EP4466762A1 - Optische verstärkeranordnung mit hilfsresonator und verfahren zum verstärken eines laserstrahls - Google Patents

Optische verstärkeranordnung mit hilfsresonator und verfahren zum verstärken eines laserstrahls

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EP4466762A1
EP4466762A1 EP22834919.7A EP22834919A EP4466762A1 EP 4466762 A1 EP4466762 A1 EP 4466762A1 EP 22834919 A EP22834919 A EP 22834919A EP 4466762 A1 EP4466762 A1 EP 4466762A1
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EP
European Patent Office
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laser
laser beam
auxiliary resonator
active medium
resonator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22834919.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Bauer
Thomas Dietz
Alexander Killi
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Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik SE
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Filing date
Publication date
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    • H01S3/094084—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light with pump light recycling, i.e. with reinjection of the unused pump light, e.g. by reflectors or circulators

Definitions

  • the present invention relates to an optical arrangement, comprising: an in particular disc-shaped laser-active medium in which optical amplification can be generated by pumping within a pump volume, a laser beam coupling for coupling a laser beam into the laser-active medium or a laser beam generating device for generating a laser beam in the laser-active medium, the laser beam interacting with the laser-active material, and an auxiliary resonator for generating an auxiliary resonator radiation field which interacts with the laser-active material.
  • the invention also relates to a method for amplifying or for generating a laser beam, comprising: pumping an in particular disc-shaped laser-active medium within a pump volume to generate optical amplification, coupling the laser beam into the laser-active medium or generating the laser beam in the laser-active medium, with the interacting with the laser-active material.
  • the optical arrangement described above can be a laser amplifier.
  • the optical arrangement has a laser beam coupling in order to couple a seed laser beam to be amplified, which is generated by a seed laser source, into the optical arrangement.
  • the laser beam coupling can be, for example, a coupling mirror, a collimation lens for collimating the seed laser beam exiting divergently from an optical fiber, etc.
  • the optical arrangement can be a laser, for example a disk laser, in which the laser beam is generated in the laser-active medium without a seed laser beam being required for this purpose.
  • DE 101 47 798 A1 describes a laser amplification system which comprises a laser-active medium in which an inversion density can be generated by pumping within a pump volume.
  • optical amplification occurs in at least one mode in the laser-active medium in the laser-active state of a laser amplifier.
  • a local oscillator is provided, the oscillator radiation field of which at least partially overlaps with a gain volume of the laser amplifier in the laser-active medium.
  • the auxiliary oscillator is designed in such a way that a laser threshold is reached for each mode of the oscillator radiation field at initiation values of the inversion density within the overlapping volume, which is greater than the amplification value of the inversion density.
  • the auxiliary oscillator is always not laser-active when the laser amplifier is laser-active. In this way, an undesired increase in the inversion density can be avoided if the laser amplifier is deactivated, e.g. by an unintentional misalignment, and damage to the laser-active medium or neighboring components can be avoided.
  • US Pat. No. 3,426,286 describes an optical amplifier for amplifying an optical signal which has a plurality of propagating modes.
  • the amplifier comprises a laser having an active medium contained in a first resonator, and at least one auxiliary resonator optically coupled to the first resonator and having means for controlling the gain of each of the modes to be amplified.
  • the mode control means may include means associated with each of the auxiliary resonators to equalize the gain of each of the modes to be amplified.
  • the invention is based on the object of providing an optical arrangement and a method of the type mentioned at the outset, which make it possible to amplify or generate a laser beam with high beam quality.
  • auxiliary resonator is designed to suppress at least one mode of the auxiliary resonator radiation field which partially or completely overlaps with at least one mode of the laser beam in the pump volume.
  • the auxiliary resonator is typically a multi-mode resonator, i.e. a resonator which is designed to generate at least two modes, of which at least one mode is not suppressed.
  • the non-suppressed mode(s) of the auxiliary resonator radiation field ideally have the smallest possible overlap with the laser beam within the pump volume.
  • the pump volume forms a typically circular area of the laser-active medium in which an optical amplification (gain) is generated in the laser-active medium.
