EP2359444A1 - Laserpumpanordnung und laserpumpverfahren mit strahlhomogenisierung - Google Patents

Laserpumpanordnung und laserpumpverfahren mit strahlhomogenisierung

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EP2359444A1
EP2359444A1 EP09744705A EP09744705A EP2359444A1 EP 2359444 A1 EP2359444 A1 EP 2359444A1 EP 09744705 A EP09744705 A EP 09744705A EP 09744705 A EP09744705 A EP 09744705A EP 2359444 A1 EP2359444 A1 EP 2359444A1
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EP
European Patent Office
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laser
tps2
tpsl
homogenizer
pumping
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Withdrawn
Application number
EP09744705A
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English (en)
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Inventor
Daniel Kopf
Maximilian Lederer
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High Q Laser GmbH
Original Assignee
High Q Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Definitions

  • the invention relates to a laser pump arrangement for a laser radiation amplifying laser medium according to the preamble of claim 1, a laser system equipped therewith and a laser pumping method for a laser radiation amplifying laser medium according to the preamble of claim 15.
  • Diode-pumped solid-state lasers are standard laser systems used in a wide variety of applications. Power scaling is done in practice using various techniques. The basic problem is usually that as the volumetric pump power density in the laser medium increases, thermally induced effects, e.g. thermal lenses, depolarizations or voltage fractures, lead to the degradation of the beam parameters or to the destruction of the laser medium. In addition, aberrations of the laser mode occur more frequently when high-performance pumping sources, which are required for power scaling, have only poor homogenization.
  • An object of the present invention is to provide a more compact or simplified laser pumping arrangement for generating elliptical pump geometries and a laser system using the same, in particular a diode-pumped solid-state laser system. Another object is to provide such a laser system which has improved robustness and reduced adjustment effort.
  • the invention relates to a pumping arrangement or a pumping method for laser media, in which the partial beams of a plurality or multiplicity of pumping beam sources are collected, mixed and guided as pumping beam for generating elliptical pump geometries on or into a reinforcing laser medium.
  • the cross section of the elliptical pumped light spot to be achieved is described here by the aspect ratio, in which case ratios of pumped light spot length to width of, for example,> 3: 1, in particular> 15: 1 or even higher, are achieved.
  • the inventive solution for the homogenized pumping of a laser medium is essentially a space-optimized system, which can be constructed with a minimum number of standard lenses plus a homogenizer. Due to the smaller number of lenses compared to the prior art, space requirements and adjustment costs are reduced.
  • the optical imaging of the homogenizer output into the laser medium is dispensed with. Instead, both are placed in the immediate vicinity, for example, positioned at a distance of 100-300 microns, so that the pump light without imaging of an actual pump light spot and with a certain cross section under Divergenzerigen, apart from the refraction on flat surfaces, essentially in the laser medium is continued.
  • the Divergenzerhalt thus means that apart from the interactions in the entry or passage in optical components, ie the passage through entrance or exit window, in this respect no beam shaping done by designed for this purpose elements.
  • the divergence content corresponds to a beam-forming freedom with regard to the change in the divergence.
  • the pumping light is guided in terms of its divergence jet forming free in the laser medium.
  • the laser medium is thus functionally an extension of the homogenizer, wherein the homogenizer has jet-forming action and provides at its output a beam with the desired cross-section or beam profile.
  • the function of the beam shaping by a downstream lens is thus already effected by the homogenizer and its interaction with a coupling-in optics.
  • the homogenizer as a planar optical waveguide can have polished or coated or mirrored side surfaces to allow the guidance by total internal reflection.
  • the dimensions of the homogenizer are chosen so that in the direction of mixing the required width of the pumping beam in the laser medium is formed and the mixing is sufficiently complete, that is below a tolerance threshold for deviation from the nominal profile of the homogeneous course. Since most laser systems use a linear sequence of laser diodes in the form of laser bars or rows be done, there is a mixing of conditional by this arrangement and spatially offset sub-beam in one axis. As a result, the influence of the different places of origin is eliminated or pushed below a predetermined threshold.
  • a prerequisite for the desired mixing is the optimized coupling of the partial beams into the homogenizing element, which is possible by the choice of cylindrical coupling-in lenses suitable in the direction of mixing.
  • Divergence and length of the homogenizer are in a dependency ratio, i. high divergence allows for a short homogenizer, whereas low divergence requires a long homogenizer.
  • the high inlet and outlet angles, which occur at high divergence, and the associated reflection losses can be minimized with suitable layer systems both on the homogenizer and on the laser medium.
  • emitter-side collimation already takes place in the fast-axis. This is refocused by a cylindrical lens arranged after the pumping source.
  • the beam guidance of the laser light to be amplified by the laser medium can take place from the opposite side, so that the connection medium-rod for the pump light can be highly transmissive, but reflective for the laser light - e.g. by spectrally selective coating.
  • This arrangement of the two components causes a continuous beam guidance is achieved by the homogenizer in the laser medium, wherein both components connected to each other, that are in contact with each other, or are positioned at a small distance.
  • This distance is determined by the pumping effect to be achieved in the laser medium, ie the width of the pump beam line.
  • the distance can be selected.
  • the beam is continued directly, so that no further, the beam characteristic changing elements are arranged between the components. This relates in particular to the preservation of the beam divergence present at the outlet of the homogenizer.
  • homogenizer and laser medium thus form a continuous planar waveguide, which may be interrupted in some embodiments by a narrow, but the divergence preserving free radiation area.
  • the partial pump radiation of an emitter is guided either directly and without influencing the divergence or else by means of focusing through the homogenizer, i. this mixes only in one axis, whereas in the other axis no mixing but a direct projection on the laser medium takes place.
  • the combination of high divergence in the mixing axis and low divergence or possibly focusing in the projection axis causes a highly elliptical beam cross section of the pump light.
  • Fig. IA-C is a schematic representation of a first
  • FIG. 4 shows the schematic representation of a fourth embodiment of the inventive pumping arrangement
  • FIG. 6 is a schematic representation of a sixth embodiment of the pumping arrangement according to the invention.
  • Fig.lOA-D the representation of a second example of the beam path of the inventive pumping arrangement
  • Fig.llA-B is the schematic representation of an eighth embodiment of the inventive
  • Fig. IA-B shows the schematic representation of a first embodiment of the inventive pumping arrangement, wherein Fig. IA is a top and Fig. IB and Fig. IC each represent a side view for different divergences of the emitted pump radiation.
  • the pumping arrangement for a laser radiation amplifying laser medium has at least one laser pumping source 1 with a plurality of elements for generating partial pumping beams.
  • laser diodes are mostly used, which are arranged one above the other or next to each other and their
  • Laser radiation for pumping the laser medium 4 is used.
  • the partial beams emitted by this laser pump source 1 are mixed in an optical homogenizer 3 arranged downstream of the laser pump source 1 in a mixing axis DA.
  • This has in this embodiment as a homogenizer bar on a rectangular cross-section, wherein its dimensioning as well as the length of the rod from both the laser pump source 1, eg depend on the number and spacing of the individual emitters, as well as the laser medium 4, for example, its material.
  • the homogenizer 3 will have a narrower side, which purely by way of example effects mixing through multiple reflections on this surface within the rod and in the mixing axis DA, whereas focusing may take place in the wider side.
  • the homogenizer may have 3 polished or coated side surfaces.
  • the mixing or mixing is based on the condition caused by the different position of the individual emitter different angles of incidence in the homogenizer 3, wherein the Crystalpumpstrahlen réelle entangled with their divergence by a variety of reflections and thus mixed.
  • a direct projection of the partial pumping beams generated by the emitters of the laser pump source 1 onto the laser medium 4 takes place, ie no mixing or corresponding mixing of the mixing axis DA takes place in this axis or no influence on the beam divergence or Beam convergence through other components.
  • This projection is shown in dashed lines in FIG.
  • the emission of the laser pump source 1 in the projection axis PA with the original - or only by a microlens on the emitter influenced divergence by the homogenizer 3 while maintaining the beam divergence is performed directly on the laser medium.
  • the sub-pumping beams are guided via a coupling optics 2 in the homogenizer 3, wherein this coupling optics 2 in the illustrated embodiment, purely by way of example via two cylindrical coupling lenses 2A and 2B has, in addition to the projection on or in the laser medium 4, both the collection and coupling of the partial beams in the homogenizer 3 as well as influencing the mixing is possible.
