EP1891718A1 - Lasersystem mit mehreren longitudinal gepumpten laseraktiven festkörpern - Google Patents

Lasersystem mit mehreren longitudinal gepumpten laseraktiven festkörpern

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Publication number
EP1891718A1
EP1891718A1 EP06754248A EP06754248A EP1891718A1 EP 1891718 A1 EP1891718 A1 EP 1891718A1 EP 06754248 A EP06754248 A EP 06754248A EP 06754248 A EP06754248 A EP 06754248A EP 1891718 A1 EP1891718 A1 EP 1891718A1
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EP
European Patent Office
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radiation field
laser
laser system
radiation
solid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06754248A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Malte Kumkar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP1891718A1 publication Critical patent/EP1891718A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
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    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08072—Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator

Definitions

  • the invention relates to a laser system comprising a laser radiation field guide, in which extends a laser radiation field, at least one laser active field penetrated by the laser radiation field, extending in the direction of a longitudinal axis between two opposite end faces solid, a pump radiation source for generating pump radiation to the optical Pumping the laser-active solid, a pump radiation guide, which divides the pump radiation for pumping the solid in a first and a second partial radiation field, and which couples the first partial radiation field via the one end surface and the second partial radiation field via the other end surface in the longitudinal direction in the solid.
  • Such laser systems are known for example from DE 196 03 704 Al.
  • the invention is therefore based on the object to obtain a stable as possible working laser system with the highest possible performance.
  • This object is achieved in a laser system of the type described above according to the invention> that the laser radiation field passes through at least two successively arranged in the direction of its beam axis laser active solid material of identical material that the pump radiation guide is designed such that this in each of the solid first partial radiation field is coupled via the one end surface and the second partial radiation field via the other end surface and that the pump radiation guide is designed such that a pumping power coupled into each of the at least two solids can be adjusted such that the effects of the pump power in each the thermal lenses produced on the laser radiation field are substantially identical to the at least two solid bodies.
  • the advantage of the solution according to the invention is to be seen in that it offers a simple possibility of increasing the performance through the use of two or more solids, wherein at the same time despite using a plurality of solids stable operation of the laser system, in particular in a fundamental mode, is possible.
  • This stable operation of the laser system is achieved by the effect of the thermal lenses generated by the pump powers in each of the at least two solids on the laser radiation field being substantially identical, the beam quality of the laser radiation field, and thus also the beam quality of the decoupled output beam does not adversely affect.
  • the advantage of the solution according to the invention is also to be seen in the fact that changes in the pump radiation source, in terms of wavelength or power, which is always to be expected especially when the pump radiation source is a laser diode or laser diodes, substantially not negatively affect the beam quality of the laser Radiation field, since they occur in each of the at least two forming thermal lenses in the same way and thus do not lead to a disturbance of the symmetries in the laser radiation field.
  • a particularly favorable solution provides that the partial radiation fields are coupled into the latter substantially parallel to the longitudinal axis of the respective solid, so that only the best possible coupling of the pumping power takes place due to the partial radiation fields.
  • the partial radiation fields are coupled into the latter in a manner substantially symmetrical to the beam axis within the respective solid body.
  • the first partial radiation fields in each of the respective solids have a substantially identical radiation field form. Furthermore, it is provided that the second partial radiation fields in each of the respective solids have a substantially identical radiation field form.
  • the radiation field shapes of the first and the second partial radiation field are identical. It is in principle sufficient if the first radiation field shapes and the second radiation field shapes are identical to each other.
  • the sum of the pump powers coupled into the respective solid body by the two partial radiation fields is approximately the same in each of the solids.
  • This feature means that it is primarily the sum of the pump powers that is present in each solid that determines the thermal lensing effect in a first approximation. How this sum of pumping power is composed can vary in principle in each of the solids.
  • the first partial radiation fields are substantially identical in terms of their pumping power, in particular with respect to their spatial distribution of the pumping power.
  • the second partial radiation fields are substantially identical in terms of their pumping power, in particular with respect to their spatial distribution of the pumping power.
  • a solution which is expedient with regard to the spatial distribution of the pumping power provides that the first and the second partial radiation field in each of the solids extend essentially mirror-symmetrically to an approximately central mirror plane of the solid in order to obtain the highest possible symmetry in the optical pumping of the solid.
  • a particularly favorable solution provides that the ratio of the pumped power injected from the first partial radiation field to the pumped-in power from the second partial radiation field is substantially the same in each of the solid bodies, since then even with a power loss of one partial radiation fields, for example due to power loss of the pumping radiation source supplying the same , the ratio of the thermal lenses in the solids remains with each other. It is particularly advantageous if each of the two partial radiation fields entering each of the solids couples into this approximately the same pump power in order to achieve the most uniform possible ratios in the optical pumping of the solids.
  • one solution provides that the first and the second partial radiation field have a defined relative polarization in each of the solids.
  • both partial radiation fields have the same polarization in each of the solids.
  • the polarization of the partial radiation fields can thus be adapted to a preferred direction of the polarization in the solid state.
  • the conditions according to the invention can be achieved in a particularly simple manner if the first partial radiation field originates from a pump radiation source for each solid arranged in the laser radiation field guidance.
  • the second partial radiation field also originates from a pump radiation source for each solid arranged in the laser radiation field guidance.
  • Another advantageous solution provides that the two partial radiation fields entering the respective solid body originate from the same pump radiation source. This does not necessarily mean that the partial radiation fields entering each of the solid bodies must originate from the same pump radiation source, but that this condition must be satisfied only for each one of the solids.
  • the two partial radiation fields originate from the same pump radiation source for at least two of the solids and, for example, another pump radiation source is provided for a further two of the solids.
  • the laser system has two pump units, each of which pumps at least two solids with partial radiation fields from the same pump radiation source. However, it is particularly favorable if all partial radiation fields coupled into the at least two solids originate from a single pump radiation source.
  • the distribution of the pump radiation into different partial radiation fields can take place, for example, via partially transparent mirrors.
  • a further advantageous solution provides that the adjustable division of the pump power into the partial radiation fields via the relative adjustment between a polarizer with polarization-dependent transmission and reflection and an adjustable polarisationsbeein kgenden element.
  • an advantageous solution provides that the partial radiation fields are coupled via folding mirrors of the resonator in the respective solid state. Furthermore, in connection with the previous explanation of the individual embodiments, no further details about the formation of the solid as such have been made. Thus, an advantageous solution provides that the at least two solids are formed identically.
  • the formation of the thermal lens is not the only effect occurring by the optical pumping, but rather an astigmatism caused by the thermal lens may occur, it is preferably provided that the at least two solids are arranged relative to the laser radiation field such that that a compensation of a condition caused by the respective thermal lens astigmatism takes place.
  • An astigmatism can be due to a preferred direction in the solid state, a specific cooling geometry or a specific pumping professional! be conditional.
  • the compensation of the astigmatism merely means that the effects of the astigmatism, insofar as they lead to a deviation of the laser radiation field from a rotationally symmetrical to the beam axis cross-sectional shape, are compensated, so that the resonator has a substantially rotationally symmetrical to the beam axis cross-sectional shape.
  • Such a compensation of the astigmatism can in principle also take place in the coupling of several solids.
  • the solids of a compensation pair with the main axes of the astigmatism are rotated by 90 ° relative to one another.
  • the major axes of astigmatism may be due to the pumping profile, the cooling geometry or the crystal geometry in the solid state.
  • the polarization direction of the laser radiation field is adapted to a major axis of polarization of the respective solid, so that the effects caused by the astigmatism in the same manner in the section of the laser radiation passing through the respective solid - enter field.
  • the polarization direction of the laser radiation field is aligned parallel to the main axis of the polarization of the respective solid.
  • a solution particularly suitable with regard to the compensation of astigmatism provides that the solid bodies of a compensation pair are rotated with their main axes of polarization rotated by 90 ° relative to one another, so that in a simple manner the effects of the astigmatism of the thermal lens with respect to their deviation from one to Beam axis of the laser radiation field rotationally symmetric cross-sectional shape can be compensated.
  • each solid is pumped through a first and a second partial radiation field whose polarization direction is aligned parallel to the main axis of the polarization of the respective solid.
  • the at least two solids are aligned relative to the laser radiation field such that a compensation of a birefringence caused by the respective thermal lens takes place.
  • the birefringence is compensated only to the extent that the birefringence leads to deviations of a structure of the laser radiation field that is rotationally symmetrical with respect to the beam axis and the polarization state uniform over the beam cross section, so that the birefringence caused by the respective thermal lens is compensated to understand that their impact on one to the beam axis rotationally symmetrical structure of the laser radiation field and a uniform over the beam cross-section polarization state can be compensated.
  • the polarization directions of the laser radiation field in one of the solid bodies are rotated by 90 ° relative to the polarization directions of the amplifier radiation field in the other of the solids.
  • the laser radiation field guidance is integrated in a resonator, so that the laser radiation field represents a resonator radiation field.
  • a subarea of the laser radiation field guidance for example comprising one or two of the plurality of solids, as a resonator with a resonator radiation field forming and the remaining part of the laser radiation field guidance for amplifying the laser radiation from the resonator with an amplifier radiation field.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a laser system according to the invention with the formation of thermal lenses in the solids.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the effects of in the
  • FIG. 3 is a schematic representation similar to FIG. 2 of a variant of the first embodiment, comprising a resonator radiation field and an amplifier radiation field;
  • FIG. 4 is a schematic representation of a second embodiment of a laser system according to the invention with more than two solids;
  • FIG. 5 is a schematic representation of a third embodiment of a laser system according to the invention with more than two solids;
  • FIG. 6 is a schematic representation of a fourth embodiment of a laser system according to the invention with more than two solids;
  • FIG. 7 is a schematic representation of the first embodiment with additional representation of a compensation of a caused by the thermal lensing astigmatism and
  • FIG. 8 is a schematic representation similar to Figure 5 of the first embodiment in the case of a compensation of a caused by the thermal lens birefringence.
  • a first exemplary embodiment of a laser amplifier system according to the invention, illustrated in FIG. 1, comprises a resonator designated as a whole by 10 and representing a laser radiation field guide, which has a first end mirror 12 and a second end mirror 14.
  • the resonator radiation field 16 comprising a plurality of laser active material and arranged successively in the direction of the beam axis 18, in particular of identical material and identical formed solid body 20, for example, the solid state 2Oi and 2O 2 passes through, which extend with their longitudinal axes 22i and 22 2 approximately parallel to the course of the beam axis 18 in the solids 2Oi and 2O 2 .