  • gain optical amplification
  • the laser beam cannot interact sufficiently with the laser-active medium due to the decrease in intensity at the edges of the pump volume, so that the energy stored there cannot be extracted if the pump profile does not also have a Gaussian intensity distribution, which is usually not the case.
  • the result is a location-dependent, non-constant gain distribution in the pumped volume results in non-constant heating of the laser-active medium in the pump volume.
  • the location-dependent inhomogeneous phase distribution leads to diffraction effects and, in particular when using a linear multipass amplifier in which no diaphragms are generally used to compensate for the diffraction effects, to a deterioration in the beam quality.
  • the unused energy stored in the edge areas of the pump volume is extracted with the help of the auxiliary resonator radiation field, which ideally produces a constant amplification in the pump volume or at least in a laser field volume within the pump volume, which can result in a constant phase of the laser beam.
  • the auxiliary resonator radiation field In order to prevent the auxiliary resonator radiation field from reducing the amplification of the laser beam or to obtain the most homogeneous possible amplification distribution in the pump volume, at least one mode of the auxiliary resonator radiation field that completely or at least partially overlaps with a mode of the laser beam is suppressed.
  • the auxiliary resonator is designed to suppress at least one basic mode of the auxiliary resonator radiation field.
  • the basic mode typically has a Gaussian intensity distribution which, starting from the beam axis of the auxiliary resonator radiation field, has the smallest radial extension of all modes of the auxiliary resonator.
  • the size of the lateral extent of the fundamental mode in the radial direction depends on the design of the auxiliary resonator.
  • the auxiliary resonator is usually a highly multimode oscillator in which, in addition to the basic mode, one or more higher modes are also suppressed in order to generate a radiation field that is as finely matched as possible in the pump volume.
  • the problem of poor beam quality described above is particularly pronounced in the case of a laser beam that only propagates in the basic mode. Due to the suppression of the fundamental mode and, as a rule, of several higher modes (see above), the auxiliary resonator radiation field has an essentially ring-shaped beam profile with one or more Modes on in order to extract the energy stored in the edge region of the pump volume and to obtain the most homogeneous possible amplification and thus phase distribution of the amplified or generated laser beam.
  • the auxiliary resonator has at least one mode suppression element for suppressing the at least one mode of the auxiliary resonator radiation field.
  • the mode suppression element for suppressing the at least one mode has a radiation-suppressing, in particular radiation-absorbing or scattering area, which is preferably arranged centrally in relation to a beam axis of the auxiliary resonator radiation field.
  • the radiation-suppressing area is typically formed on a reflecting or transmitting optical element of the auxiliary resonator.
  • the radiation-suppressing area can be designed, for example, as a (eg central) opening in a reflecting optical element of the auxiliary resonator, which can be designed, for example, in the form of a perforated mirror.
  • the radiation-suppressing area can also be produced by structuring a reflecting optical element, for example an end mirror of the auxiliary resonator, for example by having a lower reflectivity in the radiation-suppressing area than outside the radiation-suppressing area.
  • the radiation-suppressing area can also be produced in other ways, for example by using the radiation-suppressing area as a scattering Is formed area or as a scattering surface or the like.
  • the radiation-suppressing area is usually a radiation-absorbing area.
  • the mode suppression element can, for example, be a so-called “inverse” diaphragm, i.e. a transmitting optical element, e.g. in the form of a plane plate, which is provided with an absorbing or scattering coating in the center, for example, in order to suppress the basic mode.
  • the auxiliary resonator has an adjustment device for adjusting a power loss of the auxiliary resonator.
  • the power of the non-suppressed mode(s) of the auxiliary resonator radiation field can be adjusted in the pump volume.
  • the setting device forms a decoupling device of the auxiliary resonator, which is designed to set a power component of the auxiliary resonator radiation field that is decoupled from the auxiliary resonator.
  • a variable, adjustable decoupling device is used in order to adjust the decoupled power component and thus the remaining power of the auxiliary resonator radiation field within the auxiliary resonator.
  • the decoupling device has a polarization-influencing element and a partially transparent, polarization-dependent reflector.
  • the partially transparent, polarization-dependent reflector can be, for example, a thin-film polarizer that reflects a first polarization component of the auxiliary resonator radiation field and transmits a second polarization component of the auxiliary resonator radiation field perpendicular to the first.