  • Fig. IC shows an embodiment analogous to Fig. 1B, in which by choosing another, e.g. In this case, a microlens with a comparatively longer focal length on the emitter of the laser pump source 1, a smaller divergence in the projection axis PA is achieved, and thereby the pump leak is performed in the laser medium significantly elliptical.
  • Homogenizer 3 and laser medium 4 are again designed and arranged such that the pump beam emerging from the homogenizer 3 and composed of the mixed partial pumping beams is also guided directly onto or into the laser medium 4 in the mixing axis DA.
  • a continuous component of homogenizer 3 and laser medium 4 is optically realized, wherein at the transition point of the homogenizer 3 and laser medium 4 while divergence preservation takes place for mixing axis DA and projection axis PA.
  • this arrangement resembles a continuous planar waveguide. In this case, divergence-compensating reflections can subsequently ensue in the laser medium 4 or else the pump beam is continued here divergenzerhaltend without further reflection. In the case of reflections in the laser medium 4, this may have polished or coated side surfaces for divergence compensation.
  • both components are arranged so that the homogenizer 3, the laser medium 4 contacted, which according to the invention in addition to the unfixed abutment and a fixed connection by kitten or diffusion bonding is possible.
  • a correspondingly mechanically stable connection also contributes to the robustness of the arrangement and allows the waiver of the adjustment effort required for interposed optics.
  • the homogeneity of Pumpflecks remains, which in the case of an intermediate optics requires a particularly high quality and costly design of this optics in order to achieve a high quality image despite high divergences. Aberrations or aberrations of this optics could otherwise affect the homogeneity of the pump leak.
  • the homogeneity of the pump leak has a direct influence on the achieved beam quality with high beam power, which represents a decisive parameter for many applications.
  • the beam profile produced at the output of the homogenizer 3 can already substantially correspond in shape and size to the pump beam profile in the laser medium 4 or, due to the divergence of the radiation, only assume the required cross section there.
  • 2 shows the schematic illustration of a second exemplary embodiment of the pump arrangement according to the invention with variants of a focusing in the projection axis.
  • a fundamentally identical structure and an identical homogenizer 3 are used, different variants of the focusing being shown in FIGS. 2A-B and in FIGS. 2C-D.
  • FIGS. 1A-C a fundamentally identical structure and an identical homogenizer 3 are used, different variants of the focusing being shown in FIGS. 2A-B and in FIGS. 2C-D.
  • FIGS. 2A-B shows the variant of FIGS.
  • the coupling optics 2 ' now have two plano-convex coupling lenses 2A' and 2B ', with coupling optics 2' also being designed for focusing in the projection axis.
  • the coupling optics 2 "has two cylindrical coupling lenses 2A” and 2B "in analogy to the exemplary embodiment of FIGS. 1A-C, and additionally a cylindrical lens 2C" acting in the projection axis.
  • both the beam divergence which does not influence the beam divergence in the projection axis and the focusing approach can be described below
  • Embodiments are combined, so that usually takes place a representation in only one axis.
  • the person skilled in the art can derive further examples according to the invention for optical imaging systems which are described in the
  • the coupling optics 2, 2 'or 2i I' I according to the invention wholly or partly in the homogenizer be integrated, for example by the entrance window provided with a curvature or the homogenizer is divided. Specific examples of this are shown schematically in FIGS. 2E and 11A-B, but the principle of integration of further optical functions beyond the pure mixing into the homogenizer is also applicable to other exemplary embodiments according to the invention. However, this can require an increased effort on the component side, whereas a separate coupling optics allows the use of homogenizers with planar surfaces.
  • the coupling optics 2 of the first embodiment of Fig. IA-B is used with two cylindrical coupling lenses 2A and 2B, but now the homogenizer is divided into a first homogenizer component 3A and a second homogenizer component 3B Carrier component 3C can be interconnected or mutually fixed.
  • the second homogenizer component 3B is designed so that it also provides a focusing effect in addition to the mixing, but first and second homogenizer components 3A and 3B form a continuous homogenizer.
  • FIG. 3 shows the schematic illustration of a third exemplary embodiment of the pumping arrangement according to the invention with a basically identical construction in comparison to FIG. 1A-C or FIG. 2A-E.
  • the mixing axis is shown, so that both the direct projection without focusing gem.
  • Fig. IA-C or the Projection with focus acc. 2A-E according to the invention can be realized for the projection axis.
  • the homogenizer 3 and the laser medium 4 do not touch, but are positioned at a slight distance from each other.
  • the corresponding distance from the homogenizer 3 and the laser medium 4 can be selected to be smaller than the smallest diameter of a cross section of the exiting pump beam or smaller than the smallest edge length of the homogenizer 3, in particular, this can be between 100 and 880 .mu.m, for example 300 or 500 .mu.m.
  • FIG. 4 A fourth embodiment of the pumping arrangement according to the invention is shown in FIG. 4, in which the homogenizer 3 and the laser medium 4 are in communication with one another. However, at the contact point between these two components, a transmission-increasing layer 5 is arranged, which was applied to the homogenizer 3 during manufacture in this example. However, such a transmission-enhancing layer 5 is not required in all cases, e.g. can be dispensed with, if the refractive indices of the two materials used for homogenizer 3 and laser medium 4 are close to each other.
  • the laser medium 4 is used as a mirror element, for example for beam folding in the resonator or as an end mirror, then the laser radiation to be amplified can be guided from the side opposite the homogenizer 3 into the laser medium 4.
  • the transmission-increasing layer 5 ' can be applied over the entire area of the surface of the laser medium 4 facing the homogenizer 3, wherein these are used as a useful signal
  • Reflective laser radiation reflecting, for the pumping radiation is designed to be transmissive. This can be done for example by a spectrally selective Reflexion°. Transmission effect for the different wavelengths of pump and Nutzsignalstrahlung be achieved, so that an optimal coupling of the pump radiation takes place in reflection of the laser radiation to be amplified in the laser medium 4. This case is shown in Fig.5 as a fifth embodiment.
  • FIG. 6 A sixth exemplary embodiment of the pump arrangement according to the invention is finally shown in FIG. 6, in which the features of the transmission-enhancing and spectrally selectively reflecting layer 5 'applied over the entire surface to the laser medium 4 are connected to a spacing of the homogenizer 3.
  • FIGS. 7A-B schematically show a seventh exemplary embodiment of the pump arrangement according to the invention, again with representation of the projection and mixing axis.
  • the structure corresponds in principle to the second embodiment. 2A-B with a focus in the projection axis.
  • the laser medium 4 'and homogenizer 3 are matched to one another such that the laser medium 4' acts as a waveguide in continuation of the homogenizer 3 at least in the mixing axis.
  • - in deviation from the embodiment shown - in the projection axis an adjustment of homogenizer cross section and cross section of the laser medium 4 'take place.
  • FIG. 8 shows an eighth embodiment of the inventive pumping arrangement, wherein only the Mixing axis is shown.
  • the structure of the coupling optics 2 '' is similar to the arrangement shown in Figure 2C-D, however, a coating 6 is introduced into the homogenizer 3 '''in this embodiment, which is transparent to the pump radiation and reflective for the radiation of the useful signal 7 ,
  • the useful signal 7 is for this purpose laterally coupled into the homogenizer 3 '''and emitted after amplification in a trapezoidal in this embodiment laser medium 4''as a reinforced output beam 1'.
  • This amplifier arrangement can be used, for example, for the external amplification of laser beams or else for the resonator-internal amplification.
  • FIGS. 9A-D and 10A-D have been created by means of ray-tracing, wherein for reasons of illustration the focus which is likewise possible according to the invention has been intentionally omitted in the non-homogenizing plane.
  • two partial pump beams TPS1 'and TPS2' for the center and the one-edge emitters of a laser diode stack of 5 mm width are calculated as the laser pumping source 1 '.
  • the half angle of divergence in the slow axis is 3-4 ° and the homogenizer 3 'is as Quartz glass rod with a length of 70 mm and a width of 3 mm formed in the mixing axis.
  • the inventive pumping method is explained with reference to a first example of the beam path of the pumping arrangement according to the invention.