  • the resonator 16 occurs on end surfaces 24i and 26i and 24 2 and 26 2 in the solid 2O x 2O or 2, and from these out.
  • the Resonatorstrahlungsfeld 16 is formed so that it has in the region of the end mirror 12 and 14 each have a waist 28 and 30, while it between the end mirrors 12 and 14, for example, in his the solids 2Oi or 2O 2 passing through sections 32i or 32 2 each have a portion 34i and 34 2 with maximum radiation field cross-section.
  • the resonator 10 comprises for each of the still solid 2Oi and 2O 2 a folding mirror set 36i and 3S 1 and 36 2 and 38 2, which folds the resonator 16 by reflection.
  • the resonator 16 is preferably folded so that the exhibit in the solid bodies and 2Oi 2O 2 extending portions 3I 1 and 32 2 in the solid state or 2Oi 2O 2 is substantially the same spatial geometric profile.
  • a pump radiation source designated as a whole by 50 is provided, the pump radiation of which is supplied either directly or through a light guide 52 to a pump radiation guide designated as a whole by 60.
  • the pump radiation guide 60 has an optic 62, which transforms the divergent pump radiation 64 emerging from the light guide 52 into a collimated pump radiation field 66, which undergoes a complete depolarization through a depolarizer 68.
  • This collimated and depolarized pump radiation field is transformed into a first pump radiation field branch 72 with a first polarization and a second pump radiation field branch 74 with a second polarization array substantially perpendicular to one of the polarization directions and substantially reflective for another one of the polarization directions
  • Polarization is divided, wherein in each case a first partial radiation field 82i or 82 2 for the first solid 2Oi and the second solid 2O 2 is generated from the first pump radiation field branch 72, while from the second pump radiation field branch 74 each have a second partial radiation field 84 X and 84th 2 for the first solid 2O x and the second solid 2O 2 is generated.
  • the first pump radiation field branch 72 is deflected by a reflector 88 and a division unit 90 comprising a polarization-influencing element 92 and one for one of the polarization directions substantially transparent and for another of the Polarization directions substantially reflective polarizer 94, the partial radiation field 82i divided.
  • the first pump radiation field branch 72 continues with reduced pump power and then forms the partial radiation field 82 2 after being reflected by a reflector 96.
  • the second pump radiation field branch 74 also passes through a division unit 100 comprising a polarization-influencing element 102 and a polarizer 104 substantially transparent to one of the polarization directions and substantially reflective to another of the polarization directions, which branches off the partial radiation field 84 ⁇ from the second pump radiation field branch 74, such that the second pump radiation field branch 74 'has a reduced pump power after passing through the graduation unit 100 and forms the partial radiation field 84 2 after being reflected by a reflector 106.
  • the spatial radiation field shapes 116i or II6 2 of the respective first partial radiation fields 82i and 82 2 and the spatial radiation field shapes II8 1 and 118 2 of the second partial radiation fields 84i and 84 2 are identical.
  • all radiation field shapes Ho 1 and II8 1 and 116 2 and 118 2 are substantially identical, and preferably the radiation field shapes II6 1 and II81 of the partial radiation fields 82i and 84i cooperating in the first solid body 20i for pumping the laser-active material are identical to one another and mirror-symmetrical to a plane of symmetry 120.
  • the coupling of the part of radiation is carried out - Fields 82i and 84i and 82 2 and 84 2 on the respective solid body 2O x or 2O 2 associated folding mirror 36i and 38i or 36 2 and 38 2 , and in that the folding mirrors 36, 38 for the partial radiation fields 82 and 84 are permeable.
  • the degree of division of the optical power between the partial radiation field 82 i and the remaining pump radiation field branch IT by the first division unit 90 or the degree of division of the pump power between the partial radiation field 84 i and the remaining second Pump radiation field branch 74 ' is adjustable, it is possible to adjust the coupled by the two partial radiation fields 82 X and 84i in the first solid state 2Oi pumping power and by the partial radiation fields 82 2 and 84 2 in the second solid state 2O 2 coupled pump power.
  • the thermal lenses 13Oi and 13O 2 can be varied while maintaining the distribution so as to easily adjust the desired course of the resonator radiation field 16 while maintaining the symmetry of the resonator radiation field 16.
  • the pump radiation guide 60 according to the invention fed with pump radiation from a single pump radiation source 50 has the advantage that even if the pump radiation source 50, for example, in terms of Wavelength of the pump radiation, or the power of the pump radiation changes which, however, remain the same in the solid bodies 2Oi and 2O 2 thermal lenses 13Oi generated and 13O 2 Although also change, so that the symmetry of the resonator 16 can be maintained and thus a total of the resonator 10 with a suitable design still optimally tuned to the set mode, for example, the fundamental mode works, so that the beam quality of an exiting for example by the end mirror 14 Nutzstrahls 132 remains unchanged, although the output from the pump radiation source 50 pump radiation, for example, in terms Wavelength and / or its performance has changed.
  • the ratio of the pumping power coupled in by the first partial radiation field 82 to the pumping power coupled in by the second partial radiation field 84 should then be the same in each of the solid bodies 20.
  • the two solids 2Oi and 2O 2 build a resonator-amplifier arrangement, wherein the solid 2Oi of the Resonatorstrahlungsfeld 16a and the solid 2O 2 are penetrated by the amplifier radiation field 16b
  • the symmetry of the thermal lenses 130i and 13O 2 remains and the laser radiation field 16 is mirror-symmetrical to the end mirror 14.
  • the solution according to the invention is not limited to two solids 2Oi to 2O 2 , but can, as shown in Fig. 4, be extended to a variety of solids 2Oi to 2O 4 or even more solids 20.
  • the pump radiation guide 60 ' is to be modified such that from the pump radiation field branches 72 and 74 by multiple provision of graduation units 90, 100, for example of graduation units 90i, 9O 2 and 9O 3 and 100i, 10O 2 and 10O 3, the pump radiation field branch 72 in a total of four Partial radiation fields 82i, 82 2 , 82 3 and 82 4 is divided, which preferably all have substantially the same pump power.
  • the second pump radiation field branch 74 is divided by the division units 100i, 10O 2 and 10O 3 into a total of four partial radiation fields 84i to 84 4 , so that all of them likewise have substantially the same pumping power overall.
  • thermal lenses 130 can also be in the total of four solids 2Oi to 2O 4 thermal lenses 130 generate, which are substantially identical, then the symmetric conditions shown in Fig. 2 that of the resonator radiation field 16 on four solid 2Oi to 2O 4 extend to let.
  • a total of four solids namely 20i a , 20 2a / 20i b and 20 2b are provided in a resonator 10 ", wherein the solid state 20 la and 20 2a by a pump radiation guide 60a are pumped according to the first embodiment, while the solid 20i b and 20 2b are pumped by also a pump radiation guide 60b according to the first embodiment and each of the pump radiation guides 60a and 60b has its own pumping radiation source 50a and 50b.
  • the thermal lenses 130 are identical in the solid bodies 20 ia and 20 2a , or in the solids 20i b and 20 2b also the thermal lenses are substantially identical, however a disturbance of the symmetry occur in that the thermal lenses of the solid 20i a and 20 2a relative to the thermal lenses 20i b and 20 2b are different.
  • the design and arrangement of the pumping radiation guides 60a and 60b correspond to those of the third exemplary embodiment according to FIG. 5.
  • the laser radiation field guidance 10 '" is designed as a resonator only in the region passing through the solid bodies 20i a and 20 2a , so that an area formed as an amplifier follows the end mirror 14"' and comprises the solids 20i b and 20 2b .
  • the laser radiation field 16 "' is divided into a whole forming a Resonatorstrahlungsfeld 16"' a region and an amplifier radiation field 16 "'b forming area.
  • the solid 20i a and 20 2a form a pair and the solid 20i b and 20. 2b a pair, wherein for each pair, the symmetry of FIG. 2 is maintained by adjusting the pump power and this adjustment by adjusting the pump power within the Couples is simplified.
  • the second embodiment, the third and the fourth embodiment are constructed and constructed in the same way as the first embodiment, so that with respect to the explanation of these elements and their function is fully incorporated by reference to the comments on the first embodiment.
  • astigmatism of the thermal lenses may occur in addition to the thermal lenses 130, that is, as shown in FIG. 7, those in the solid state 2Oi and in the solid state 2O 2 formed by the optical pumping thermal lens 13O'i and 130 ' 2 is not rotationally symmetrical to the beam axis 18 is formed.
  • each of the solid bodies 20 ⁇ and 20 2 has a major axis Ai or A 2 of astigmatism, which correspond to the major axes of the polarization P 1 , P 2 in the case of astigmatism due to the crystal axes.
  • This main axis A 1, A 2 of the astigmatism resulting in the Ai or A2 occurring focusing effect of the thermal lens 13O'i t.l30 '2 is greater in the direction of this main axis perpendicular to said respective main axis Ai and A 2, , Starting from a round cross-section 140 of the resonator radiation field 16 in the region of the end mirror 12, as shown in FIG.
  • the resonator radiation field 16 being more strongly focused in the direction of the main axis Ai when passing through the solid 20i, as shown in dashed lines in FIG in that the resonator radiation field 16 forms a first beam waist 142 in the main axis A x and forms a second beam waist 144 in the direction perpendicular to the main axis A 1 at a greater distance from the first solid body 2O x .
  • the resonator radiation field 16 with respect to the beam axis 18 after passing through the solid 2Oi has a non-rotationally symmetrical cross-sectional shape, as for example at the cross-sectional shape 146 of the resonator radiation field 16 after passing through the solid 2Oi and at the cross-sectional shape of the beam waistings 142 and 144 and at their distance from each other in the direction of the beam axis 18 shows.
  • an imaging optics 134 is provided, which comprises two imaging optics 136 and 138, which has a plane Mi which perpendicular to the beam axis 18 in the first solid 2Oi, in a plane M 2 of the solid 2O 2 images, which also runs in this perpendicular to the beam axis 18, and vice versa.
  • the solids 2Oi and 2O 2 with their major axes of the astigmatism Ai, A 2 are arranged such that they are rotated by 90 ° relative to each other, as shown in Fig. 7.
  • This arrangement of the solid state 2Oi and 2O 2 causes the resonator radiation field 16 after passing through the first solid 2O x when passing through the second solid 2O 2 again "sees" an astigmatism, which is however tilted by 90 °, since the main axis A 2 of Astigmatism in the second solid 2O 2 is rotated.
  • the thermal lens 13O'i equal to the effect of the thermal lens 130 ' 2 , but with an astigmatism, which is rotated by 90 ° between the thermal lenses 13O'i and 130' 2 , so compensate for the effects of astigmatism the thermal lenses 13O'i and 130 ' 2 such that the resonator radiation field 16 again has a substantially round cross-sectional shape 148 at the end mirror 14.