  • the polarization-influencing optical element can be a Act phase-shifting optical element, for example a / 4 plate.
  • the ⁇ /4 plate can be rotated about the beam axis of the auxiliary resonator radiation field in order to adjust the power loss or the proportion of radiation that is transmitted at the reflector, for example to a beam trap. In the simplest case, the ⁇ /4 plate can be manually rotated about the beam axis by an operator.
  • the optical arrangement has a control device for controlling the setting device for, in particular, continuously variable setting of the power loss of the auxiliary resonator.
  • the power loss can be adjusted automatically using the control device, for example by acting on an actuator or the like to rotate or align the phase-shifting optical element (continuously) at a desired angle to the beam axis of the auxiliary resonator.
  • control device is designed or programmed to set the power loss of the auxiliary resonator such that a substantially spatially constant optical amplification is generated in at least one ring-shaped partial area of the pumped volume, in particular in the entire pumped volume of the laser-active medium.
  • An essentially spatially constant amplification is understood to mean an amplification which deviates from a mean value of the amplification g by no more than +/-30%, preferably by no more than +/-20%.
  • a narrow, ring-shaped edge area of the pump volume can be disregarded, which is immediately adjacent to the outer edge of the laser-active medium and whose (double) width in the radial direction is typically no more than 5% of the total diameter of the pump volume. In this edge area, the amplification in the pump volume decreases due to the geometry, since the amplification is (almost) zero outside of the pump volume.
  • one or more ring-shaped partial regions can be formed in the pump volume, each of which has an essentially constant amplification.
  • the auxiliary resonator be designed to set the power loss of the auxiliary resonator mode-dependent.
  • a stepwise constant amplification in the radial direction is typically generated in the pump volume.
  • high beam quality can be obtained if the diameter of the central constant gain portion is larger than the diameter of the laser beam to be amplified.
  • the laser beam generating device forms a resonator in which the laser-active medium is arranged, the resonator preferably having two reflectors, for example two mirrors, for delimiting a resonator section at the end.
  • the optical arrangement is a (disk) laser, i.e. the laser beam is generated in the laser-active medium of the resonator.
  • the laser-active medium can be attached to one of the two reflectors which delimit the end of the resonator section, but it is also possible for the laser-active medium to be arranged at a distance from the two reflectors.
  • the laser beam coupling is designed to couple a seed laser beam into the laser-active medium.
  • the optical arrangement forms a (disk laser) amplifier, i.e. the seed laser beam is amplified in the laser-active medium.
  • the coupling device can be a lens, a mirror, ... to adjust and/or align the seed laser beam generated in a seed laser source towards the laser-active medium. Due to the comparatively small thickness of the laser-active medium, it is favorable in this case if the seed laser beam passes through the laser-active medium several times in order to generate the greatest possible amplification.
  • a reflector is arranged on one side of the disc-shaped laser-active medium.
  • the reflector can be a reflective coating, for example, which is applied to the back of the disc-shaped laser-active medium. Due to the reflector, the laser beam passes through the laser-active medium twice.
  • the laser-active medium can in particular with its back on a Heat sink are attached, for example, be glued, soldered or bonded to this.
  • the optical arrangement has a deflection device for deflecting the laser beam reflected at the reflector back to the laser-active medium.
  • the number of passages through the disc-shaped laser-active medium to amplify the (seed) laser beam can be further increased with the aid of a deflection device, which is designed in particular for multiple deflection of the laser beam back to the laser-active medium. It goes without saying that a deflection device for multiple deflection of the laser beam back to the laser-active medium can also be used in the event that no reflector is formed on the laser-active medium.
  • the deflection device has a plurality of reflective elements on which mirror surfaces for deflecting the laser beam are formed, with the mirror surfaces of the reflective elements each being aligned in such a way that the laser beam is deflected from a respective mirror surface via the laser-active medium to another mirror surface.
  • a multiple passage of the laser beam through the laser-active medium can be implemented in a particularly simple manner. It has proven advantageous if the reflecting optical elements of the deflection device are permanently attached to a common base plate in order to ensure that the mirror surfaces maintain a desired orientation relative to one another.