  • partial pumping beams TPS1' and TPS2 ' are generated for pumping the laser medium 4 and guided into the homogenizer 3' by coupling optics consisting of two cylindrical lenses as coupling lenses 2A and 2B, at least one cylindrical one Einkoppellinse is oriented with its longitudinal axis in the direction of the axis of mixing.
  • mixing of the partial pump beams TPS1 'and TPS2' takes place in at least one axis by multiple reflections, so that a pump beam for the laser medium 4 is generated from the mixed partial pump beams TPS1 'and TPS2'.
  • the partial pumping beams TPS1 'and TPS2' are passed directly onto or into the laser medium 4 after thorough mixing.
  • an elliptical beam profile of the pump beam is generated.
  • the homogenizer 3 has a dimensioning, which generates an elliptical beam profile of the exiting pump beam, in particular by the targeted generation or maintenance of different beam divergences in the two axes, depending on the application or laser medium used 4 a complete or only partial mixing in the width of the elliptical beam profile can be done.
  • the pumping beam at the output of the homogenizer 3 ' has a high divergence in this axis.
  • the divergence in the other axis can remain unaffected by the homogenizer 3 ', so that an elliptical pumplichtfleck arises.
  • a focusing can also take place so that pumping light spots or beam cross sections of the pumping beam can also be adapted to a desired cross section or a beam profile which are more or less elliptical.
  • FIG. 9C shows the divergence in the mixing axis at the end of the homogenizer 3 'in detail.
  • FIG. 9D explains the coupling-in optical system with the two coupling-in lenses 2A and 2B in an enlarged view.
  • Fig.l0A-D shows the representation of a second example of the beam path of the inventive pumping arrangement.
  • the laser pumping source 1 producing the two subpump beams TPS1" and TPS2 "'is a 10 mm wide laser diode stack, which again considers the emissions from the center and the edge emitters.
  • the half angle of divergence in the slow axis is 3-4 ° and the homogenizer 3 "is formed as a quartz glass rod with a length of 160 mm and a width of 7 mm in the mixing axis.
  • FIG. 10C shows this divergence of the mixing axis at the end of the homogenizer 3 "in detail.
  • Fig. OD illustrates the coupling optics with the two coupling lenses 2A and 2B in enlargement.
  • FIG.llA-B an eighth embodiment of the pumping arrangement according to the invention is shown schematically, in which a provided in the mixing axis with an opening angle of the homogenizer 3 '' '' is used.
  • the opening angle is adapted to the divergence, wherein also the entrance window has a curved shape, so that a lens effect is achieved.
  • Focusing takes place in the projection axis through a cylindrical lens 2 ", so that the pump leak geometry to be achieved in this axis is generated directly.

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Abstract

In einer Laserpumpanordnung für ein Laserstrahlung verstärkendes Lasermedium mit mindestens einer Laserpumpquelle (1'') mit mehreren Emittern zur Erzeugung von Teilpumpstrahlen (TPS1", TPS2") werden durch eine Einkopplungsoptik die Teilpumpstrahlen (TPS1", TPS2") in einen Homogenisator (3'') geführt und dort in einer Achse durch multiple Reflexionen durchmischt. Hierbei sind Homogenisator (3") und Lasermedium so ausgebildet und angeordnet, dass der aus dem Homogenisator (3") austretende Pumpstrahl unter Divergenzerhaltung in der Durchmischungsachse (DA) unmittelbar auf oder in das Lasermedium geführt wird, wobei die Teilpumpstrahlen (TPS1", TPS2") in einer zur Durchmischungsachse (DA) senkrechten Projektionsachse (PA) direkt auf oder in das Lasermedium projiziert, insbesondere fokussiert werden.

Description

Laserpumpanordnung und Laserpumpverfahren mit Strahlhomogenisierung
Die Erfindung betrifft eine Laserpumpanordnung für ein Laserstrahlung verstärkendes Lasermedium nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein damit ausgestattetes Lasersystem und ein Laserpumpverfahren für ein Laserstrahlung verstärkendes Lasermedium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Diodengepumpte Festkörperlaser stellen Standardlasersysteme dar, die in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Eine Leistungsskalierung geschieht dabei in der Praxis unter Verwendung verschiedener Techniken. Das Grundproblem besteht in der Regel darin, dass bei zunehmender volumetrischer Pumpleistungsdichte im Lasermedium thermisch ausgelöste Effekte, wie z.B. thermische Linsen, Depolarisationen oder Spannungsbrüche, zur Degradation der Strahlparameter bzw. zur Zerstörung des Lasermediums führen. Zudem treten verstärkt Aberrationen der Lasermode auf, wenn Hochleistungspumpquellen, welche für die Leistungsskalierung benötigt werden, nur mangelhafte Homogenisierung aufweisen.
Eine Skalierung durch Vergrösserung des annähernd runden Pumpquerschnittes ist zwar begrenzt möglich, führt aber schnell zu Schwierigkeiten bei der Anpassung der Lasermode.
Aus dem Stand der Technik sind daher verschiedene andere Ansätze bekannt, mit denen eine Leistungsskalierung angestrebt wird, welche diese negativen Effekte vermeiden oder zumindest vermindern. Eine weitaus bessere Methode der Skalierung bietet z. B. das Konzept des Scheibenlasers mit runder mehrfach in das Lasermedium rückgeführter Pumpe, wie es beispielsweise in der EP 0 632 551 dargestellt wird. Hierbei werden thermischen Effekte mit einem direkten Ansatz verringert, indem das Lasermedium sehr dünn gestaltet und die Kühlung eindimensional in Richtung der dünnen Ausdehnung des Lasermediums durchgeführt wird.
Die hierdurch erreichten Vorteile bestehen darin, dass zum einen eine sehr geringe Temperaturüberhöhung aufgrund der Nähe des Kühlkörpers resultiert, zum anderen bleiben die Quer-Gradienten über die Lasermode gering, da nur vernachlässigbare Wärmeleitung in diese Richtung erfolgt.
Eine Weiterführung dieses Gedankens wird in der EP 1 629 576 beschrieben. Hier wird durch die Verwendung einer stark elliptisch fokussierten Pumpanordnung in die Scheibe ein zusätzlicher thermischer Vorteil durch einen zweidimensionalen Wärmefluss erreicht, welcher sich in einer geringeren Spitzentemperatur auswirkt.
Durch die Fortschritte im Bereich der fasergekoppelten Laserdioden konnte eine kontinuierliche Erhöhung der Brillanz solcher Strahlquellen erreicht werden, was dazu genutzt werden kann, die Skalierung über die Länge des Lasermediums zu erreichen. Speziell in Zusammenhang mit Lasermedien mit vergleichsweise hohen
Verstärkungsquerschnitten, wie z.B. Nd:Vanadate, werden mit äusserst einfachen Aufbauten sehr gute Erfolge erzielt. Die Fortschritte, welche in den letzten 10-20 Jahren in der Kristallwachstumstechnologie erzielt wurden haben sich hier ebenso positiv ausgewirkt. Eine konsequente Weiterführung dieses Konzeptes führt schliesslich zum Faserlaser, welcher, ähnlich wie der Scheibenlaser, sehr hohe Ausgangsleistungen ermöglicht.