  • the polarizer 150 can select the one linear polarization independent of the major axes Ai, A 2 of the astigmatism.
  • the astigmatism of the thermal lens 130 is associated with a preferred direction of polarization Pi, P 2 in the solid state.
  • the polarizer 150 preferably has a polarization direction PR of the resonator radiation field at the outcoupling mirror 14, which coincides both with the preferred direction of the polarization P 2 of the solid 2 O 2 and with a major axis of the astigmatism A 2 associated with this polarization direction.
  • the polarizer 150 causes the output beam 132 coupled out of the resonator radiation field 16 to be polarized in such a way that there is a constant phase relationship between perpendicular polarization components over the cross section thereof.
  • this is achieved by a linear polarization of the resonator radiation field 16.
  • the polarization direction PR of the resonator radiation field 16 is to be aligned so that it with the main axis P of polarization in the respective solid 2O x or 2O 2 coincide (Fig. 7).
  • the polarization PRi of the Resonatorstrahlungsfeides 16 in the first solid 2Oi is aligned so that it is parallel to the main axis Pi and Ai and in the second solid 2O 2 , the polarization PR 2 of the Resonatorstrahlungsfeldes 16 to align so that these parallel to the main axis P 2 and A 2 runs.
  • a polarization-influencing element 152 is to be provided between the solids 2Oi and 2O 2 which converts the polarization PRi of the resonator radiation field 16 in the polarization direction PR 2 in the region of the first solid 2Oi before the resonator radiation field 16 passes through the second solid 2O 2 and vice versa.
  • the optical excitation of the first solid 2O x expediently takes place with a polarization OPi, which leads to the preferred direction of the polarization P 1 .
  • P 2 is aligned the same.
  • a suitable orientation provides that the polarization OPi runs parallel to the main axis Pi, wherein both partial radiation fields 82i and 84i are polarized parallel to that of the direction OPi.
  • an excitation is of the solid 2O 2 with a polarization OP 2, which is the same orientation to the preferred direction of polarization, in particular runs parallel to the main axis P 2, wherein also in this case, the partial radiation fields 82 2 and 84 2 parallel to the polarization OP 2 , are polarized.
  • the thermal lens 130 "i and 130" 2 additionally comprises a birefringence, for example a rotationally symmetric stress birefringence, in which a radial polarization component RP and an azimuthal polarization component AP have different magnitudes.
  • the thermal lens 13Oi of the solid body 20i having a major axis of the birefringence in the direction of the radial polarization RPi and another main axis of the birefringence in the direction of the azimuthal polarization AP x on.
  • the orientation of these major axes is uniform in a cylindrical coordinate system, based on a Cartesian coordinate system location-dependent.
  • a solid state material exhibiting such behavior is, for example, Nd: YAG.
  • the refractive power of the thermal lens is thus different for the polarization component RPi and APi.
  • the polarization state of a laser radiation field 16 generally changes when passing through the respective solid 20 with the birefringence described, since a phase shift occurs between the two polarization components oriented along the principal axes of the birefringence. This means in this example that for each laser radiation field 16 whose polarization is not aligned purely azimuthally or purely radially across the beam cross-section, a change of the polarization state occurs when passing through the solid 20, this change over the cross-section is not uniform. For example, due to the stress birefringence, the radial polarization component RPi is focused more strongly than the azimuthal polarization component APi.
  • the different focussing of the radial and azimuthal polarization component results in their beam waists being arranged in the direction of the beam axis 18 at different points TR and TA.
  • an output beam 132 having a rotationally symmetrical cross-sectional shape with a fixed phase relationship between mutually perpendicular polarization components is sought, in which case linear polarization is ensured by the polarizer 150.
  • This elliptical polarization of the resonator radiation field 16 outside the main axis RP 1 and AP 1 coinciding with the polarization direction PR 1 is therefore to be compensated for in addition to the different focusing which results for the different polarization components RP 1 and AP 1 .
  • the polarization-rotating element 152 which rotates each polarization component RP and AP of the resonator radiation field 16 by 90 °, so that a radial polarization component RP 1 of the resonator radiation field 16, which is focused more strongly in the solid state 2O 1 and has a higher phase velocity than the azimuthal polarization AP 1 , in the solid state 2O 2 as the polarization component AP 2 experiences the weaker focus and lower phase velocity, while an azimuthal polarization component AP 1 of
  • Resonator radiation field 16 in the solid state 2O 1 is focused less and has a higher phase velocity than the radial polarization RP 1 , in the solid state 2O 2 as the polarization component RP 2 undergoes the stronger focus and higher phase velocity.
  • the resonator radiation field 16 is composed of the components AP and RP and thereby each portion of the resonator radiation field 16 in a solid 20 is subjected to the effect for the polarization component AP and in the other solid 20 the effect for the polarization component RP.
  • the effect of birefringence in all parts over the entire beam cross section can be canceled, and thus achieve a substantial compensation of birefringence.
  • the embodiment according to the invention allows the birefringence to be compensated for by virtue of the fact that the birefringence caused by the thermal lens 130 is set largely identically by suitable division of the pumping power onto the solids 2Oi and 2O 2 in the two solids.
  • optical pumping of the solid state 2Oi and 2O 2 with each polarization direction is possible, but also the optical pumping in this embodiment should be such that the thermal lenses 130 "i and 130" 2 are the same size as in FIG Described in connection with the first embodiment.

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Abstract

Um ein Lasersystem umfassend eine Laserstrahlungsfeldführung (10) , in welchem sich ein Laser-Strahlungsfeld (16) erstreckt, mindestens einen vom Resonatorstrahlungsfeld (16) durchsetzten laseraktiven Festkörper (20) , eine Pumpstrahlungsführung (60), welche die Pumpstrahlung (64) in ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld (82,84) aufteilt und welche das erste Teilstrahlungsfeld (82) über die eine Endfläche (24) und das zweite Teilstrahlungsfeld (84) über die andere Endfläche (26) in longitudinaler Richtung in den Festkörper (20) einkoppelt, mit möglichst optimaler Leistungsausbeute zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass das Laser-Strahlungsf eld (16) mindestens zwei in Richtung seiner Strahlachse (18) aufeinanderfolgend angeordnete laseraktive Festkörper (20) aus identischem Material durchsetzt, dass die Pumpstrahlungsführung (60) derart ausgebildet ist, dass diese in jeden der Festkörper (20) das erste Teilstrahlungsfeld (82) und das zweite Teilstrahlungsfeld (84) einkoppelt und dass die Pumpstrahlungsführung (60) derart ausgebildet ist, dass eine durch die beiden Teilstrahlungsfelder (82,84) in jeden der mindestens zwei Festkörper (20) eingekoppelte Pumpleistung derart einstellbar ist, dass die Auswirkungen von durch die Pumpleistung in jedem der mindestens zwei Festkörper (20) erzeugten thermischen Linsen (130) auf das Laser-Strahlungsfeld (16) im Wesentlichen identisch sind.

Description

LASERSYSTEM MIT MEHREREN LONGITUDINAL GEPUMPTEN LASERAKTIVEN FESTKÖRPERN
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem umfassend eine Laserstrahlungsfeld- führung, in welcher sich ein Laser-Strahlungsfeld erstreckt, mindestens einen vom Laser-Strahlungsfeld durchsetzten laseraktiven, sich in Richtung einer Längsachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Endflächen erstreckenden Festkörper, eine Pumpstrahlungsquelle zur Erzeugung von Pumpstrahlung zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers, eine Pumpstrahlungsführung, welche die Pumpstrahlung zum Pumpen des Festkörpers in ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld aufteilt, und welche das erste Teilstrahlungsfeld über die eine Endfläche und das zweite Teilstrahlungsfeld über die andere Endfläche in longitudinaler Richtung in den Festkörper einkoppelt.
Derartige Lasersysteme sind beispielsweise aus der DE 196 03 704 Al bekannt.
Derartige longitudinale Pumpanordnungen erlauben es, die durch die Endfläche einkoppelbare Pumpleistung pro Endfläche unterhalb der Zerstörschwelle zu halten, allerdings ist die verfügbare Leistung bei derartigen Lasersystemen begrenzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst stabil arbeiten- des Lasersystem mit möglichst hoher Leistung zu erhalten. Diese Aufgabe wird bei einem Lasersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst> dass das Laser-Strahlungsfeld mindestens zwei in Richtung seiner Strahlachse aufeinanderfolgend angeordnete laseraktive Festkörper aus identischem Material durchsetzt, dass die Pump- Strahlungsführung derart ausgebildet ist, dass diese in jeden der Festkörper das erste Teilstrahlungsfeld über die eine Endfläche und das zweite Teilstrahlungsfeld über die andere Endfläche einkoppelt und dass die Pumpstrahlungsführung derart ausgebildet ist, dass eine durch die beiden Teilstrahlungsfelder in jeden der mindestens zwei Festkörper eingekoppelte Pumpleistung derart einstellbar ist, dass die Auswirkungen von durch die Pumpleistung in jedem der mindestens zwei Festkörper erzeugten thermischen Linsen auf das Laser- Strahlungsfeld im Wesentlichen identisch sind.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass diese eine einfache Möglichkeit der Leistungserhöhung durch die Verwendung von zwei oder mehr Festkörpern bietet, wobei gleichzeitig trotz Verwenden mehrerer Festkörper ein stabiler Betrieb des Lasersystems, insbesondere in einem Grundmode, möglich ist.
Dieser stabile Betrieb des Lasersystems wird dadurch erreicht, dass die Auswirkungen der durch die Pumpleistungen in jedem der mindestens zwei Festkörper erzeugten thermischen Linsen auf das Laser-Strahlungsfeld dadurch, dass diese im Wesentlichen identisch sind, die Strahlqualität des Laser-Strahlungsfeldes und somit auch die Strahlqualität des ausgekoppelten Ausgangs- Strahls nicht negativ beeinträchtigen. Ferner ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung auch darin zu sehen, dass Veränderungen der Pumpstrahlungsquelle, hinsichtlich Wellenlänge oder Leistung mit denen insbesondere immer dann zu rechnen ist, wenn die Pumpstrahlungsquelle eine Laserdiode ist oder Laserdioden umfasst, sich im Wesentlichen nicht negativ auf die Strahlqualität des Laser-Strahlungsfeldes auswirken, da diese in jeder der mindestens zwei sich ausbildenden thermischen Linsen in gleicher Weise auftreten und somit nicht zu einer Störung der Symmetrien im Laser-Strahlungsfeld führen.
