Pumplichtstrahlen auf eine Ebene orthogonal zu dem axialen Kern des Festkörper-Laserstabes projiziert werden, werden die Pumplichtstrahlen in mindestens drei Richtungen in der Ebene auf den Festkörper-Laserstab aufgestrahlt.
Da die Richtung, in der die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus durch Einstellen der Abweichung der optischen Achsen korrigiert wird, auf zwei oder mehr nicht zueinander parallelen Richtungen in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes eingestellt werden kann, läßt sich die Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes in wirksamer Weise homogen machen. Infolgedessen kann die in Umfangsrichtung festzustellende Bifokalrate, d.h. die Richtwirkung in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus drastisch reduziert werden.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, der optische Elemente aufweist, die zwischen dem Festkörper-Laserstab und den Pumplichtquellen angeordnet sind, um die optischen Achsen der Pumplichtstrahlen in bezug auf den Festkörper-Laserstab zu positionieren. Da die Positionen der optischen Achsen, entlang derer sich die Pumplichtstrahlen fortpflanzen, konstant bleiben, kann eine stabile Verteilung der Pumpdichten in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes erzielt wer den. Eine effiziente Verstärkung und Erzeugung eines Laserstrahls mit hoher Strahlqualität kann in stabiler Weise aufrechterhalten werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, bei dem die optischen Elemente zum Positionieren der optischen Achsen der Pumplichtstrahlen optische Wellenleiterplatten sind. Die Pumplichtstrahlen können in effizienter Weise übertragen werden, während sie durch die optischen Wellenleiterplatten eine Totalreflexion erfahren. Da ferner die Brennweite oder die Kondensationsrichtung bei der Anordnung nicht berücksichtigt werden müssen, lassen sich die Montage und die Einstellung in einfacher Weise vornehmen.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, der einen Reflektor besitzt, der Öffnungen für den Durchtritt der Pumplichtstrahlen sowie eine diffuse Reflexionsoberfläche aufweist, die den Festkörper-Laserstab umschließend vorgesehen ist. Die Reflexionsrichtung des Lichts von der diffusen Reflexionsoberfläche wird mit einer Streuung unterschiedlich gemacht, die durch den Zustand der diffusen Reflexionsoberfläche bestimmt ist. Die Richtwirkung bei der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes kann somit eliminiert werden, und das Auftreten eines Bifokalphänomens kann drastisch reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Gesichtpunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, der optische Wellenleiterplatten aufweist, die in den Öffnungen des Reflektors als optische Elemente zum Positionieren der optischen Pumplichtachsen vorgesehen sind. Während die Effizienz beim Übertragen der Pumplichtstrahlen zu dem Reflektor hoch gehalten wird, lassen sich Eintrittsöffnungen des Reflektors, durch die die Pumplichtstrahlen eingeleitet werden, kleiner ausbilden. Dies führt zu einem effizienten Pumpvorgang.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, wobei der Reflektor auch als Einrichtung zum Festlegen der Pumplichtquellen dient. Infolgedessen lassen sich die Anzahl der Komponenten reduzieren, die Montage vereinfachen und die Kosten verringern.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, der Seitenplatten zum Abstützen des jeweiligen der beiden Enden des Festkörper-Laserstabes sowie eine Vielzahl von Pumpmodulen aufweist, die entlang des Festkörper-Laserstabes angeordnet sind, wobei jedes Pumpmodul mit einem flachen Substrat ausgebildet ist, das in seinem Zentrum eine Öffnung aufweist, durch die der Festkörper-Laserstab hindurchgeführt ist, wobei die Pumplichtquellen mit einer Befestigungseinrichtung an dem Substrat befestigt sind und wobei eine Verbindungs- und Befestigungseinrichtung vorgesehen ist zum Verbinden einer entlang des Festkörper-Laserstabes vorgesehenen Vielzahl von Pumpmodulen miteinander sowie zum Befestigen der Pumpmodule an den Seitenplatten vorgesehen ist.
Die Vielzahl der Pumpmodule kann an normalen Plazierungspositionen sowie an normalen Plazierungswinkeln in äußerst exakter, einfacher und fester Weise verbunden und angebracht sein. Die positionsmäßige Beziehung innerhalb der Vielzahl von Pumpquellen kann konstant bleiben. Die Verstärkungsleistung läßt sich somit in einfacher Weise verbessern. Selbst wenn eine Störung, wie zum Beispiel mechanische Vibrationen, auftritt, kann aufgrund der Tatsache, daß eine Verlagerung der Pumpmodule von den normalen Plazierungspositionen und den normalen Plazierungswinkeln sowie ein Bruch in der positionsmäßigen Beziehung innerhalb der Vielzahl von Pumpquellen unterdrückt werden kann, eine stabile Verstärkungsleistung und ein stabiler Laserausgang erzielt werden.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörper-Laserverstärker angegeben, bei dem die Pumpmodule in einem vorbestimmten Winkel bei sukzessiver Verlagerung des Winkels um den Festkörper-Laserstab als zentrale Achse miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Aufstrahlrichtungen von Pumplicht auf den Festkörper-Laserstab läßt sich erhöhen, und Schwankungen in der Verteilung der Wärmeabführungsniveaus, die in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes auftreten, lassen sich noch weiter reduzieren. Die in Umfangsrichtung in einem Bereich des Festkörper-Laserstabes zu beobachtende Bifokalrate läßt sich in zuverlässiger Weise reduzieren, und ein Laserstrahl mit hoher Strahlqualität läßt sich in stabiler und effizienter Weise verstärken.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mit einem Diodenlaser gepumpter Festkörperlaser angegeben, der folgendes aufweist: einen Fest körper-Laserstab, der sich entlang der optischen Achse eines Laserstrahls erstreckt und ein aktives Medium enthält, eine Vielzahl von Pumplichtquellen, die optische Pumplichtstrahlachsen aufweisen, die in einer zu der Axialrichtung des Festkörper-Laserstabes orthogonalen Richtung liegen und um eine vorbestimmte Distanz von der Axialrichtung des Festkörper-Laserstabes getrennt sind, einen Teilreflexionsspiegel, der an dem einen Ende des Festkörper-Laserstabes angeordnet ist, sowie einen Totalreflexionsspiegel, der an dem anderen Ende des Festkörper-Laserstabes angeordnet ist, wobei bei Projektion der optischen Achsen der Vielzahl der Pumplichtquellen auf eine zu der Axialrichtung des Festkörper-Laserstabes orthogonale Ebene die optischen Achsen der Vielzahl von Pumplichtquellen in gleichen Winkelabständen angeordnet sind, wobei die Axialrichtung des Festkörper-Laserstabes eine Rotationsrichtung in der Ebene bildet. Somit läßt sich ein äußerst effizienter Laserstrahl mit hoher Qualität in stabiler Weise erzeugen.