Schliesslich besteht eine weitere Möglichkeit der Leistungsskalierung im sog. elliptischen bzw. stark elliptischen Pumpen. Dabei wird ein starker Fokus, z. B. in der vertikalen Richtung, aufrecht erhalten, um die nötige Kleinsignalverstärkung zu gewährleisten. Hingegen wird das gepumpte Volumen durch eine Verbreiterung in der anderen Richtung vergrössert. Hierbei wird sichergestellt, dass die flächenmässige Leistungsdichte nicht über den für thermische Effekte kritischen Wert steigt. Ein entsprechender Ansatz ist beispielsweise aus der EP 1 318 578 bekannt. Eine Skalierung wird damit durch die Verbreiterung der Linie erreicht. Die für diesen Ansatz am besten geeignete Geometrie des Lasermediums ist ein Stab bzw. „Slab", wie er auch in der EP 1 181 754 beschrieben wird. Besonders wichtig in diesem Zusammenhang ist eine sehr homogene Pumpverteilung entlang der Linie, da bei Inhomogenitäten sehr schnell Aberrationen in der Lasermode auftreten. Dies kann bspw. dadurch gelöst werden, dass das Licht von einem Laserbarrenstapel mittels einer Mehrzahl von Linsen zuerst über einen Homogenisator mit totaler interner Reflexion an zwei Seiten als planarem Wellenleiter geführt wird, dessen Austrittsfläche dann wieder über eine Mehrzahl von Linsen in bzw. auf das Lasermedium abgebildet wird. Eine solche Ver- oder Durchmischung verringert den Einfluss von ausfallenden oder sich in ihrer Leistung verändernder Pumpstrahlquellen, so dass ein homogener bzw. homogenisierter Pumpstrahl folgt, der als Pumplichtfleck auf das Lasermedium abgebildet wird. Dieser Ansatz erlaubt somit zwar eine Durchmischung der Emissionen verschiedener Laserdioden im Stapel, ist jedoch aufgrund der verwendeten Linsensysteme bei der Ein- und Auskopplung in den Homogenisator aufwendig in Aufbau und Justierung. Zudem resultieren aus den nachgeordneten Optiken entsprechende Anforderungen an den Platzbedarf des Lasersystems
Gattungsgemässe Lasersysteme mit Homogenisatorstäben des Stands der Technik sind somit durch ihren Aufbau und die verwendeten Komponenten zu komplex, justieraufwendig und/oder zu gross.
Andere Ansätze, wie sie beispielsweise in Beach, Raymond J. : „Theory and optimization of lens ducts", Applied
Optics, Vol. 35, No. 12, 20. April 1996, Seiten 2005-2015 oder Honea, Eric C. et al . : „Analysis of an intracavity- doubled diode-pumped Q-switched Nd: YAG laser producing more than 100 W of power at 0.352 μm", Optics Letters, Vol. 23, No. 15, 1. August 1998, Seiten 1203-1205 beschrieben werden, verzichten zwar auf eine dem Homogenisator nachgeschaltete Optik, eignen sich aber aufgrund der für die beschriebenen Anwendungen erforderlichen Durchmischung in zwei Achsen nicht zur Erzeugung von hochelliptischen Pumpfleckgeometrien.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer kompakteren oder vereinfachten Laserpumpanordnung zur Erzeugung elliptischer Pumpgeometrien sowie eines diese verwendenden Lasersystems, insbesondere eines diodengepumpten Festkörperlasersystems. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines solchen Lasersystems, welches eine verbesserte Robustheit und verminderten Justieraufwand aufweist.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 15 oder der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. die Lösungen weitergebildet.
Die Erfindung betrifft eine Pumpanordnung bzw. ein Pumpverfahren für Lasermedien, bei denen die Teilstrahlen einer Mehr- oder Vielzahl von Pumpstrahlquellen gesammelt, vermischt und als Pumpstrahl zur Erzeugung elliptischer Pumpgeometrien auf oder in ein verstärkendes Lasermedium geführt werden. Der Querschnitt des zu erzielenden elliptischen Pumplichtflecks wird hierbei durch das Aspektverhältnis beschrieben, wobei hier Verhältnisse von Pumplichtfleck-Länge zu -Breite von beispielsweise > 3:1, insbesondere > 15:1 oder noch höher erzielt werden.
Die erfindungsgemässe Lösung für das homogenisierte Pumpen eines Lasermediums stellt im wesentlichen ein platzoptimiertes System dar, welches mit einer Minimalzahl von Standardlinsen zuzüglich eines Homogenisators aufgebaut werden kann. Durch die im Vergleich zum Stand der Technik kleinere Zahl von Linsen verringern sich Platzbedarf und Justieraufwand.
Im Detail wird auf die optische Abbildung des Homogenisatorausgangs in das Lasermedium verzichtet. Statt dessen werden beide in unmittelbare Nähe angeordnet, z.B. mit einem Abstand von 100-300μm positioniert, so dass das Pumplicht ohne Abbildung eines eigentlichen Pumplichtflecks und mit bestimmtem Querschnitt unter Divergenzerhaltung, abgesehen von der Brechung an planen Oberflächen, im wesentlichen im Lasermedium weitergeführt wird. Der Divergenzerhalt bedeutet somit, dass abgesehen von den Wechselwirkungen beim Ein- oder Durchtritt in optische Komponenten, d.h. dem Durchgang durch Ein- oder Austrittsfenster, diesbezüglich keine Strahlformung durch zu diesem Zweck ausgestaltete Elemente erfolgt. Insofern entspricht der Divergenzerhalt einer Strahlformungsfreiheit hinsichtlich der Veränderung der Divergenz. Das Pumplicht wird hinsichtlich seiner Divergenz strahlformungsfrei in das Lasermedium geführt.
Das Lasermedium stellt damit funktional eine Verlängerung des Homogenisators dar, wobei der Homogenisator strahlformende Wirkung aufweist und an seinem Ausgang einen Strahl mit dem gewünschten Querschnitt bzw. Strahlprofil bereitgestellt. Im Vergleich zu Anordnungen mit abbildenden Komponenten wird somit die Funktion der Strahlformung durch eine nachgeordnete Linse bereits durch den Homogenisator und dessen Zusammenspiel mit einer Einkopplungsoptik bewirkt .
Der Homogenisator als planarer optischer Wellenleiter kann dabei polierte oder auch beschichtete bzw. verspiegelte Seitenflächen haben, um das Führen durch totale interne Reflexion zu ermöglichen. Die Dimensionen des Homogenisators werden dabei so gewählt, dass in Richtung der Durchmischung die erforderliche Breite des Pumpstrahls im Lasermedium entsteht und die Durchmischung ausreichend vollständig ist, d.h. unterhalb einer Toleranzschwelle für Abweichung vom Sollprofil des homogenen Verlaufs bleibt. Da in den meisten Lasersystemen eine lineare Abfolge von Laserdioden in Form von Laserbarren oder -zeilen verwendet werden, erfolgt eine Durchmischung der durch diese Anordnung bedingten und räumlich versetzten Teilstrahlbündel in einer Achse. Hierdurch wird der Einfluss der unterschiedlichen Entstehungsorte eliminiert bzw. unter eine vorgegebene Schwelle gedrückt.
Eine Voraussetzung für die gewünschte Durchmischung ist die hierfür optimierte Einkopplung der Teilstrahlen in das homogenisierende Element, was durch die Wahl von in Durchmischungsrichtung geeigneter zylindrischer Einkoppellinsen möglich ist. Divergenz und Länge des Homogenisators stehen hierbei in einem Abhängigkeitsverhältnis, d.h. eine hohe Divergenz ermöglicht einen kurzen Homogenisator wohingegen eine geringe Divergenz einen langen Homogenisator erfordert. Die bei hoher Divergenz entstehenden grossen Ein- und Austrittswinkel sowie die damit einhergehenden Reflexionsverluste können mit geeigneten Schichtsystemen sowohl auf dem Homogenisator als auch auf dem Lasermedium minimiert werden.
Bei den üblicherweise verwendeten Laserdioden erfolgt bereits emitterseitig eine Kollimierung in der Fast-axis. Diese wird durch eine nach der Pumpquelle angeordnete zylindrische Linse wieder fokussiert. Die angestrebten Fokussierungen, z.B. dy = 100 - 880 μm, lassen sich hiermit ohne weiteres erreichen.
Durch diese Anordnung entsteht am Ende des Homogenisators und vor dem Lasermedium, d.h. am Übergang dieser beiden Komponenten, ein homogenes Strahlungsfeld mit allerdings hoher Divergenz in der Homogenisierungsrichtung. Der Verzicht auf eine dem Homogenisator nachgeordnete Strahlformung, z.B. in Form weiterer Linsen, kann beispielsweise durch eine die Transmission optimierende Beschichtung unterstützt werden, wobei auch bei den auftretenden grossen Winkeln eine hohe Transmission gewährleistet sein muss.
Ggf. kann die Strahlführung des durch das Lasermedium zu verstärkenden Laserlichts von der gegenüberliegenden Seite her erfolgen, so daß die Verbindung Medium - Stab für das Pumplicht höchst transmittiv, für das Laserlicht aber reflektierend ausgebildet sein kann - z.B. durch spektral selektives Coating. Ausserdem soll dieses auch für den vollen Winkelbereich der Divergenz, z.B. bis 60°, durchlässig sein, also eine hohe Transmission für einen großen Einfallswinkelbereich ermöglichen.