Eine besonders günstige Lösung sieht dabei vor, dass die Teilstrahlungsfelder im Wesentlichen parallel zur Längsachse des jeweiligen Festkörpers in diesen eingekoppelt sind, so dass allein bedingt durch die Teilstrahlungsfelder bereits eine möglichst optimale Einkopplung der Pumpleistung erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Teilstrahlungsfelder im Wesentlichen symmetrisch zur Strahlachse innerhalb des jeweiligen Festkörpers in diesen eingekoppelt sind.
Eine derartige Lösung ermöglicht es, bereits über das optische Pumpen des jeweiligen Festkörpers eine in der Rotationssymmetrie zur Strahlachse möglichst ungestörte Anregung des Festkörpers und somit eine entsprechend ungestörte Verstärkung des Laser-Strahlungsfeldes zu erreichen.
Um möglichst gleiche Anregungsbedingungen in allen Festkörpern zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die ersten Teilstrahlungsfelder in jedem der jeweiligen Festkörper eine im Wesentlichen identische Strahlungsfeldform aufweisen. Ferner ist vorgesehen, dass die zweiten Teilstrahlungsfelder in jedem der jeweiligen Festkörper eine im Wesentlichen identische Strahlungsfeldform aufweisen.
Damit ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Strahlungsfeldformen des ersten und des zweiten Teilstrahlungsfeldes identisch sind. Es ist prinzipiell ausreichend, wenn die ersten Strahlungsfeldformen und die zweiten Strahlungsfeldformen jeweils untereinander identisch sind.
Hinsichtlich der Ausbildung einer möglichst gleichen Linsenwirkung der ther- • mischen Linse ist es besonders günstig, wenn die Summe der durch die beiden Teilstrahlungsfelder in den jeweiligen Festkörper eingekoppelten Pumpleistungen in jedem des Festkörper ungefähr gleich groß ist.
Dieses Merkmal bedeutet, dass es primär auf die Summe der Pumpleistungen ankommt, die in jedem Festkörper vorliegt, da diese in erster Näherung die thermische Linsenwirkung bestimmt. Wie sich diese Summe der Pumpleistungen zusammensetzt kann vom Prinzip her in jedem der Festkörper variieren.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn in jedem der Festkörper die ersten Teilstrahlungsfelder hinsichtlich ihrer Pumpleistung, insbesondere hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung der Pumpleistung im Wesentlichen gleich ausgebildet sind.
Ferner ist es günstig, wenn in jedem der Festkörper die zweiten Teilstrahlungsfelder hinsichtlich ihrer Pumpleistung, insbesondere hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung der Pumpleistung im Wesentlichen gleich ausgebildet sind. Eine hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Pumpleistung zweckmäßige Lösung sieht vor, dass das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld in jedem der Festkörper zu einer ungefähr mittigen Spiegelebene des Festkörpers im Wesentlichen spiegelsymmetrisch verlaufen, um eine möglichst hohe Symmetrie beim optischen Pumpen des Festkörpers zu erhalten.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass das Verhältnis der vom ersten Teilstrahlungsfeld eingekoppelten Pumpleistung zu der vom zweiten Teil- Strahlungsfeld eingekoppelten Pumpleistung in jedem der Festkörper im Wesentlichen gleich ist, da dann selbst bei Leistungsabfall der einen Teilstrahlungsfelder, beispielsweise durch Leistungsabfall der diese speisenden Pumpstrahlungsquelle, das Verhältnis der thermischen Linsen in den Festkörpern untereinander bestehen bleibt. Besonders günstig ist es, wenn jedes der beiden in jeden der Festkörper eintretenden Teilstrahlungsfelder in diesen näherungsweise dieselbe Pumpleistung einkoppelt, um möglichst gleichmäßige Verhältnisse beim optischen Pumpen der Festkörper zu erreichen.
Hinsichtlich der Polarisation der Teilstrahlungsfelder wurden im Zusammen- hang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine Lösung vor, dass das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld in jedem der Festkörper eine definierte relative Polarisation aufweisen.
Besonders günstig ist es, wenn in jedem der Festkörper beide Teilstrahlungsfelder dieselbe Polarisation aufweisen. Damit lässt sich insbesondere die Polarisation der Teilstrahlungsfelder an eine Vorzugsrichtung der Polarisation im Festkörper anpassen. Hinsichtiich der zur Verfügung stehenden Pumpstrahlung wurden ebenfalls keine näheren Angaben gemacht. Besonders einfach lassen sich die erfindungsgemäßen Verhältnisse erreichen, wenn das erste Teilstrahlungsfeld für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung angeordneten Festkörper aus einer Pumpstrahlungsquelle stammt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn auch das zweite Teilstrahlungsfeld für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung angeordneten Festkörper aus einer Pumpstrahlungsquelle stammt.
Prinzipiell wäre es denkbar, zwei verschiedene Pumpstrahlungsquellen für das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld vorzusehen.
Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die beiden in den jeweiligen Festkörper eintretenden Teilstrahlungsfelder aus derselben Pumpstrahlungsquelle stammen. Das heißt nicht zwingenderweise, dass die in jeden der Festkörper eintretenden Teilstrahlungsfelder aus derselben Pumpstrahlungsquelle stammen müssen, sondern dass diese Bedingung lediglich für jeden einzelnen der Festkörper erfüllt sein muss.
Beispielsweise wäre es bei einer derartigen Lösung denkbar, dass die beiden Teilstrahlungsfelder für jeweils mindestens zwei der Festkörper aus derselben Pumpstrahlungsquelle stammen und beispielsweise für weitere zwei der Festkörper eine andere Pumpstrahlungsquelle vorgesehen ist.
Eine andere Lösung sieht vor, dass das Lasersystem zwei Pumpeinheiten aufweist, von denen jede mindestens zwei Festkörper mit Teilstrahlungsfeldern aus derselben Pumpstrahlungsquelle pumpt. Besonders günstig ist jedoch, wenn alle in die mindestens zwei Festkörper eingekoppelten Teilstrahlungsfelder aus einer einzigen Pumpstrahlungsquelle stammen.
Hinsichtlich der Erzeugung der einzelnen Teilstrahlungsfelder wurden im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. Grundsätzlich kann die Aufteilung der Pumpstrahlung in unterschiedliche Teilstrahlungsfelder beispielsweise über teildurchlässige Spiegel erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Aufteilung der Pumpstrahlung in Teilstrahlungsfelder über Polarisatoren mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion erfolgt, da durch diese in einfacher Weise eine Aufteilung eines Pumpstrahlungsfeldes in Teilstrahlungsfelder erreichbar ist und andererseits in einfacher Weise der Grad der Aufteilung auf die einzelnen Teilstrahlungsfelder einstellbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die einstellbare Aufteilung der Pumpleistung in die Teilstrahlungsfelder über die relative Einstellung zwischen einem Polarisator mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion und einem einstellbaren polarisationsbeeinflussenden Element erfolgt.
Hinsichtlich der Art der optimalen Einkopplung der Teilstrahlungsfelder in die jeweiligen Festkörper wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Teilstrahlungsfelder über Faltungsspiegel des Resonators in die jeweiligen Festkörper eingekoppelt sind. Ferner wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben über die Ausbildung der Festkörper als solche gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die mindestens zwei Festkörper identisch ausgebildet sind.
Da bei manchen Festkörpern die Ausbildung der thermischen Linse nicht der einzige durch das optische Pumpen auftretende Effekt ist, sondern noch ein durch die thermische Linse bedingter Astigmatismus auftreten kann, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die mindestens zwei Festkörper relativ zum Laser- Strahlungsfeld derart angeordnet sind, dass eine Kompensation eines durch die jeweilige thermische Linse bedingten Astigmatismus erfolgt. Ein Astigmatismus kann durch eine Vorzugsrichtung im Festkörper, eine bestimmte Kühlgeometrie oder ein bestimmtes Pumpprofi! bedingt sein.
Die Kompensation des Astigmatismus heißt dabei lediglich, dass die Auswirkungen des Astigmatismus, insoweit als sie zu einer Abweichung des Laser- Strahlungsfeldes von einer zur Strahlachse rotationssymmetrischen Querschnittsform führen, ausgeglichen werden, so dass das Resonatorstrahlungsfeld eine im Wesentlichen zur Strahlachse rotationssymmetrische Querschnittsform aufweist.
Eine derartige Kompensation des Astigmatismus kann grundsätzlich auch bei der Kopplung mehrerer Festkörper erfolgen.
Im Hinblick auf eine möglichst einfache erfindungsgemäße Lösung zur
Kompensation des Astigmatismus von thermischen Linsen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn jeweils zwei der Festkörper ein Kompensationspaar bilden und wenn die beiden Festkörper relativ zum Laser-Strahlungsfeld derart angeordnet sind, dass eine Kompensation des durch deren jeweilige thermische Linse bedingten Astigmatismus erfolgt.
Besonders günstig ist es, wenn die Festkörper eines Kompensationspaares mit den Hauptachsen des Astigmatismus um 90° gegeneinander verdreht sind. Die Hauptachsen des Astigmatismus können dabei durch das Pumpprofil, die Kühlgeometrie oder die Kristallgeometrie im Festkörper bedingt sein.
Ferner ist zur optimalen optischen Anregung derartiger Festkörper vorgesehen, dass die Polarisationsrichtung des Laser-Strahlungsfeldes an eine Hauptachse der Polarisation des jeweiligen Festkörpers angepasst ist, so dass die durch den Astigmatismus bedingten Wirkungen in gleicher Weise in den den jeweiligen Festkörper durchsetzenden Abschnitt des Laser-Strahlungs- feldes eintreten.
Zweckmäßigerweise ist dabei die Polarisationsrichtung des Laser-Strahlungsfeldes parallel zur Hauptachse der Polarisation des jeweiligen Festkörpers ausgerichtet.
Eine hinsichtlich der Kompensation des Astigmatismus besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, dass die Festkörper eines Kompensationspaares mit ihren Hauptachsen der Polarisation um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind, so dass sich damit in einfacher Weise die Wirkungen des Astigmatismus der thermischen Linse hinsichtlich deren Abweichung von einer zur Strahlachse des Laser-Strahlungsfelds rotationssymmetrischen Querschnittsform kompensiert werden können. Zweckmäßigerweise wird bei einer derartigen Lösung jeder Festkörper durch ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld gepumpt, deren Polarisationsrichtung parallel zur Hauptachse der Polarisation des jeweiligen Festkörpers ausgerichtet ist.