Claims

Festkörper-Laserverstärker, der folgendes aufweist: – einen Festkörper-Laserstab (1), der sich entlang der optischen Achse des Laserstrahls erstreckt und ein aktives Medium enthält; und – eine Vielzahl von Pumplichtquellen (3a–3d), die optische Pumplichtachsen (401a–401d) aufweisen, die in einer zu der Laserstabachse (8) orthogonalen Richtung liegen, wobei die optischen Achsen (401a–401d) um eine vorbestimmte Trennungsdistanz von dem Durchgang durch die Laserstabachse (8) abweichen, – wobei bei Projektion der optischen Achsen der Vielzahl der Pumplichtquellen (3a–3d) auf eine zu der Laserstabachse (8) orthogonale Ebene die optischen Achsen (401a–401d) in gleichmäßigen Winkelabständen um die Laserstabachse (8) als Rotationsachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen als Pumpmodule ausgebildet sind, daß eine Vielzahl von Pumpmodulen (118) entlang des Festkörper-Laserstabes (1) angeordnet ist, wobei jedes Pumpmodul (118) mit einem flachen Substrat (9) ausgebildet ist, das in seinem Zentrum eine Öffnung aufweist, durch die der Festkörper-Laserstab (1) hindurchgeführt ist, wobei die Pumplichtquellen (3a–3d) mit einer Befestigungseinrichtung (10) an dem Substrat befestigt sind, und daß die Pumpmodule (118) in rotationsmäßig zueinander versetzter Weise an vorbestimmten Winkeln um die Laserstabachse (8) herum miteinander verbunden sind, so daß die Pumplicht-Dichteverteilung derart vorliegt, daß die Verteilung der Wärmeabführung innerhalb des Laserstabes (1) homogen ist.
Festkörper-Laserverstärker nach Anspruch 1, wobei mindestens drei Pumplichtquellen (3a–3d) vorhanden sind, wobei von den Pumplichtquellen stammendes Licht auf den axialen Kern des Festkörper-Laserstabes (1) projiziert wird, wobei das Pumplicht aus mindestens drei Richtungen auf den Festkörper-Laserstab (1) aufgestrahlt wird.
Festkörper-Laserverstärker nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit optischen Elementen (39), die zwischen dem Festkörper-Laserstab (1) und den Pumplichtquellen (3a–3d) angeordnet sind, zum Positionieren der optischen Pumplichtachsen in bezug auf den Festkörper-Laserstab (1).
Festkörper-Laserverstärker nach Anspruch 3, wobei die optischen Elemente zum Positionieren der optischen Pumplichtachsen (401a–401d) optische Wellenleiterplatten (39) sind.
Festkörper-Laserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin mit einem Reflektor (36), der Öffnungen für den Durchtritt des Pumplichts aufweist und der eine diffuse Reflexionsoberfläche aufweist, die den Festkörper-Laserstab (1) umschließend vorgesehen ist.
Festkörper-Laserverstärker nach Anspruch 5, weiterhin mit optischen Wellenleiterplatten (39), die in den Öffnungen (38) des Reflektors (36) als optische Elemente zum Positionieren der optischen Pumplichtachsen (401a–401d) vorgesehen sind.
Festkörper-Laserverstärker nach Anspruch 5, wobei der Reflektor (36) auch als Einrichtung zum Festlegen der Pumplichtquellen (3a–3d) dient.
Festkörper-Laserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin mit Seitenplatten (12) zum Abstützen der jeweiligen beiden Enden des Festkörper-Laserstabes (1); und mit einer Verbindungs- und Befestigungseinrichtung zum Verbinden der entlang des Festkörper-Laserstabes (1) angeordneten Vielzahl von Pumpmodulen (118) miteinander sowie zum Befestigen der Pumpmodule (118) an den Seitenplatten (12).
Mit Diodenlaser gepumpter Festkörperlaser, der folgendes aufweist: einen Laserverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, einen Teilreflexionsspiegel (40), der an dem einen Ende des Festkörper-Laserstabes (1) des Laserverstärkers angeordnet ist, sowie einen Totalreflexionsspiegel (41), der an dem anderen Ende des Festkörper-Laserstabes (1) angeordnet ist.