Durch diese Anordnung der beiden Komponenten wird bewirkt, dass eine fortlaufende Strahlführung vom Homogenisator in das Lasermedium erreicht wird, wobei beide Komponenten miteinander verbunden, d.h. in Kontakt miteinander stehen, oder aber mit geringem Abstand positioniert sind. Dieser Abstand wird durch die im Lasermedium zu erzielende Pumpwirkung, d.h. die Breite der Pumpstrahllinie bedingt. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des durchmischten Strahls im Homogenisator, d.h. insbesondere dessen dort erzeugten Strahlquerschnitt und dessen Strahldivergenz, kann dann der Abstand gewählt werden. Im Gegensatz zur Verwendung von Optiken zwischen Homogenisator und Lasermedium wird der Strahl unmittelbar weitergeführt, so dass keine weiteren, die Strahlcharakteristik verändernden Elemente zwischen den Komponenten angeordnet sind. Dies betrifft insbesondere die Bewahrung der am Ausgang des Homogenisators vorliegenden Strahldivergenz. In diesem Sinne erfolgt eine direkte Fortführung des Strahlgangs ohne Beeinflussung der Strahlcharakteristik von Homogenisator zu Lasermedium. Dies wird im Falle einer direkten Kontaktierung mit fixierender und transmissionsoptimierender Verbindung beider Komponenten klar, die z.B. durch Kitten oder Diffusionsbonding erzielt werden kann. Homogenisator und Lasermedium bilden somit einen zusammenhängenden planaren Wellenleiter, der ggf. in einigen Ausführungsformen durch eine schmalen, aber die Divergenz bewahrenden Freistrahlungsbereich unterbrochen sein kann.
Durch diese direkte Strahlfortführung kann es erforderlich werden, im Lasermedium eine Divergenzkompensation durchzuführen, welche beispielsweise durch hochpolierte oder beschichtete seitliche Flächen des Mediums möglich ist .
Senkrecht zur Durchmischungsachse wird die Teilpumpstrahlung eines Emitters entweder direkt und ohne Beeinflussung der Divergenz oder aber mittels Fokussierung durch den Homogenisator geführt, d.h. dieser durchmischt nur in einer Achse, wohingegen in der anderen Achse keine Durchmischung sondern eine direkte Projektion auf das Lasermedium erfolgt. Die Kombination von hoher Divergenz in der Durchmischungsachse und geringer Divergenz bzw. ggf. Fokussierung in der Projektionsachse bewirkt einen hochelliptischen Strahlquerschnitt des Pumplichts.
Die erfindungsgemässe Pumpanordnung bzw. das erfindungsgemässe Pumpverfahren werden nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben oder erläutert. Im einzelnen zeigen Fig. IA-C die schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Pumpanordnung;
Fig.2A-E die schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Pumpanordnung mit Varianten einer Fokussierung in der Projektionsachse;
Fig.3 die schematische Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Pumpanordnung;
Fig.4 die schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Pumpanordnung;
Fig.5 die schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Pumpanordnung;
Fig.6 die schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Pumpanordnung;
Fig.7A-B die schematische Darstellung eines siebten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Pumpanordnung;
Fig.8 die schematische Darstellung eines achten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Pumpanordnung; Fig.9A-D die Darstellung eines ersten Beispiels für den
Strahlgang der erfindungsgemässen Pumpanordnung;
Fig.lOA-D die Darstellung eines zweiten Beispiels für den Strahlgang der erfindungsgemässen Pumpanordnung und
Fig.llA-B die schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Pumpanordnung .
Fig. IA-B zeigt die schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Pumpanordnung, wobei Fig. IA eine Drauf- und Fig. IB und Fig. IC jeweils eine Seitenansicht für unterschiedliche Divergenzen der emittierten Pumpstrahlung darstellen.
Die Pumpanordnung für ein Laserstrahlung verstärkendes Lasermedium weist mindestens eine Laser-Pumpquelle 1 mit mehreren Elementen zur Erzeugung von Teilpumpstrahlen auf.
Hierbei werden zumeist Laserdioden verwendet, die übereinander oder nebeneinander angeordnet sind und deren
Laserstrahlung zum Pumpen des Lasermediums 4 Verwendung findet.
Die von dieser Laser-Pumpquelle 1 emittierten Teilstrahlenbündel werden in einem der Laser-Pumpquelle 1 nachgeordneten optischen Homogenisator 3 in einer Durchmischungsachse DA durchmischt. Dieser weist in diesem Ausführungsbeispiel als Homogenisatorstab einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei dessen Dimensionierung genauso wie die Länge des Stabes sowohl von der Laser-Pumpquelle 1, z.B. von Zahl und Beabstandung der einzelnen Emitter, sowie vom Lasermedium 4, z.B. dessen Material, abhängen. Im allgemeinen wird der Homogenisator 3 eine schmalere Seite aufweisen, welche rein exemplarisch die Durchmischung durch multiple Reflexionen an dieser Fläche innerhalb des Stabes und in der Durchmischungsachse DA bewirkt, wohingegen in der breiteren Seite eine Fokussierung stattfinden kann. Hierfür können jedoch auch andere, von einem Quader bzw. Stab abweichende Geometrien erfindungsgemäss verwendet werden, wobei auch eine Durchmischung durch die breitere Seite bewirkt werden kann. Zur Gewährleistung verlustfreier Reflexionen bei der Durchmischung kann der Homogenisator 3 polierte oder beschichtete Seitenflächen aufweisen. Die Durch- oder Vermischung beruht dabei auf den durch die unterschiedliche Lage der Einzelemitter bedingten verschiedenen Einfallswinkel in den Homogenisator 3, wobei die Teilpumpstrahlengänge mit ihrer Divergenz durch eine Vielzahl von Reflexionen verschränkt und damit durchmischt werden .
Zusätzlich zur Durchmischung erfolgt in einer zur Durchmischungsachse DA senkrechten Projektionsachse PA eine direkte Projektion der von den Emittern der Laser-Pumpquelle 1 erzeugten Teilpumpstrahlen auf das Lasermedium 4, d.h. es erfolgt in dieser Achse keine der Durchmischungsachse DA entsprechende Durchmischung bzw. keine Beeinflussung der Strahldivergenz bzw. Strahlkonvergenz durch weitere Komponenten. Diese Projektion ist in der Fig. IA gestrichelt gezeigt. Damit wird die Emission der Laser-Pumpquelle 1 in der Projektionsachse PA mit der ursprünglichen - bzw. nur durch eine Mikrolinse auf dem Emitter beeinflußten Divergenz durch den Homogenisator 3 unter Erhaltung der Strahldivergenz direkt auf das Lasermedium geführt. Hierzu werden die Teilpumpstrahlen über eine Einkopplungsoptik 2 in den Homogenisator 3 geführt, wobei diese Einkopplungsoptik 2 in der dargestellten Ausführungsform rein beispielhaft über zwei zylindrische Einkoppellinsen 2A und 2B verfügt, durch die neben der Projektion auf oder in das Lasermedium 4 sowohl die Sammlung und Einkopplung der Teilstrahlenbündel in den Homogenisator 3 als auch eine Beeinflussung der Durchmischung möglich ist.
Fig. IC zeigt ein zur Fig. IB analoges Ausführungsbeispiel, in dem durch Wahl einer anderen, z.B. in diesem Fall einer Mikrolinse mit vergleichsweise längerer Brennweite auf dem Emitter der Laser-Pumpquelle 1 eine geringere Divergenz in der Projektionsachse PA erzielt wird und dadurch der Pumpfleck im Lasermedium deutlich elliptischer ausgeführt wird.