Es gibt jedoch nicht nur Festkörper, bei denen zusätzlich zu der Wirkung der thermischen Linse noch ein Astigmatismus hinzutritt, sondern auch Festkörper, bei denen zusätzlich zur thermischen Linse noch eine durch diese bedingte Doppelbrechung auftritt.
Aus diesem Grund ist zweckmäßigerweise bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die mindestens zwei Festkörper relativ zum Laser-Strahlungsfeld derart ausgerichtet sind, dass eine Kompensation einer durch die jeweilige thermische Linse bedingten Doppelbrechung erfolgt.
Auch in einem derartigen Fall ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass jeweils zwei der Festkörper ein Kompensationspaar bilden und dass die beiden Festkörper relativ zum Laser-Strahlungsfeld derart angeordnet sind, dass eine Kompensation der jeweiligen thermischen Linse und der Doppelbrechung erfolgt.
Auch in diesem Fall erfolgt eine Kompensation der Doppelbrechung nur in dem Maße, als die Doppelbrechung zu Abweichungen eines zur Strahlachse rotationssymmetrischen Aufbaus des Laser-Strahlungsfeldes führt und des über den Strahlquerschnitt einheitlichen Polarisationszustandes, so dass unter der Kompensation der durch die jeweilige thermische Linse bedingten Doppelbrechung zu verstehen ist, dass deren Auswirkungen auf einen zur Strahlachse rotationssymmetrischen Aufbau des Laser-Strahlungsfeldes sowie einen über den Strahlquerschnitt einheitlichen Polarisationszustand ausgeglichen werden.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Poiarisationsrichtungen des Laser-Strahlungsfelds in einem der Festkörper relativ zu den Polarisationsrichtungen des Verstärkerstrahlungsfeldes in dem anderen der Festkörper um 90° gedreht sind.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Möglichkeit, dass die Laser- Strahlungsfeldführung in einem Resonator integriert ist, so dass das Laser- Strahlungsfeld ein Resonatorstrahlungsfeld darstellt.
Es ist aber auch denkbar, einen Teilbereich der Laserstrahlungsfeldführung, beispielsweise umfassend einen oder zwei der mehreren Festkörper, als Reso- nator mit einem sich ausbildenden Resonatorstrahlungsfeld und den übrigen Teil der Laserstrahlungsfeldführung zur Verstärkung der Laserstrahlung aus dem Resonator mit einem Verstärkerstrahlungsfeld auszubilden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgen- den Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit der Ausbildung von thermischen Linsen in den Festkörpern; Fig. 2 eine schematische Darstellung der Auswirkungen der sich in den
Festkörpern ausbildenden thermischen Linsen beim ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 2 einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels, umfassend ein Resonatorstrahlungsfeld und ein Verstärkerstrahlungsfeld;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit mehr als zwei Festkörpern;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit mehr als zwei Festkörpern;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit mehr als zwei Festkörpern;
Fig. 7 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels mit zusätzlicher Darstellung einer Kompensation eines durch die thermische Linsenwirkung bedingten Astigmatismus und
Fig. 8 eine schematische Darstellung ähnlich Fig.5 des ersten Ausführungsbeispiels im Fall einer Kompensation einer durch die thermische Linse bedingte Doppelbrechung. Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, dargestellt in Fig. 1, umfasst einen als Ganzes mit 10 bezeichneten und eine Laserstrahlungsfeldfϋhrung darstellenden Resonator, welcher einen ersten Endspiegel 12 und einen zweiten Endspiegel 14 aufweist. Zwischen diesen Endspiegeln 12 und 14 erstreckt sich das als Ganzes mit 16 bezeichnete und ein Resonatorstrahlungsfeld darstellendes Laser-Strahlungsfeld längs einer Strahlachse 18, wobei das Resonatorstrahlungsfeld 16 mehrere, laseraktives Material umfassende und in Richtung der Strahlachse 18 aufeinanderfolgend angeordnete insbesondere aus identischem Material bestehende und identisch geformte Festkörper 20, beispielsweise die Festkörper 2Oi und 2O2 durchsetzt, die sich mit ihren Längsachsen 22i bzw. 222 ungefähr parallel zum Verlauf der Strahlachse 18 in den Festkörpern 2Oi bzw. 2O2 erstrecken.
Das Resonatorstrahlungsfeld 16 tritt dabei über Endflächen 24i und 26i bzw. 242 und 262 in die Festkörper 2Ox bzw. 2O2 ein und aus diesen aus.
Vorzugsweise ist das Resonatorstrahlungsfeld 16 so ausgebildet, dass es im Bereich der Endspiegel 12 und 14 jeweils eine Taille 28 bzw. 30 aufweist, während es zwischen den Endspiegeln 12 und 14, beispielsweise in seinen die Festkörper 2Oi bzw. 2O2 durchsetzenden Abschnitten 32i bzw. 322 jeweils einen Abschnitt 34i bzw. 342 mit maximalem Strahlungsfeldquerschnitt aufweist.
Ferner umfasst der Resonator 10 noch für jeden der Festkörper 2Oi und 2O2 einen Faltungsspiegelsatz 36i und 3S1 bzw. 362 und 382, welcher das Resonatorstrahlungsfeld 16 durch Reflexion faltet. Vorzugsweise ist dabei das Resonatorstrahlungsfeld 16 derart gefaltet, dass die in den Festkörpern 2Oi und 2O2 verlaufenden Abschnitte 3I1 bzw. 322 innerhalb der Festkörper 2Oi bzw. 2O2 im Wesentlichen denselben räumlichen geometrischen Verlauf aufweisen.
Zum optischen Pumpen ist eine als Ganzes mit 50 bezeichnete Pumpstrahlungsquelle vorgesehen, deren Pumpstrahlung entweder direkt oder durch einen Lichtleiter 52 einer als Ganzes mit 60 bezeichneten Pumpstrahlungsführung zugeführt wird.
Die Pumpstrahlungsführung 60 weist eine Optik 62 auf, welche aus dem Lichtleiter 52 austretende divergente Pumpstrahlung 64 in ein kollimiertes Pumpstrahlungsfeld 66 umformt, das durch einen Depolarisator 68 eine vollständige Depolarisation erfährt. Dieses kollimierte und depolarisierte Pumpstrahlungs- feld wird durch einen für eine der Polarisationsrichtungen im Wesentlichen transparenten und für eine andere der Polarisationsrichtungen im Wesentlichen reflektierenden Polarisator 70 in einen ersten Pumpstrahlungsfeldzweig 72 mit einer ersten Polarisation und einen zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74 mit einem zweiten zur ersten Polarisation senkrecht stehenden Polarisation auf- geteilt, wobei aus dem ersten Pumpstrahlungsfeldzweig 72 jeweils ein erstes Teilstrahlungsfeld 82i bzw. 822 für den ersten Festkörper 2Oi bzw. den zweiten Festkörper 2O2 erzeugt wird, während aus dem zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74 jeweils ein zweites Teilstrahlungsfeld 84X bzw. 842 für den ersten Festkörper 2Ox bzw. dem zweiten Festkörper 2O2 erzeugt wird.
Beispielsweise wird hierzu der erste Pumpstrahlungsfeldzweig 72 durch einen Reflektor 88 umgelenkt und über eine Teilungseinheit 90, umfassend ein polarisationsbeeinflussendes Element 92 sowie einen für eine der Polarisationsrichtungen im Wesentlichen transparenten und für eine andere der Polarisationsrichtungen im Wesentlichen reflektierenden Polarisator 94 das Teilstrahlungsfeld 82i abgeteilt.
Somit setzt sich der erste Pumpstrahlungsfeldzweig 72' nach Durchlaufen der Teilungseinheit 90 mit reduzierter Pumpleistung fort und bildet dann nach Reflexion durch einen Reflektor 96 das Teilstrahlungsfeld 822.
In vergleichbarer Weise durchläuft auch der zweite Pumpstrahlungsfeldzweig 74 eine Teilungseinheit 100, umfassend einen polarisationsbeeinflussendes Element 102 und einen für eine der Polarisationsrichtungen im Wesentlichen transparenten und für eine andere der Polarisationsrichtungen im Wesentlichen reflektierenden Polarisator 104, der aus dem zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74 das Teilstrahlungsfeld 84χ abzweigt, so dass der zweite Pumpstrahlungsfeldzweig 74' nach Durchlaufen der Teilungseinheit 100 eine reduzierte Pump- leistung aufweist und nach Reflexion durch einen Reflektor 106 das Teilstrahlungsfeld 842 bildet.
Zur Erzielung einer definierten Strahlungsfeldform der in den ersten Festkörper 2Oi eintretenden Teilstrahlungsfelder 82i und 84i bzw. der in den zweiten Festkörper 2O2 eintretenden Teilstrahlungsfelder 822 bzw. 842 ist für jedes der Teilstrahlungsfelder 82i und 84i bzw. 822 und 842 jeweils eine Abbildungsoptik 112i und 114i bzw. 1122 und 1142 vorgesehen, welche eine definierte Strahlungsfeldform 116i bzw. 118i der Teilstrahlungsfelder 82i und 84X in dem ersten Festkörper 2Oi und außerdem eine definierte Strahlungsfeldform 1162 bzw. 1182 in dem zweiten Festkörper 2O2 generiert. Vorzugsweise sind dabei die räumlichen Strahlungsfeldformen 116i bzw. II62 der jeweils ersten Teilstrahlungsfelder 82i bzw. 822 und die räumlichen Strahlungsfeldformen II81 bzw. 1182 der zweiten Teilstrahlungsfelder 84i bzw. 842 jeweils identisch.
Noch vorteilhafter ist es, wenn alle Strahlungsfeldformen Ho1 und II81 sowie 1162 und 1182 im Wesentlichen identisch sind und vorzugsweise sind die Strahlungsfeldformen II61 und II81 der im ersten Festkörper 2Oi zum Pumpen des laseraktiven Materials zusammenwirkenden Teilstrahlungsfelder 82i und 84i miteinander identisch und spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene 120.
Das gleiche gilt für die Strahlungsfeldformen 1162 und HS2 der Teilstrahlungsfelder 822 und 842 zum optischen Pumpen des zweiten Festkörper 2O2.
Um die Teilstrahlungsfelder 82X und 84i sowie 822 und 842 beim jeweiligen Festkörper 2Oi bzw. 2O2 im Wesentlichen parallel zu dem Verlauf der Strahlachse 18 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im jeweiligen Festkörper 2Oi bzw. 2O2 einkoppeln zu können, erfolgt die Einkopplung der Teilstrahlungs- felder 82i bzw. 84i und 822 bzw. 842 über den dem jeweiligen Festkörper 2Ox bzw. 2O2 zugeordneten Faltungsspiegelsatz 36i und 38i bzw. 362 und 382, und zwar dadurch, dass die Faltungsspiegel 36, 38 für die Teilstrahlungsfelder 82 und 84 durchlässig sind.