  • the optical arrangement has pump radiation coupling for coupling pump radiation into the laser-active medium for generating the optical amplification within the pump volume.
  • the pump radiation coupling can have, for example, a collimation lens or the like in order to collimate the pump radiation exiting divergently from a transport fiber or from a pump radiation source before it strikes a reflection surface.
  • the reflection surface can be, for example, a parabolic mirror or the like, which focuses the pump radiation onto the laser-active medium Deflection device (s) can be achieved that the pump radiation passes through the laser-active medium several times.
  • Another aspect of the invention relates to a method of the type mentioned for amplifying or for generating a laser beam, comprising: generating an auxiliary resonator radiation field by means of an auxiliary resonator, the auxiliary resonator radiation field interacting with the laser-active medium, and wherein at least one mode of the auxiliary resonator radiation field is suppressed, which overlaps with at least one mode of the laser beam in the pumped volume.
  • the auxiliary resonator can have at least one mode suppression element for suppressing the at least one mode.
  • a power loss of the auxiliary resonator for generating the auxiliary resonator radiation field is adjusted in such a way that an essentially spatially constant optical amplification is generated in at least one, in particular annular, partial region of the pumped volume, in particular in the entire pumped volume of the laser-active medium.
  • the pump volume is a typically circular or cylindrical volume within the disc-shaped laser-active medium, at the edge area of which the stored energy is extracted with the aid of the auxiliary resonator.
  • the laser beam is generated in a resonator that contains the laser-active medium, i.e. the laser beam is generated in the laser-active medium or in the resonator containing it.
  • the laser beam is coupled into the laser-active medium as a seed laser beam.
  • the coupling of the seed laser beam generated by a seed laser source into the laser-active medium using a laser beam coupling or using a coupling optics.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an optical arrangement in the form of a disk laser amplifier with an auxiliary resonator
  • Fig. 2 shows a representation of a detail of a laser disc of the amplifier of Fig. 1 with a pump volume
  • FIG. 5 shows an optical arrangement in the form of a disk laser with an auxiliary resonator.
  • identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.
  • the disk laser amplifier 1 shows an exemplary structure of an optical arrangement in the form of a disk laser amplifier 1, which has a disk-shaped laser-active medium, which is referred to as laser disk 2 below.
  • the laser disc 2 is fixed on a heat sink 3 and has a reflector in the form of a reflective coating 4 on its side facing the heat sink 3 (rear side 2b).
  • the disk laser amplifier 1 also has a pump radiation source 5 which is used to generate pump radiation 6 for pumping the laser disk 2 .
  • the pump radiation 6 is coupled into the laser disc 2 via a pump radiation coupling 5a, which can be embodied, for example, as a collimating lens.
  • the pump radiation 6 enters the laser disk 2 on a side facing away from the heat sink 3 (front side 2a), is reflected at the reflective coating 4 and impinges on an end mirror 7, which reflects the pump radiation 6 back to the laser disk 2.
  • the laser disk 2 does not necessarily have to be operated in reflection, but can also be operated in transmission.
  • the laser-active medium can also be a laser rod or the like.
  • the beam path of the pump radiation 6 shown in FIG. 1 is shown in simplified form;
  • the pump radiation 6 is focused onto the laser disk 2 by means of a focusing device, for example by means of a concave mirror, and is reflected back multiple times to the focusing device and from there to the laser disk 2 in order to generate a plurality of passages through the laser disk 2 with the aid of a deflection device, as is described, for example, in WO 2012/110389 A1, which is incorporated by reference in its entirety into the content of this application.
  • a pump volume 8 (pump spot) shown as a dotted line in FIG.
  • the beam profile of the pump radiation 6 is a flat-top profile.
  • the (pump) diameter of the pump volume 8 is defined as the Area in which the pump power in the laser disk 2 falls to half of its maximum value (full-width-half-maximum (FWHM) value).
  • the disk laser amplifier 1 also has a seed laser 9 which radiates a laser beam 10 to be amplified onto the laser disk 2 or couples the laser beam 10 into the laser disk 2 via a laser beam coupling 11 .
  • the laser beam coupling 11 can have a collimation lens, for example, in order to collimate the laser beam 10 before it enters the laser disk 2 . It goes without saying that the laser beam coupling can also have other reflecting or transmitting optical elements.