Homogenisator 3 und Lasermedium 4 sind wiederum so ausgebildet und angeordnet, dass der aus dem Homogenisator 3 austretende und aus den durchmischten Teilpumpstrahlen zusammengesetzte Pumpstrahl auch in der Durchmischungsachse DA unmittelbar auf oder in das Lasermedium 4 geführt wird. Durch diese direkte und unmittelbare Einkopplung ohne weitere zwischengeschaltete strahlverändernde Komponenten wird optisch eine durchgehende Komponente aus Homogenisator 3 und Lasermedium 4 realisiert, wobei an der Übergangsstelle von Homogenisator 3 und Lasermedium 4 dabei für Durchmischungsachse DA und Projektionsachse PA eine Divergenzerhaltung erfolgt. Bei entsprechend geformten Lasermedium 4 ähnelt diese Anordnung damit einem durchgehend planaren Wellenleiter. Hierbei können nachfolgend im Lasermedium 4 divergenzkompensierende Reflexionen erfolgen oder aber der Pumpstrahl wird hier ohne weitere Reflexion divergenzerhaltend weitergeführt. Im Falle von Reflexionen im Lasermedium 4 kann dieses zur Divergenzkompensation polierte oder beschichtete Seitenflächen aufweisen.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel werden hierfür beide Komponenten so angeordnet, dass der Homogenisator 3 das Lasermedium 4 kontaktiert, wobei erfindungsgemäss neben dem unfixierten Aneinanderstoßen auch eine fixe Verbindung durch Kitten oder Diffusionsbonding möglich ist. Eine entsprechend mechanisch stabile Verbindung trägt zudem zur Robustheit der Anordnung bei und erlaubt den Verzicht auf den bei zwischengeschalteten Optiken erforderlichen Justageaufwand. Darüber hinaus bleibt die Homogenität des Pumpflecks erhalten, was im Falle einer zwischengeschalteten Optik eine besonders hochwertige und kostspielige Ausführung dieser Optik erfordert, um eine hochqualitative Abbildung trotz hoher Divergenzen zu erreichen. Abbildungsfehler bzw. Abberationen dieser Optik könnten ansonsten die Homogenität des Pumpflecks beeinträchtigen. Dabei hat die Homogenität des Pumpflecks direkten Einfluss auf die erzielte Strahlqualität bei hoher Strahlleistung, was für viele Anwendungen einen entscheidenden Parameter darstellt.
Je nach Lasermedium 4 kann nun das am Ausgang des Homogenisators 3 entstehende Strahlprofil bereits in Form und Größe im wesentlichen dem Pumpstrahlprofil im Lasermedium 4 entsprechen oder aber durch die Divergenz der Strahlung erst dort den erforderlichen Querschnitt annehmen. Fig.2 zeigt die schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Pumpanordnung mit Varianten einer Fokussierung in der Projektionsachse. Im Vergleich zu Fig. IA-C wird ein grundsätzlich gleicher Aufbau und ein identischer Homogenisator 3 verwendet, wobei in den Fig.2A-B und in den Fig.2C-D jeweils verschiedene Varianten der Fokussierung dargestellt sind. In der Variante der Fig.2A-B weist die Einkopplungsoptik 2' nun zwei plankonvexe Einkoppellinsen 2A' und 2B' auf, wobei Einkopplungsoptik 2' auch zur Fokussierung in der Projektionsachse ausgelegt ist. In diesem Aufbau erfolgt somit eine Durchmischung in der Durchmischungsachse bei gleichzeitiger Fokussierung in der hierzu senkrechten Projektionsachse. In der Variante der Fig.2C-D weist die Einkopplungsoptik 2'' zwei zylindrische Einkoppellinsen 2A' ' und 2B' ' in Analogie zum Ausführungsbeispiel der Fig. IA-C auf, sowie zusätzlich eine in der Projektionsachse wirkende zylindrische Linse 2C" .
Erfindungsgemäss können sowohl der in der Projektionsachse die Strahldivergenz nicht beeinflussende wie auch der fokussierende Ansatz mit den nachfolgend dargestellten
Ausführungsbeispielen kombiniert werden, so dass zumeist eine Darstellung in nur einer Achse erfolgt. Der Fachmann kann weitere erfindungsgemässe Beispiele für optische Abbildungssysteme ableiten, welche in der
Durchmischungsachse die geeignete Abbildung in den
Homogenisator erzeugt und gleichzeitig in der
Projektionsachse einen geeigneten Pumpfleckradius im
Lasermedium erzeugt und somit die gewünschte Elliptizität des Pumpflecks und Pumpintensität erreicht.
Auch kann die Einkopplungsoptik 2, 2' oder 2i I' I erfindungsgemäss ganz oder teilweise in den Homogenisator integriert werden, z.B. indem das Eintrittsfenster mit einer Wölbung versehen oder der Homogenisator aufgeteilt wird. Spezielle Beispiele hierfür werden in den Fig.2E und Fig.llA-B schematisch dargestellt, das Prinzip der Integration weiterer optischer Funktionen jenseits der reinen Durchmischung in den Homogenisator ist erfindungsgemäss aber auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar. Allerdings kann dies einen erhöhten Aufwand auf der Komponentenseite bedingen, wohingegen eine getrennte Einkopplungsoptik die Verwendung von Homogenisatoren mit planaren Oberflächen erlaubt.
In der Variante der Fig.2E wird die Einkopplungsoptik 2 des ersten Ausführungsbeispiels aus Fig. IA-B mit zwei zylindrischen Einkoppellinsen 2A und 2B verwendet, jedoch ist nunmehr der Homogenisator in eine erste Homogenisatorkomponente 3A und eine zweite Homogenisatorkomponente 3B aufgeteilt, wobei diese durch eine Trägerkomponente 3C miteinander verbunden bzw. gegenseitig fixiert werden können. Die zweite Homogenisatorkomponente 3B ist so ausgebildet, dass sie neben der Durchmischung auch eine fokussierende Wirkung bereitstellt, wobei aber erste und zweite Homogenisatorkomponente 3A und 3B einen durchgehenden Homogenisator bilden.
Fig.3 zeigt die schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Pumpanordnung mit einem im Vergleich zu Fig. IA-C oder Fig.2A-E grundsätzlich gleichen Aufbau. Wie auch in den folgenden Figuren 4-6 ist hierbei nur die Draufsicht, d.h. die Durchmischungsachse gezeigt, so dass sowohl die direkte Projektion ohne Fokussierung gem. Fig. IA-C oder die Projektion mit Fokussierung gem. Fig.2A-E erfindungsgemäss für die Projektionsachse realisierbar sind. In dieser Ausführungsform berühren sich Homogenisator 3 und Lasermedium 4 nicht, sondern sind mit geringfügigem Abstand zueinander positioniert. Der entsprechende Abstand von Homogenisator 3 und Lasermedium 4 kann dabei kleiner als der kleinste Durchmesser eines Querschnitts des austretenden Pumpstrahls oder kleiner als die kleinste Kantenlänge des Homogenisators 3 gewählt werden, insbesondere kann dieser zwischen 100 und 880 μm, beispielsweise 300 oder 500 μm, betragen .
Ein viertes Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Pumpanordnung wird Fig.4 gezeigt, bei dem Homogenisator 3 und Lasermedium 4 miteinander in Verbindung stehen. Allerdings ist an der Kontaktstelle zwischen diesen beiden Komponenten eine transmissionserhöhende Schicht 5 angeordnet, die in diesem Beispiel bei der Fertigung auf den Homogenisator 3 aufgebracht wurde. Eine solche transmissionserhöhende Schicht 5 ist jedoch nicht in allen Fällen erforderlich, z.B. kann darauf verzichtet werden, wenn die Brechungsindizes der beiden für Homogenisator 3 und Lasermedium 4 verwendeten Materialien nah beieinander liegen .
Wird das Lasermedium 4 als Spiegelelement, z.B. zur Strahlfaltung im Resonator oder als Endspiegel, verwendet, so kann die zu verstärkende Laserstrahlung von der dem Homogenisator 3 gegenüberliegenden Seite in das Lasermedium 4 geführt werden. In diesem Fall kann die transmissionserhöhende Schicht 5' vollflächig auf die dem Homogenisator 3 zugewandte Fläche des Lasermediums 4 aufgebracht werden, wobei diese für als Nutzsignal zu verstärkende Laserstrahlung reflektierend, für die Pumpstrahlung aber transmittierend ausgelegt ist. Dies kann beispielsweise durch eine spektral selektive Reflexionsbzw. Transmissionswirkung für die unterschiedlichen Wellenlängen von Pump- und Nutzsignalstrahlung erreicht werden, so dass eine optimale Einkopplung der Pumpstrahlung bei Reflexion der zu verstärkenden Laserstrahlung im Lasermedium 4 erfolgt. Dieser Fall wird in Fig.5 als ein fünftes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Pumpanordnung wird schliesslich in Fig.6 gezeigt, bei dem die Merkmale der vollflächig auf das Lasermedium 4 aufgebrachten transmissionserhöhenden und spektral selektiv reflektierenden Schicht 5' mit einer Beabstandung des Homogenisators 3 verbunden ist.