Dadurch, dass der Grad der Aufteilung der optischen Leistung zwischen dem Teilstrahlungsfeld 82i und dem verbleibenden Pumpstrahlungsfeldzweig IT durch die erste Teilungseinheit 90 oder der Grad der Aufteilung der Pumpleistung zwischen dem Teilstrahlungsfeld 84i und dem verbleibenden zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74' einstellbar ist, besteht die Möglichkeit, die durch die beiden Teilstrahlungsfelder 82X und 84i in den ersten Festkörper 2Oi eingekoppelte Pumpleistung und die durch die Teilstrahlungsfelder 822 und 842 in den zweiten Festkörper 2O2 eingekoppelte Pumpleistung einzustellen.
Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, führt die in den jeweiligen Festkörper 2Oi und 2O2 eingekoppelte Pumpleistung aufgrund der Erwärmung des Materials in dem jeweiligen Festkörper 2Oi bzw. 2O2 zur Ausbildung einer thermischen Linse 130i bzw. 13O2, die sich auf das Resonatorstrahlungsfeld 16 auswirkt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung besteht nun die Möglichkeit, die jeweils insgesamt in den ersten Festkörper 2Oi und in den zweiten Festkörper 2O2 eingekoppelte Pumpleistung hinsichtlich ihres Absolutwertes und ihrer räumlichen Verteilung derart einzustellen, dass die dadurch entstehenden thermischen Linsen 13Oi bzw. 13O2 identisch sind und sich somit stets in gleicher Weise auf das Resonatorstrahlungsfeld 16 auswirken, so dass das Resonatorstrahlungsfeld 16, wie in Fig. 2 dargestellt, ein symmetrisches Resonatorstrahlungsfeld 16 ist.
Durch Anpassung der Pumpleistung der einzigen Pumpstrahlungsquelle 50 können die thermischen Linsen 13Oi und 13O2 unter Beibehaltung der Verteilung variiert werden, um so den gewünschten Verlauf des Resonatorstrahlungsfeldes 16 in einfacher Weise unter Beibehaltung der Symmetrie des Resonatorstrahlungsfeldes 16 einzustellen.
Die erfindungsgemäße Pumpstrahlungsführung 60 gespeist mit Pumpstrahlung aus einer einzigen Pumpstrahlungsquelle 50 hat dabei den Vorteil, dass selbst dann, wenn sich die Pumpstrahlungsquelle 50 beispielsweise hinsichtlich der Wellenlänge der Pumpstrahlung oder der Leistung der Pumpstrahlung verändert, die in den Festkörpern 2Oi und 2O2 erzeugten thermischen Linsen 13Oi und 13O2 sich zwar ebenfalls ändern, jedoch identisch bleiben, so dass die Symmetrie des Resonatorstrahlungsfeldes 16 aufrecht erhalten werden kann und somit insgesamt der Resonator 10 bei geeigneter Bauweise nach wie vor in optimaler Abstimmung auf den eingestellten Mode, beispielsweise den Grundmode, arbeitet, so dass die Strahlqualität eines beispielsweise durch den Endspiegel 14 austretenden Nutzstrahls 132 unverändert bestehen bleibt, obwohl sich die von der Pumpstrahlungsquelle 50 abgegebene Pumpstrahlung beispielsweise hinsichtlich ihrer Wellenlänge und/oder ihrer Leistung verändert hat.
Es wäre aber auch denkbar, den ersten Pumpstrahlungsfeldzweig 72 aus einer ersten Pumpstrahlungsquelle zu speisen und den zweiten Pumpstrahlungs- zweig 74 aus einer zweiten Pumpstrahlungsquelle. In diesem Fall sollte dann in jedem der Festkörper 20 das Verhältnis der vom ersten Teilstrahlungsfeld 82 eingekoppelten Pumpleistung zu der vom zweiten Teilstrahlungsfeld 84 eingekoppelten Pumpleistung gleich sein.
Alternativ dazu ist es aber auch möglich, wie in Fig. 3 dargestellt, mit den beiden Festkörpern 2Oi und 2O2 eine Resonator-Verstärker-Anordnung aufzubauen, wobei der Festkörper 2Oi von dem Resonatorstrahlungsfeld 16a und der Festkörper 2O2 von dem Verstärkerstrahlungsfeld 16b durchsetzt werden, jedoch die Symmetrie der thermischen Linsen 130i und 13O2 bestehen bleibt und das Laserstrahlungsfeld 16 spiegelsymmetrisch zum Endspiegel 14 ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf zwei Festkörper 2Oi bis 2O2 beschränkt, sondern kann, wie in Fig. 4 dargestellt, auf eine Vielzahl von Festkörpern 2Oi bis 2O4 oder noch mehr Festkörper 20 erweitert werden.
Hierzu ist die Pumpstrahlungsführung 60' derart zu modifzieren, dass von den Pumpstrahlungsfeldzweigen 72 und 74 durch mehrfaches Vorsehen von Teilungseinheiten 90, 100, beispielsweise von Teilungseinheiten 90i, 9O2 und 9O3 sowie 100i, 10O2 und 10O3 der Pumpstrahlungsfeldzweig 72 in insgesamt vier Teilstrahlungsfelder 82i, 822, 823 und 824 aufgeteilt wird, die vorzugsweise alle im Wesentlichen dieselbe Pumpleistung aufweisen.
In gleicher Weise wird der zweite Pumpstrahlungsfeldzweig 74 durch die Teilungseinheiten 100i, 10O2 und 10O3 in insgesamt vier Teilstrahlungsfelder 84i bis 844 aufgeteilt, so dass diese insgesamt ebenfalls alle im Wesentlichen dieselbe Pumpleistung aufweisen.
Damit lassen sich auch in den insgesamt vier Festkörpern 2Oi bis 2O4 thermische Linsen 130 erzeugen, die im Wesentlichen identisch sind, so dass sich die in Fig. 2 dargestellten symmetrischen Verhältnisse für das Resonator- Strahlungsfeld 16 auch auf vier Festkörper 2Oi bis 2O4 erweitern lassen.
Sollte die Pumpleistungsabhängigkeit der insgesamt vier Festkörper 2Oi bis 2O4 nicht ideal identisch sein, so erlaubt die einstellbare Aufteilung der Pump- strahlungsfeldzweige 72, 74 in die Teilstrahlungsfelder 82, 84 eine Anpassung mit der trotzdem in den vier Festkörpern 2Ox bis 2O4 im Wesentlichen identische thermische Linsen erzielbar sind. Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasersystems, dargestellt in Fig. 5, sind ebenfalls insgesamt vier Festkörper, nämlich 20ia, 202a/ 20ib und 202b in einem Resonator 10" vorgesehen, wobei die Festkörper 20la und 202a durch eine Pumpstrahlungsführung 60a entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel gepumpt werden, während die Festkörper 20ib und 202b durch ebenfalls eine Pumpstrahlungsführung 60b gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gepumpt werden und jede der Pumpstrahlungsführungen 60a und 60b eine eigene Pumpstrahlungsquelle 50a bzw. 50b aufweist.
Mit den Pumpstrahlungsführungen 60a und 60b lässt sich zumindest erreichen, dass in den Festkörpern 20ia und 202a die thermischen Linsen 130 identisch sind, bzw. in den Festkörpern 20ib und 202b ebenfalls die thermischen Linsen im Wesentlichen identisch sind, allerdings kann eine Störung der Symmetrie dadurch auftreten, dass die thermischen Linsen der Festkörper 20ia und 202a relativ zu den thermischen Linsen 20ib und 202b unterschiedlich sind.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 6 entsprechen die Ausbildung und Anordnung der Pumpstrahlungsführungen 60a und 60b denen des dritten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5.
Allerdings ist die Laserstrahlungsfeldführung 10'" nur in dem die Festkörper 20ia und 202a durchsetzenden Bereich als Resonator ausgebildet, so dass auf den Endspiegel 14"' noch ein als Verstärker ausgebildeter Bereich folgt, der die Festkörper 20ib und 202b umfasst.
Damit ist das Laser-Strahlungsfeld 16"' insgesamt aufgeteilt in einen ein Resonatorstrahlungsfeld 16"'a bildenden Bereich und einen ein Verstärkerstrahlungsfeld 16"'b bildenden Bereich. Damit bilden den Festkörper 20ia und 202a ein Paar und die Festkörper 20ib und 20.2b ein Paar, wobei für jedes Paar die Symmetrie gemäß Fig. 2 durch Einstellung der Pumpleistung aufrechterhalten wird und wobei diese Einstellung durch den Abgleich der Pumpleistung innerhalb der Paare vereinfacht ist.
Hinsichtlich der übrigen Elemente sind das zweite Ausführungsbeispiel, das dritte und das vierte Ausführungsbeispiel in gleicher Weise ausgebildet und aufgebaut wie das erste Ausführungsbeispiel, so dass hinsichtlich der Erläuterung dieser Elemente und deren Funktion vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden lediglich die Auswirkungen der durch die Pumpleistung erzeugten thermischen Linsen beschrieben. Wie in Fig. 7 bei einem dem ersten Aus- führungsbeispiel entsprechenden Lasersystem dargestellt, kann jedoch zusätzlich zu den thermischen Linsen 130 ein Astigmatismus der thermischen Linsen auftreten, das heißt, dass wie in Fig. 7 dargestellt, die im Festkörper 2Oi und im Festkörper 2O2 durch das optische Pumpen entstehende thermische Linse 13O'i und 130'2 nicht rotationssymmetrisch zur Strahlachse 18 ausgebildet ist.