  • the laser beam coupling 11 can also be used to adapt the beam parameters of the laser beam 10 before it enters the laser disc 2 .
  • the laser beam 10 is reflected on the rear side 2b of the laser disk 2 and leaves the disk laser amplifier 1 with increased power.
  • the seed laser beam 10 generated by the seed laser 9 has a Gaussian beam profile, ie the seed laser beam 10 propagates in a basic mode MO, as illustrated in FIG. 3a.
  • the seed laser beam 10 penetrates a laser field volume 12 in the laser disk 2, which has a smaller diameter Ds than the Diameter Dp of the pump volume 8 (see FIG. 2). With a good match, the diameter Ds of the laser field volume 12 is approximately 80% of the diameter Dp of the pump volume 8.
  • the diameter Ds of the laser field volume 12 is understood to mean the FWHM value.
  • the pump radiation 6 generates a location-dependent amplification (gain) g in the laser disk 2, which is shown in FIG. 3a as a dashed curve as a function of the distance r from the center of the laser disk 2.
  • the size of the pumped volume 8 or the diameter Dp of the pumped volume 8 determines the area in which the amplification g in the laser disc 2 is generated. If, as shown in FIG.
  • the extent of the pumped volume 8 or its diameter Dp (significantly) is greater than the lateral extent of the laser beam 10 or the diameter Ds of the laser field volume 12 in the laser disk 2, then the Laser disc 2 energy deposited at the lateral edges of the pump volume 8 is not extracted, while the amplification g in the center of the laser disc 2 or in the center of the pump volume is extracted by the seed laser beam 10 .
  • the gain g in the pump volume 8 which in the example shown has a minimum (minimum temperature Ti) in the center of the laser disk 2 and a maximum (maximum temperature T2) in a ring-shaped area around the center, as can be seen in Fig. 3a from the solid curve of the optical gain g.
  • the temperature distribution does not necessarily have to be as shown in FIG. 3a, but the temperature distribution is typically not constant over the pumped volume 8, but rather varies depending on the location.
  • the gain g not uniformly distributed in the lateral direction over the pump volume 8 results in a non-constant temperature distribution, i.e. a temperature gradient and thus a non-constant phase distribution cp of the beam profile of the (amplified) seed laser beam 10, which impairs the beam quality of the amplified seed laser beam 10.
  • This effect is particularly pronounced for a seed laser beam 10 that propagates in the Gaussian basic mode MO, since in this case the intensity of the beam profile of the seed laser beam 10 drops sharply in the edge area 18, while the pump radiation 6, which has a flat-top profile, is approximately constant at the edge of the pump volume 8.
  • the disk laser amplifier 1 has an auxiliary resonator 13.
  • the auxiliary resonator 13 forms a resonator path between the reflector 4 on the rear side 2b of the laser disc 2 and a resonator end mirror 14 of the auxiliary resonator 13, along which an auxiliary resonator radiation field 15 is generated.
  • a multi-mode resonator is used as the auxiliary resonator 13, in which not only the basic mode MO, but also (at least one) higher mode(s) M1, M2, ... are excited. While the energy of the fundamental mode MO is narrowly limited in the lateral direction around the center of the laser disk 2 or the beam axis of the auxiliary resonator 13 with suitable adjustment, higher modes M1, M2, ... of the auxiliary resonator 13 have lower proportions of the power distribution near the beam axis or near the center of the laser disk 2 if this is optimally adjusted. For this reason, a (highly) multimode auxiliary resonator 13 can extract the unused stored energy in the lateral edge areas of the pump volume 8 that are not sufficiently extracted by the seed laser beam 10 .
  • the auxiliary resonator 13 In order to generate the amplification g that is as constant as possible and the constant phase position cp described above in the lateral direction via the pump volume 8 of the laser disc 2, it is favorable if the auxiliary resonator 13 extracts as little energy as possible from the vicinity of the center of the laser disc 2, since this additionally amplifies the effect described above and as much energy as possible is to be coupled into the amplified laser beam 10.