Fig.7A-B zeigt schematisch ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Pumpanordnung, wiederum mit Darstellung von Projektions- und Durchmischungsachse. Dabei entspricht der Aufbau im Prinzip dem zweiten Ausführungsbeispiel gem. Fig.2A-B mit einer Fokussierung in der Projektionsachse. Allerdings sind in diesem Ausführungsbeispiel das Lasermedium 4' und Homogenisator 3 so aufeinander abgestimmt, dass das Lasermedium 4' in Fortsetzung des Homogenisators 3 zumindest in der Durchmischungsachse als Wellenleiter wirkt. Dabei kann auch - in Abweichung vom gezeigten Ausführungsbeispiel - in der Projektionsachse eine Anpassung von Homogenisator- querschnitt und Querschnitt des Lasermediums 4' erfolgen.
Fig.8 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Pumpanordnung, wobei nur die Durchmischungsachse dargestellt ist. Der Aufbau der Einkopplungsoptik 2'' gleicht dabei der in Fig.2C-D dargestellten Anordnung, allerdings wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Beschichtung 6 in den Homogenisator 3' ' ' eingebracht, welche für die Pumpstrahlung durchlässig und für die Strahlung des Nutzsignals 7 reflektierend ist. Das Nutzsignal 7 wird hierfür seitlich in den Homogenisator 3' ' ' eingekoppelt und nach Verstärkung in einem in diesem Ausführungsbeispiel trapezförmigen Lasermedium 4'' als verstärkter Ausgangsstrahl 1' emittiert. Diese Verstärkeranordnung kann beispielsweise zur externen Nachverstärkung von Laserstrahlen oder aber auch zur Resonator-internen Verstärkung verwendet werden.
Die in den Fig.9A-D und 10A-D gezeigten Beispiele sind mittels Ray-Tracing erstellt worden, wobei aus Veranschaulichungsgründen bewusst auf die erfindungsgemäss ebenfalls mögliche Fokussierung in der nicht homogenisierenden Ebene verzichtet wurde. In beiden Beispielen werden als Einkoppellinsen 2A und 2B Linsen des Herstellers Thorlabs vom Typ LJ1095L1-B sowie LJ1874L1-B verwendet, wobei die erste Linse LJ1095L1-B im Abstand von di = 28 mm von der Laser-Pumpquelle 1' und die zweite Linse LJ1874L1-B von der ersten in einem Abstand von d2 = 4,5 mm plaziert ist. Der Abstand von zweiter Linse LJ1874L1-B zum Homogenisator 3' beträgt d3 = 0,3 mm.
In Fig.9A-D werden zwei Teilpumpstrahlen TPSl' und TPS2' für den in der Mitte und den an einer Kante liegenden Emitter eines Laserdiodenstapels von 5 mm Breite als Laser- Pumpquelle 1' berechnet. Der halbe Winkel der Divergenz in der Slow-Axis beträgt 3-4° und der Homogenisator 3' ist als Quarzglas-Stab mit einer Länge von 70 mm und einer Breite von 3 mm in der Durchmischungsachse ausgebildet. Erläutert wird das erfindungsgemässe Pumpverfahren anhand eines ersten Beispiels für den Strahlgang der erfindungsgemässen Pumpanordnung. Durch zwei unterschiedliche und voneinander beabstandete Emitter der Laser-Pumpquelle 1' werden Teilpumpstrahlen TPSl' und TPS2' zum Pumpen des Lasermediums 4 erzeugt und durch eine nachgeordnete Einkoppeloptik aus zwei Zylinderlinsen als Einkoppellinsen 2A und 2B in den Homogenisator 3' geführt, wobei wenigstens eine zylindrische Einkoppellinse mit ihrer Längsachse in Richtung der Achse der Durchmischung orientiert ist. Dort erfolgt ein Durchmischen der Teilpumpstrahlen TPSl' und TPS2' in wenigstens einer Achse durch multiple Reflexionen, so dass ein Pumpstrahl für das Lasermedium 4 aus den durchmischten Teilpumpstrahlen TPSl' und TPS2' erzeugt wird. In dieser Figur sind rein aus Veranschaulichungsgründen nur zwei Teilpumpstrahlen TPSl' und TPS2' dargestellt. Erfindungsgemäss werden jedoch die Emissionen einer grosseren Zahl von Emittern durchmischt. Beim Erzeugen des Pumpstrahls für das Lasermedium werden die Teilpumpstrahlen TPSl' und TPS2' nach dem Durchmischen direkt auf oder in das Lasermedium 4 geführt. Durch unterschiedliche Divergenzen in den beiden Achsen der durchmischten Teilpumpstrahlen TPSl' und TPS2' kann beispielsweise ein elliptisches Strahlprofil des Pumpstrahls erzeugt wird. Dies wird dadurch bewirkt, dass der Homogenisator 3' eine Dimensionierung aufweist, welche ein elliptisches Strahlprofil des austretenden Pumpstrahls erzeugt, insbesondere durch die gezielte Erzeugung oder Erhaltung von unterschiedlichen Strahldivergenzen in den beiden Achsen, wobei je nach Anwendungszweck bzw. verwendeten Lasermedium 4 eine vollständige oder auch nur teilweise Durchmischung in der Breite des elliptischen Strahlprofils erfolgen kann.
Wie aus Fig.9B ersichtlich, weist der Pumpstrahl am Ausgang des Homogenisators 3' eine hohe Divergenz in dieser Achse auf. Die Divergenz in der anderen Achse kann unbeeinflusst durch den Homogenisator 3' bleiben, so dass ein elliptischer Pumplichtfleck entsteht. Erfindungsgemäss kann jedoch auch eine Fokussierung erfolgen, so dass auch Pumplichtflecke bzw. Strahlquerschnitte des Pumpstrahls an einen gewünschten Querschnitt bzw. ein Strahlprofil angepasst werden können, die mehr oder weniger elliptisch sind.
Fig.9C zeigt die Divergenz in der Durchmischungsachse am Ende des Homogenisators 3' im Detail. Fig.9D erläutert die Einkoppeloptik mit den beiden Einkoppellinsen 2A und 2B in Vergrösserung.
Fig.l0A-D zeigt die Darstellung eines zweiten Beispiels für den Strahlgang der erfindungsgemässen Pumpanordnung. Als die zwei Teilpumpstrahlen TPSl'' und TPS2'' erzeugende Laser-Pumpquelle 1'' dient ein Laserdiodenstapel von 10 mm Breite, bei dem wiederum die Emissionen von in der Mitte und den an einer Kante liegenden Emittern betrachtet wird. Der halbe Winkel der Divergenz in der Slow-Axis beträgt 3- 4° und der Homogenisator 3'' ist als Quarzglas-Stab mit einer Länge von 160 mm und einer Breite von 7 mm in der Durchmischungsachse ausgebildet.
Wie auch beim in Fig.1OB dargestellten ersten Beispiel weist auch in diesem Fall der Pumpstrahl am Ausgang des Homogenisators 3' ' eine hohe Divergenz in der Durchmischungsachse DA bei geringer Divergenz in der Projektionsachse PA auf, so dass ein elliptischer Pumplichtfleck entsteht. Fig. IOC zeigt diese Divergenz der Durchmischungsachse am Ende des Homogenisators 3' ' im Detail. Fig.1OD erläutert die Einkoppeloptik mit den beiden Einkoppellinsen 2A und 2B in Vergrösserung.
In Fig.llA-B wird ein achtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Pumpanordnung schematisch dargestellt, bei dem ein in der Durchmischungsachse mit einem Öffnungswinkel versehener Homogenisator 3' ' ' ' verwendet wird. Hierbei ist der Öffnungswinkel an die Divergenz angepasst, wobei zudem das Eintrittsfenster eine gewölbte Form aufweist, so dass ein Linseneffekt erzielt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird somit eine Teil der Funktionalität der Einkopplungsoptik in den Homogenisator 3' ' ' ' verlegt. In der Projektionsachse erfolgt durch eine Zylinderlinse 2'' eine Fokussierung, so dass die in dieser Achse zu erzielende Pumpfleckgeometrie direkt erzeugt wird.