Dies kann durch eine unsymmetrische Kühlgeometrie der Festkörper 2Ox, 2O2 oder unsymmetrische Teilstrahlungsfelder 82, 84 bedingt sein. Es gibt aber auch anisotrope Festkörpermaterialien, die astigmatische thermische Linsenwirkung auch bei symmetrischer Kühlung und symmetrischen Teilstrahlungs- feldern 82, 84 aufweisen. Derartige Materialien sind beispielsweise Nd:YLF oder Nd: YVO4. Wie in Fig. 7 dargestellt, weist jeder der Festkörper 20χ und 2O2 eine Hauptachse Ai bzw. A2 des Astigmatismus auf, die bei einem durch die Kristallachsen bedingten Astigmatismus den Hauptachsen der Polarisation P1, P2 entsprechen. Diese Hauptachse A1, A2 des Astigmatismus führt dazu, dass die in Richtung dieser Hauptachse Ai bzw. A2 auftretende fokussierende Wirkung der thermischen Linse 13O'i bzw.l30'2 größer ist als senkrecht zu dieser jeweiligen Hauptachse Ai bzw. A2. Ausgehend von einem runden Querschnitt 140 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Bereich des Endspiegels 12 führt dies beim Durchlaufen des Festkörpers 20i, wie in Fig. 7 dargestellt dazu, dass das Resonatorstrahlungsfeld 16 in Richtung der Hauptachse Ai stärker fokussiert wird, wie in Fig. 7 gestrichelt dargestellt, so dass das Resonatorstrahlungsfeld 16 in der Hauptachse Ax eine erste Strahltaille 142 bildet und in der Richtung senkrecht zur Hauptachse A1 in größerem Abstand von dem ersten Festkörper 2Ox eine zweite Strahltaille 144 ausbildet.
Aufgrund des Astigmatismus der thermischen Linse 13O'i weist das Resonatorstrahlungsfeld 16 bezogen auf die Strahlachse 18 insgesamt nach Durchlaufen des Festkörpers 2Oi eine nicht mehr rotationssymmetrische Querschnittsform aufweist, wie sich beispielsweise an der Querschnittsform 146 des Resonator- Strahlungsfeldes 16 nach Durchlaufen des Festkörpers 2Oi und an der Querschnittsform der Strahltaillen 142 und 144 und an deren Abstand voneinander in Richtung der Strahlachse 18 zeigt.
Ferner ist, um eine für die Kompensation des Astigmatismus optimale Abbil- düng des Abschnitts 32i des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im ersten Festkörper 2Oi in den Abschnitt 322 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 in den Festkörper 2O2 zu erhalten, zwischen den ein Kompensationspaar bildenden Festkörpern 2Oi und 2O2 eine Abbildungsoptik 134 vorgesehen, welche zwei Abbildungsoptiken 136 und 138 umfasst, die eine Ebene Mi welche senkrecht zur Strahlachse 18 im ersten Festkörper 2Oi verläuft, in eine Ebene M2 des Festkörpers 2O2 abbildet, welche ebenfalls in diesem senkrecht zur Strahlachse 18 verläuft, und umgekehrt.
Um diese nicht mehr rotationssymmetrische Deformation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 zu kompensieren, werden die Festkörper 2Oi und 2O2 mit ihren Hauptachsen des Astigmatismus Ai, A2 derart angeordnet, dass diese um 90° gegeneinander verdreht sind, wie in Fig. 7 dargestellt.
Diese Anordnung der Festkörper 2Oi und 2O2 führt dazu, dass das Resonatorstrahlungsfeld 16 nach Durchlaufen des ersten Festkörpers 2Ox beim Durchlaufen des zweiten Festkörpers 2O2 wiederum einen Astigmatismus "sieht", der allerdings um 90° verkippt ist, da die Hauptachse A2 des Astigmatismus im zweiten Festkörper 2O2 gedreht ist.
Ist nun die Wirkung der thermischen Linse 13O'i gleich der Wirkung der thermischen Linse 130'2, allerdings mit einem Astigmatismus, der um 90° zwischen den thermischen Linsen 13O'i und 130'2 verdreht ist, so kompensieren sich die Wirkungen des Astigmatismus der thermischen Linsen 13O'i und 130'2 derart, dass das Resonatorstrahlungsfeld 16 am Endspiegel 14 wiederum eine im Wesentlichen runde Querschnittsform 148 aufweist.
Bei der bisherigen Erläuterung der Kompensation des durch die thermische Linsenwirkung bedingten Astigmatismus wurde nicht näher auf die Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 selbst eingegangen. Ist der Astigmatismus der thermischen Linse 130 unabhängig von der eingestrahlten Polarisation und wird die Polarisation nicht durch die thermische Linsen 130 beeinflusst, so kann durch den Polarisator 150 die eine lineare Polarisation unabhängig von den Hauptachsen Ai, A2 des Astigmatismus gewählt werden.
Häufig ist der Astigmatismus der thermischen Linse 130 mit einer Vorzugsrichtung der Polarisation Pi, P2 im Festkörper verknüpft. In Fig. 7 ist beispielsweise angenommen, dass der Polarisator 150 eine Polarisationsrichtung PR des Resonatorstrahlungsfeldes am Auskoppelspiegel 14 bevorzugt, die sowohl zur Vorzugsrichtung der Polarisation P2 des Festkörpers 2O2 als auch zu einer mit dieser Polarisationsrichtung verknüpften Hauptachse des Astigmatismus A2 übereinstimmt.
Wie in Fig. 7 dargestellt, führt der Polarisator 150 dazu, dass der aus dem Resonatorstrahlungsfeld 16 ausgekoppelte Ausgangsstrahl 132 derart polarisiert ist, dass eine über den Querschnitt desselben konstante Phasenbeziehung zwischen senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten vorliegt.
Im einfachsten Fall wird dies durch eine lineare Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 erreicht.
Zur Kompensation des Astigmatismus bei Verwendung von Festkörpern 20 mit einer Vorzugsrichtung der Polarisation Pi, P2 , die mit einer Hauptachse des Astigmatismus Ai, A2 der thermischen Linse 130 zusammenfällt, ist die Polarisationsrichtung PR des Resonatorstrahlungsfeldes 16 so auszurichten, dass diese mit der Hauptachse P der Polarisation in dem jeweiligen Festkörper 2Ox bzw. 2O2 zusammenfällt (Fig. 7). Aus diesem Grund ist die Polarisation PRi des Resonatorstrahlungsfeides 16 im ersten Festkörper 2Oi so auszurichten, dass diese parallel zur Hauptachse Pi und Ai verläuft und im zweiten Festkörper 2O2 ist die Polarisation PR2 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 so auszurichten, dass diese parallel zur Hauptachse P2 und A2 verläuft.
Zur Drehung oder Spiegelung der Polarisation PR des Resonatorstrahlungsfeldes 16 auf eine senkrecht dazu stehende Richtung, ist zwischen den Festkörpern 2Oi und 2O2 ein polarisationsbeeinflussendes Element 152 vorzusehen, welches die Polarisation PRi des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Bereich des ersten Festkörpers 2Oi in die Polarisationsrichtung PR2 überführt, bevor das Resonatorstrahlungsfeld 16 den zweiten Festkörper 2O2 durchsetzt und umgekehrt.
Bezüglich der optischen Anregung der Festkörper 2Oi und 2O2 wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So erfolgt zweckmäßigerweise die optische Anregung des ersten Festkörpers 2Ox mit einer Polarisation OPi, welche zur Vorzugsrichtung der Polarisation P1. P2 gleich ausgerichtet ist. Eine zweckmäßige Ausrichtung sieht vor, dass die Polarisation OPi parallel zur Hauptachse Pi verläuft, wobei beide Teilstrahlungsfelder 82i und 84i parallel zu der der Richtung OPi polarisiert sind.
Im Gegensatz dazu erfolgt eine Anregung des Festkörpers 2O2 mit einer Polarisation OP2, welche zur Vorzugsrichtung der Polarisation gleich ausgerichtet ist, insbesondere parallel zur Hauptachse P2 verläuft, wobei auch in diesem Fall die Teilstrahlungsfelder 822 und 842 parallel zur Polarisation OP2. polarisiert sind. Bei einer anderen Art von Festkörpern 20 liegt entlang der Richtung des Resonatorstrahlungsfeldes 16 keine Vorzugsrichtung der Polarisation vor. Bei solchen Festkörpern umfasst die thermische Linse 130"i und 130"2 noch zusätzlich eine Doppelbrechung, beispielsweise eine rotationssymmetrische Spannungsdoppelbrechung, bei welcher eine radiale Polarisationskomponente RP und eine azimutale Polarisationskomponente AP unterschiedlich groß sind.
Wie in Fig. 8 bei einem dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Lasersystem dargestellt, weist die thermische Linse 13Oi des Festkörpers 20i eine Hauptachse der Doppelbrechung in Richtung der radialen Polarisation RPi und eine weitere Hauptachse der Doppelbrechung in Richtung der azimutalen Polarisation APx auf. Die Ausrichtung dieser Hauptachsen ist in einem Zylinderkoordinatensystem einheitlich, bezogen auf ein kartesischen Koordinatensystem ortsabhängig. Ein Festkörpermaterial das ein derartiges Verhalten zeigt, ist beispielsweise Nd: YAG.
Die Brechkraft der thermischen Linse ist für die Polarisationskomponente RPi und APi somit unterschiedlich groß. Weiterhin ändert sich im Allgemeinen der Polarisationszustand eines Laser-Strahlungsfeldes 16 bei Durchgang durch den jeweiligen Festkörper 20 mit der geschilderten Doppelbrechung, da eine Phasenverschiebung zwischen den beiden entlang der Hauptachsen der Doppelbrechung orientierten Polarisationskomponenten auftritt. Das bedeutet in diesem Beispiel, dass für jedes Laser-Strahlungsfeld 16, dessen Polarisation nicht über den Strahlquerschnitt rein azimutal oder rein radial ausgerichtet ist, eine Änderung des Polarisationszustandes bei Durchgang durch den Festkörper 20 erfolgt, wobei diese Änderung über den Querschnitt nicht einheitlich ist. Beispielsweise wird die radiale Polarisationskomponente RPi aufgrund der Spannungsdoppelbrechung stärker fokussiert als die azimutale Polarisationskomponente APi.
Damit verknüpft ist eine vergrößerte Phasengeschwindigkeit der radialen Polarisationskomponente verglichen mit der azimutalen Polarisationskomponente, die in einer Änderung der Phasenbeziehung zwischen den Polarisationskomponenten bei Durchlauf durch den Festkörper resultiert.
Die unterschiedliche Fokussierung der radialen und azimutalen Polarisationskomponente führt dazu, dass deren Strahltaillen in Richtung der Strahlachse 18 an unterschiedlichen Stellen TR und TA angeordnet sind.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Ausgangsstrahl 132 mit rota- tionssymmetrischer Querschnittsform mit einer festen Phasenbeziehung zwischen senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten angestrebt, wobei hier durch den Polarisator 150 eine lineare Polarisation gewährleistet wird.
Wird eine lineare Polarisation PRi und PR2 und eine rotationssymmetrische Querschnittsform 160 und 168 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Bereich der Endspielgel 12 bzw. 14 des Resonators 10 angenommen, so führt die Doppelbrechung der thermischen Linse 130"i im Festkörper 2Oi zu einer elliptischen Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 außerhalb der mit der Polarisationsrichtung PRx zusammenfallenden Hauptachse, wie durch die Querschnittsform 162 dargestellt. Diese elliptische Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 außerhalb der mit der Polarisationsrichtung PR1 zusammenfallenden Hauptachse RP1 und AP1 ist daher neben der unterschiedlichen Fokussierung, die sich für die unterschiedlichen Polarisationskomponenten RP1 und AP1 ergeben, zu kompen- sieren.