  • the auxiliary resonator 13 is designed to suppress the fundamental mode MO of the auxiliary resonator radiation field 15, so that only the higher modes M1, M2, ... are present in the auxiliary resonator radiation field 15, so that it has an essentially ring-shaped power distribution, as shown in Fig. 3a.
  • the auxiliary resonator 13 can also be designed to suppress higher modes M1, M2, ... of the auxiliary resonator radiation field 15, in contrast to what is shown in FIG.
  • the auxiliary resonator 13 has a mode suppression element 17 .
  • the mode suppression element is an uncoated portion 17 of a reflective surface 16 formed on the auxiliary resonator end mirror 14.
  • the portion 17 with no reflective coating applied to the surface 16 is centric with respect to a Beam axis 19 (see FIG. 2) of the auxiliary resonator radiation field 15 is arranged.
  • the beam axis 19 of the auxiliary resonator radiation field 15 ideally corresponds, i.e. with a perfect adjustment, to the central axis of the laser disk 2 and runs through the center of the pump volume 8.
  • the mode suppression element 17 can be designed, for example, in the form of a central bore in the auxiliary resonator end mirror 14, or the radiation-suppressing region 17 can be designed in a different way.
  • the radiation-suppressing region 17 can form a gradient coating, i.e. the reflective coating has a lateral reflectivity gradient that decreases toward the beam axis 19 of the auxiliary resonator radiation field 15 .
  • the radiation-suppressing area 17 can also have a number of sub-areas reflecting to different extents, which are arranged, for example, in a ring shape around the beam axis 19 of the auxiliary resonator radiation field 15 , with the reflectivity decreasing in stages towards the beam axis 19 . It goes without saying that there are a large number of other options for designing the radiation-suppressing region 17, which cannot be described conclusively here. It can also make sense to image the laser disk 2 onto the auxiliary resonator end mirror 14 .
  • the pump volume 8 of the laser disc 2 is penetrated by the auxiliary resonator radiation field 15 essentially only in an auxiliary resonator laser field volume 18, which corresponds to the radially outer edge region of the pump volume 8 shown in FIG. 2 with a lateral extension Dp-Ds.
  • the auxiliary cavity laser beam 15 Since the fundamental mode MO of the auxiliary cavity radiation field 15 almost completely overlaps with the fundamental mode MO of the seed laser beam 10, the auxiliary cavity laser beam 15 would thus extract additional energy from the laser disk 2 within the laser field volume 12 without such a suppression. In contrast, the non-suppressed higher modes M1, M2, 8 in which it does not overlap with the laser field volume 12 of the seed laser beam 10. As described above, depending on the design of the auxiliary resonator 13, it can be advantageous if higher modes M1, M2, . . . of the auxiliary resonator radiation field 15 are also suppressed.
  • the auxiliary resonator 13 is designed in such a way that a deflection of the laser disk 2 due to heating during pumping with the pump radiation 6 is pre-compensated.
  • the reflecting surface 16 of the auxiliary resonator end mirror 14 is curved in the example shown, the curvature of the disk changing with the pump power. Criteria for determining the curvature of the auxiliary resonator end mirror 14 (in the non-irradiated state) are the mode sizes on the optical components and the stability of the auxiliary resonator 13.
  • the curvature of the laser disc 2 can be kept constant with the aid of adjustable decoupling.
  • the auxiliary resonator 13 has an adjustment device 20 for adjusting the losses of the auxiliary resonator 13, which is designed as an adjustable decoupling device (variable decoupling device) in the example shown.
  • the adjustable decoupling device 20 makes it possible to decouple an adjustable proportion of the power of the auxiliary resonator radiation field 15 from the auxiliary resonator 13 .
  • the adjustable decoupling device 20 has a polarization-influencing element 21, for example in the form of a ⁇ /4 plate, and a partially transparent, polarization-dependent reflector 22 in the form of a thin-film polarizer.
  • the disk laser amplifier 1 also has a control device 23 which acts on an actuator, not shown, which rotates the ⁇ /4 plate about the beam axis 19 of the auxiliary resonator radiation field 15 in order to change the polarization of the auxiliary resonator radiation field 15, whereby the power component of the auxiliary resonator radiation field 15 that is transmitted by the thin-film polarizer 22 and coupled out of the auxiliary resonator 13 changes.