Es versteht sich, dass die dargestellten Pumpanordnung bzw. gepumpte Lasersysteme nur Ausführungsbeispiele von vielen erfindungsgemäss realisierbaren Ausführungsformen darstellen und der Fachmann alternative Realisierungsformen des Pump- und Laseraufbaus, z.B. unter Verwendung anderer Linsenparameter oder -anordnungen, Homogenisatortypen oder gepumpten Medien, wie z. B. Scheibenlaser, ableiten kann.

Claims

Patentansprüche
1. Laserpumpanordnung zur Erzeugung elliptischer Pumpgeometrien für ein Laserstrahlung verstärkendes Lasermedium (4, 4', 4'') mit mindestens
• einer Laser-Pumpquelle (1,1',1'') mit mehreren Emittern zur Erzeugung von Teilpumpstrahlen
(TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ), insbesondere Laserdioden, zum Pumpen des Lasermediums (4, 4', 4"), • einem optischen Homogenisator (3, 3' , 3' ' , 3' ' ' , 3' ' ' ' ) zur Durchmischung der Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) in einer Durchmischungsachse (DA) durch multiple Reflexionen,
• einer Einkopplungsoptik (2, 2', 2") zwischen Laser- Pumpquelle (1,1',1") und Homogenisator
/Q rir 1,1 i rir r r r> r r r r \ dadurch gekennzeichnet, dass
- die Einkopplungsoptik (2, 2', 2") so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) in einer zur
Durchmischungsachse (DA) senkrechte Projektionsachse (PA) direkt auf oder in das Lasermedium (4, 4', 4") projiziert, insbesondere fokussiert werden und
- Homogenisator (3, 3' , 3' ' , 3' ' ' , 3' ' ' ' ) und Lasermedium (4, 4', 4") so ausgebildet und angeordnet sind, dass der aus dem Homogenisator (3, 3' , 3' ' , 3' ' ' , 3' ' ' ' ) austretende Pumpstrahl unter Divergenzerhaltung für die Durchmischungsachse (DA) unmittelbar auf oder in das Lasermedium (4, 4', 4'') geführt wird.
2. Laserpumpanordnung zur Erzeugung elliptischer Pumpgeometrien für ein Laserstrahlung verstärkendes Lasermedium (4, 4', 4'') mit mindestens • einer Laser-Pumpquelle (1,1',1'') mit mehreren Emittern zur Erzeugung von Teilpumpstrahlen
(TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ), insbesondere Laserdioden, zum Pumpen des Lasermediums (4, 4', 4''), • einem optischen Homogenisator (3, 3' , 3" , 3" ' , 3" " ) zur Durchmischung der Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) in einer Durchmischungsachse (DA) durch multiple Reflexionen,
• einer Einkopplungsoptik (2, 2', 2'') zwischen Laser- Pumpquelle (1,1',1") und Homogenisator
/o or or r o r r r o r r r r \ \3 , O , O , O , O ; , dadurch gekennzeichnet, dass
- Emitter, Einkopplungsoptik (2, 2', 2'') und Homogenisator (3, 3' , 3" , 3" ' , 3" " ) so ausgebildet und angeordnet sind, dass diese im Zusammenwirken am Ausgang des Homogenisators (3, 3' , 3" , 3" ' , 3" " ) einen Pumpstrahl mit der elliptischen Pumpgeometrie erzeugen, wobei die Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) in einer zur Durchmischungsachse (DA) senkrechten Projektionsachse (PA) unter Divergenzerhaltung für die Projektionsachse (PA) auf oder in das Lasermedium (4, 4', 4'') projiziert, insbesondere fokussiert werden und
- der aus dem Homogenisator (3, 3' , 3" , 3" ' , 3" " ) austretende Pumpstrahl unter Divergenzerhaltung für die Durchmischungsachse (DA) unmittelbar auf oder in das Lasermedium (4, 4', 4'') geführt wird.
3. Laserpumpanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenisator (3, 3' , 3" , 3" ' , 3" " ) eine
Dimensionierung aufweist, welche ein elliptisches Strahlprofil des austretenden Pumpstrahls erzeugt, insbesondere durch unterschiedliche Strahldivergenzen in Durchmischungsachse (DA) und Projektionsachse (PA) .
4. Laserpumpanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlprofil in Form und Größe im wesentlichen dem Pumpstrahlprofil im Lasermedium (4, 4', 4'') entspricht.
5. Laserpumpanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Durchmischung in der Breite des elliptischen Strahlprofils erfolgt.
6. Laserpumpanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von Homogenisator (3,3',3'',3''',3'''M und
Lasermedium (4, 4', 4'') kleiner als
- der kleinste Durchmesser eines Querschnitts des austretenden Pumpstrahls oder - die kleinste Kantenlänge des Homogenisators
(3, 3', 3", 3" ' , 3" ") ist, insbesondere zwischen 100 und 880μm beträgt.
7. Laserpumpanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenisator (3,3',3'',3''',3'''M das Lasermedium (4, 4', 4'') kontaktiert, insbesondere mit diesem verbunden ist.
8. Laserpumpanordnung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Homogenisator (3,3',3'',3''',3'''M und Lasermedium (4, 4', 4'') eine transmissionserhöhende Schicht (5,5') angeordnet ist.
9. Laserpumpanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die transmissionserhöhende Schicht (5,5') für die zu verstärkende Laserstrahlung reflektierend ist, insbesondere durch eine spektral selektive Reflexion.
10. Laserpumpanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenisator (3, 3' , 3' ' , 3' ' ' , 3' ' ' ' ) zur Erzeugung der Durchmischung der Teilpumpstrahlen
(TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl' ' ,TPS2' ,TPS2' ') in wenigstens der
Durchmischungsachse (DA) polierte oder beschichtete
Seitenflächen aufweist.
11. Laserpumpanordnung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungsoptik (2, 2', 2'') wenigstens eine zylindrische Einkoppellinse (2A, 2B) aufweist, wobei deren Längsachse senkrecht zur Durchmischungsachse (DA) orientiert ist.
12. Laserpumpanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zylindrische Einkoppellinse (2A, 2B) so ausgebildet und angeordnet ist, dass Strahldivergenzen der Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' , TPSl' ', TPS2' , TPS2' ') in der Durchmischungsachse (DA) wenigstens erhalten oder vergrößert, insbesondere maximiert werden.
13. Lasersystem mit einem Lasermedium (4, 4', 4'') in einem Resonator zur Verstärkung von Laserstrahlung und einer Laserpumpanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Lasersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermedium (4, 4', 4'') zur Divergenzkompensation polierte oder beschichtete Seitenflächen aufweist.
15. Laserpumpverfahren zur Erzeugung elliptischer
Pumpgeometrien für ein Laserstrahlung verstärkendes Lasermedium mit
• einem Emittieren von Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) zum Pumpen des Lasermediums (4, 4' , 4' ' ) ,
• einem Durchmischen der Teilpumpstrahlen
(TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) in einer Durchmischungsachse (DA) durch multiple Reflexionen in einem Homogenisator (3, 3' , 3" , 3" ' , 3" " ) ,
• einem Erzeugen eines Pumpstrahls für das Lasermedium
(4, 4', 4") aus den durchmischten Teilpumpstrahlen (TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ), dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen des Pumpstrahls die Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) - in einer zur Durchmischungsachse (DA) senkrechte Projektionsachse (PA) direkt auf oder in das Lasermedium (4, 4', 4'') projiziert, insbesondere fokussiert und - nach dem Durchmischen unter Divergenzerhaltung in der
Durchmischungsachse (DA) direkt auf oder in das Lasermedium (4, 4', 4") geführt werden.
16. Laserpumpverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen durch unterschiedliche Divergenzen der durchmischten Teilpumpstrahlen (TPSl, TPS2, TPSl' ,TPSl" ,TPS2' ,TPS2" ) in der Durchmischungsachse (DA) und der Projektionsachse (PA) ein elliptisches Strahlprofil des Pumpstrahls erzeugt wird.
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