Aus diesem Grund ist im Bereich der aus denselben Gründen wie bei der Korrektur des Astigmatismus vorhandenen Abbildungsoptik 134 das polari- sationsdrehende Element 152 vorgesehen, das jede Polarisationskomponente RP und AP des Resonatorstrahlungsfeldes 16 um 90° dreht, so dass eine radiale Polarisationskomponente RP1 des Resonatorstrahlungsfeldes 16, die im Festkörper 2O1 stärker fokussiert wird und eine höhere Phasengeschwindigkeit aufweist als die azimutale Polarisation AP1, im Festkörper 2O2 als Polarisationskomponente AP2 die schwächere Fokussierung und geringere Phasengeschwin- digkeit erfährt, während eine azimutale Polarisationskomponente AP1 des
Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Festkörper 2O1 geringer fokussiert wird und eine höhere Phasengeschwindigkeit aufweist als die radiale Polarisation RP1, im Festkörper 2O2 als Polarisationskomponente RP2 die stärkere Fokussierung und höhere Phasengeschwindigkeit erfährt.
Nun setzt sich das Resonatorstrahlungsfeld 16 aus den Komponenten AP und RP zusammen und dadurch wird jeder Anteil des Resonatorstrahlungsfeldes 16 in einem Festkörper 20 der Wirkung für die Polarisationskomponente AP unterworfen und im anderen Festkörper 20 der Wirkung für die Polarisations- komponente RP. Zusammengefasst lässt sich die Auswirkung der Doppelbrechung in allen Teilen über den gesamten Strahlquerschnitt aufheben, und somit eine weitgehende Kompensation der Doppelbrechung erzielen. Die erfindungsgemäße Ausführungsform erlaubt die Kompensation der Doppelbrechung dadurch, dass die durch die thermische Linse 130 bedingte Doppelbrechung durch geeignete Aufteilung der Pumpleistung auf die Festkörper 2Oi und 2O2 in den beiden Festkörpern weitgehend identisch eingestellt wird.
Derartige Festkörper, bei denen die mit der thermischen Linse 130" verbundenen Spannungsdoppelbrechung die Doppelbrechung domiert, sind unter Vernachlässigung thermisch oder mechanisch induzierter Effekte optisch weit- gehend isotrop, so dass die Polarisationsrichtung beim optischen Pumpen der Festkörper 2Oi und 2O2 ohne Bedeutung ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist daher ein optisches Pumpen der Festkörper 2Oi und 2O2 mit jeder Polari- sationsrichtung möglich ist, allerdings sollte auch das optische Pumpen bei diesem Ausführungsbeispiel derart sein, dass die thermischen Linsen 130"i und 130"2 gleich groß sind, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lasersystem umfassend eine Laserstrahlungsfeldführung (10), in welchem sich ein Laser-Strahlungsfeld (16) erstreckt, mindestens einen vom Resonatorstrahlungsfeld (16) durchsetzten laseraktiven, sich in Richtung einer Längsachse (22) zwischen zwei einander gegenüberliegenden Endflächen (24, 26) erstreckenden Festkörper (20), eine Pumpstrahlungsquelle (50) zur Erzeugung von Pumpstrahlung zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers (20), eine Pumpstrahlungsführung (60), welche die Pumpstrahlung zum Pumpen des Festkörpers (20) in ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld (82, 84) aufteilt und welche das erste Teilstrahlungsfeld (82) über die eine Endfläche (24) und das zweite Teilstrahlungsfeld (84) über die andere Endfläche (26) in longitudinaler Richtung in den Festkörper (20) einkoppelt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Laser-Strahlungsfeld (16) mindestens zwei in Richtung seiner Strahlachse (18) aufeinanderfolgend angeordnete laseraktive Festkörper (20) aus identischem Material durchsetzt, dass die Pumpstrahlungsführung (60) derart ausgebildet ist, dass diese in jeden der Festkörper das erste Teilstrahlungsfeld (82) über die eine Endfläche (24) und das zweite Teilstrahlungsfeld (84) über die andere Endfläche (26) einkoppelt und dass die Pumpstrahlungsführung (60) derart ausgebildet ist, dass eine durch die beiden Teilstrahlungsfelder (82, 84) in jeden der mindestens zwei Festkörper (20) eingekoppelte Pumpleistung derart einstellbar ist, dass die Auswirkungen von durch die Pumpleistung in jedem der mindestens zwei Festkörper (20) erzeugten thermischen Linsen (130) auf das Laser-Strahlungsfeld (16) im Wesentlichen identisch sind.
2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlungsfelder (82, 84) im Wesentlichen parallel zur Längsachse (22) des jeweiligen Festkörpers (20) in diesen eingekoppelt sind.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlungsfelder (82, 84) im Wesentlichen symmetrisch zur Strahlachse (18) innerhalb des jeweiligen Festkörpers (20) in diesen eingekoppelt sind.
4. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teilstrahlungsfelder (82) in jedem der jeweiligen Festkörper (20) eine im Wesentlichen identische Strahlungsfeldform (116) aufweisen.
5. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teilstrahlungsfelder (84) in jedem der jeweiligen Festkörper (20) eine im Wesentlichen identische Strahlungsfeldform (118) aufweisen.
6. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der durch durch die beiden Teilstrahlungsfelder (82, 84) in den jeweiligen Festkörper (20) eingekoppelten Pumpleistungen in jedem der Festkörper (20) ungefähr gleich groß ist.
7. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Festkörper (20) die ersten Teilstrahlungsfelder (82) hinsichtlich ihrer Pumpleistung im Wesentlichen gleich ausgebildet sind.
8. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Festkörper (20) die zweiten Teilstrahlungsfelder (84) hinsichtlich ihrer Pumpleistung im Wesentlichen gleich ausgebildet sind.
9. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld (82, 84) in jedem der Festkörper (20) zu einer ungefähr mittigen Spiegelebene (120) des Festkörpers (20) im Wesentlichen spiegelsymmetrisch verlaufen.
10. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der vom ersten Teilstrahlungsfeld (82) eingekoppelten Pumpleistung zu der vom zweiten Teilstrahlungsfeld (84) eingekoppelten Pumpleistung in jedem der Festkörper (20) im Wesentlichen gleich ist.
11. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld (82, 84) in jedem der Festkörper (20) eine definierte relative Polarisation (OP) aufweisen.
12. Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Festkörper (20) beide Teilstrahlungsfelder (82, 84) dieselbe Polarisation (OP) aufweisen.
13. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilstrahlungsfeld (82) für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung (10) angeordneten Festkörper (20) aus einer Pumpstrahlungsquelle (50) stammt.
14. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teilstrahlungsfeld (84) für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung (10) angeordneten Festkörper (20) aus einer Pumpstrahlungsquelle (50) stammt.
15. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden in den jeweiligen Festkörper (20) eintretenden Teilstrahlungsfelder (82, 84) aus derselben Pumpstrahlungsquelle (50) stammen.
16. Lasersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilstrahlungsfelder (82, 84) für jeweils mindestens zwei der Festkörper (20) aus derselben Pumpstrahlungsquelle (50) stammen.
17. Lasersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zwei Pumpeinheiten (50a, 50b) aufweist von denen jede mindestens zwei Festkörper mit Teilstrahlungsfeldern (82, 84) aus derselben Pumpstrahlungsquelle (50a, b) pumpt.
18. Lasersystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass alle in die mindestens zwei Festkörper (20) eingekoppelten Teilstrahlungsfelder (82, 84) aus einer einzigen Pumpstrahlungsquelle (50) stammen.
19. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Pumpstrahlung in Teilstrahlungsfelder (82, 84) über Polarisatoren (70, 94, 104) mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion erfolgt.
20. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbare Aufteilung der Pumpleistung in die Teilstrahlungsfelder (82, 84) über die relative Einstellung zwischen einem Polarisator (94, 104) mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion und einem einstellbaren polarisationsbeeinflussenden Element (92,102) erfolgt.
21. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlungsfelder (82, 84) über Faltungsspiegel (36, 38) des Resonators (10) in die jeweiligen Festkörper (20) eingekoppelt sind.
22. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Festkörper (20) identisch ausgebildet sind.
23. Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16), derart angeordnet sind, dass eine Kompensation eines durch die jeweilige thermische Linse (130') bedingten Astigmatismus erfolgt.
24. Lasersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der Festkörper (20) ein Kompensationspaar bilden und dass die beiden Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16) derart angeordnet sind, dass eine Kompensation des durch deren jeweilige thermische Linse (130) bedingten Astigmatismus erfolgt.
25. Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörper (20) eines Kompensationspaares mit Hauptachsen (A) des Astigmatismus um 90° gegeneinander verdreht sind.
26. Lasersystem nach einem der Ansprüche 23 oder 25, dadurch gekennzeichnet, die Polarisationsrichtung (PR) des Verstärkerstrahlungsfeldes (16) an eine Hauptachse (P) der Polarisation des jeweiligen Festkörpers (20) angepasst ist.
27. Lasersystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, die Polarisationsrichtung (PR) des Laser-Strahlungsfeldes (16) parallel zur Hauptachse (P) der Polarisation des jeweiligen Festkörpers (20) ausgerichtet ist.
28. Lasersystem nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, die Festkörper (20), eines Kompensationspaares mit ihren Hauptachsen (P) der Polarisation um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind.
29. Lasersystem nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Festkörper (20) durch ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld (82, 84) gepumpt ist, deren Polarisationsrichtung (OP) parallel einer Hauptachse (P) der Polarisation des jeweiligen Festkörpers (20) ausgerichtet ist.
30. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16) derart ausgerichtet sind, dass eine Kompensation einer durch die jeweilige thermische Linse (130") bedingten Doppelbrechung erfolgt.
31. Lasersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der Festkörper (20) ein Kompensationspaar bilden und dass die beiden Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16) derart angeordnet sind, dass eine Kompensation der jeweiligen thermischen Linse (130") und der Doppelbrechung erfolgt.
32. Lasersystem nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen (PRi) des Laser-Strahlungsfeldes (16) in einem der Festkörper (20) relativ zu den Polarisationsrichtungen (PR2) des Laser-Strahlungsfeldes (16) in dem anderen der Festkörper (20) und 90° gedreht sind.
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