  • the disk laser amplifier 1 has a beam trap 24 for absorbing the power coupled out of the auxiliary resonator 13 .
  • the control device 23 or the actuator acting on the X/4 plate 21 enables a stepless rotation and thus a stepless adjustment of the losses or the power loss of the auxiliary resonator 13.
  • the auxiliary resonator 13 in the side edge area 18 of the pump volume 8 extracts a comparable performance such as the laser beam 10 in the central laser field volume 12.
  • the control device 23 can be set in particular in the pump Essential constant reinforcement g or phase situation ⁇ p set.
  • a substantially constant amplification g is understood as an amplification which, with the exception of a narrow edge region of the pump volume 8 indicated in FIG. i.e. g ® givi applies. In this way, it can be ensured that the amplified seed laser beam 10 has an approximately constant phase angle ⁇ when exiting the disk laser amplifier 1 and thus has a high beam quality.
  • the gain g is not essentially constant over the entire pump volume 8, but only in a central, circular sub-area and in one or more annular sub-areas, ie the gain g has a gradually constant gain g depending on the radius r. Also in this case, a high beam quality of the amplified laser beam 10 can be achieved if the Diameter of the central circular portion is greater than that
  • the deflection device 25 has a plurality of reflecting optical elements 26 in the form of deflection mirrors, on whose mirror surfaces F2 to F35 (cf. FIG. 4b) the seed laser beam 10 is deflected.
  • the reflecting optical elements 26 are attached to a plate-shaped base body 27 of the deflection device 25, which is not described in detail here.
  • the plate-shaped base body 27 is aligned parallel to the XY plane of an XYZ coordinate system and parallel to the laser disc 2, but this is not absolutely necessary.
  • the plate-shaped base body 27 can be tilted with respect to the laser disk 2 and the reflecting optical elements 26 can compensate for the global tilting of the base body 27 .
  • the seed laser beam 10 first passes through the plate-shaped base body 27 via a first passage opening 28 and is aligned in such a way that it hits the laser disk 2 in the middle and is reflected on it, more precisely on its mirrored rear side 2b, to form a second mirror surface F2.
  • the seed laser beam 10 emanating from the laser disk 2 is deflected or reflected at the second mirror surface F2 directly to a third, adjacent mirror surface F3.
  • the third mirror surface F3 is aligned with respect to the laser disk 2 in such a way that the seed laser beam 10 is again deflected or reflected by the third mirror surface F3 to the laser disk 2 .
  • the seed laser beam 10 is deflected to a fourth mirror surface F4, from which it is reflected directly to a fifth mirror surface F5, etc.
  • the seed laser beam 10 is deflected alternately between the laser disc 2 and a respective pair of mirror surfaces F2, F3; F4, F5; F5, F6; F34, F35.
  • the deflection device 25 has a further passage opening 29 in order to decouple the seed laser beam 10 from the disk laser amplifier 1 .
  • the mirror surfaces F2 to F35 are arranged in three ring areas RB1, RB2, RB3 around the central axis 19 of the base body 27, which coincides with the central axis of the laser disc 2. It goes without saying that a different arrangement of the mirror surfaces F2 to F35 on the base body 27 of the deflection device 25 is also possible. Although it is favorable, it is not absolutely necessary if all reflecting optical elements 26 of the deflection device 25 are attached to one and the same base body 27 .
  • Fig. 5 shows an optical arrangement in the form of a disk laser 1a, which differs from the disk laser amplifier 1 shown in connection with Fig. 1 essentially in that instead of the seed laser 9 shown there, a laser beam generating device in the form of a resonator 30 is provided for generating a laser beam 10, which has a basic mode MO.
  • the resonator 30 has two reflectors in the form of end mirrors 31, 32, between which a resonator section 33 is formed, in which the laser disc 2 is also arranged.
  • a laser beam 10 with a basic mode MO is generated in the resonator 30, which, analogously to FIG.
  • the disk laser 1a shown in FIG. 5 also has an auxiliary resonator 13 in order to produce a local distribution of the gain g and the phase ⁇ in the laser disk 2 that is as constant as possible.
  • the auxiliary resonator 13 is designed as described in connection with FIG. 1 and differs from it only in that an “inverse” diaphragm is arranged in the auxiliary resonator 13 as a mode suppression element, i.e. a transmitting optical element 17a, which in the center or along the beam axis 19 of the auxiliary resonator 13 has a radiation-absorbing region 17 and is transparent outside this region.
  • a laser beam 10 can be coupled out of the resonator 30 in the manner described above in connection with the disk laser amplifier 1 by means of the auxiliary resonator 13, which laser beam has a substantially constant phase position q> and thus good beam quality.
  • the laser beam 10 is decoupled at the second, concave end mirror 32, which is designed to be partially transmissive for this purpose.
  • the laser radiation 10 can also be coupled out of the resonator 30 in a different way.
  • the mode suppression element 17 can also be used to suppress modes other than the fundamental mode MO of the auxiliary resonator radiation field 15 .
  • the first higher mode M1 can also be suppressed or, in principle, all those modes that (partially) overlap with the modes of laser beam 10 in pump volume 8 of laser disk 2 can be suppressed in order to homogenize gain g in pump volume 8 as much as possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (1), umfassend: ein insbesondere scheibenförmiges laseraktives Medium (2), in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine optische Verstärkung erzeugbar ist, eine Laserstrahl-Einkopplung (11) zum Einkoppeln eines Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2), wobei die Laserstrahl-Einkopplung (31) zur Einkopplung eines Seed-Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2) ausgebildet ist und wobei der Laserstrahl (10) innerhalb des Pumpvolumens mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt, sowie einen Hilfsresonator (13) zur Erzeugung eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15), welcher innerhalb des Pumpvolumens (8) mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt. Der Hilfsresonator (13) ist ausgebildet, mindestens eine Mode (M0) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) zu unterdrücken, die in dem Pumpvolumen (8) mit mindestens einer Mode (M0) des Laserstrahls (10) überlappt. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls (10).

Description

OPTISCHE VERSTÄRKERANORDNUNG MIT HILFSRESONATOR UND VERFAHREN ZUM VERSTÄRKEN EINES LASERSTRAHLS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung, umfassend: ein insbesondere scheibenförmiges laseraktives Medium, in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine optische Verstärkung erzeugbar ist, eine Laserstrahl-Einkopplung zum Einkoppeln eines Laserstrahls in das laseraktive Medium oder eine Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls in dem laseraktiven Medium, wobei der Laserstrahl mit dem laseraktiven Material wechselwirkt, sowie einen Hilfsresonator zur Erzeugung eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds, welches mit dem laseraktiven Material wechselwirkt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls, umfassend: Pumpen eines insbesondere scheibenförmigen laseraktiven Mediums innerhalb eines Pumpvolumens zum Erzeugen einer optischen Verstärkung, Einkoppeln des Laserstrahls in das laseraktive Medium oder Erzeugen des Laserstrahls in dem laseraktiven Medium, wobei der mit dem laseraktiven Material wechselwirkt. Bei der weiter oben beschriebenen optischen Anordnung kann es sich um einen Laserverstärker handeln. In diesem Fall weist die optische Anordnung eine Laserstrahl-Einkopplung auf, um einen zu verstärkenden Seed-Laserstrahl, der von einer Seed-Laserquelle erzeugt wird, in die optische Anordnung einzukoppeln. Bei der Laserstrahl-Einkopplung kann es sich beispielsweise um einen Einkoppel- Spiegel, eine Kollimations-Linse zur Kollimierung des aus einer Lichtleitfaser divergent austretenden Seed-Laserstrahls etc. handeln. Alternativ kann es sich bei der optischen Anordnung um einen Laser, beispielsweise um einen Scheibenlaser, handeln, bei dem der Laserstrahl in dem laseraktiven Medium erzeugt wird, ohne dass zu diesem Zweck ein Seed-Laserstrahl erforderlich ist.
In der DE 101 47 798 A1 ist ein Laserverstärkersystem beschrieben, welches ein laseraktives Medium umfasst, in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens eine Inversionsdichte erzeugbar ist. Wenn die Inversionsdichte einen Verstärkungswert erreicht hat, erfolgt in dem laseraktiven Medium im laseraktiven Zustand eines Laserverstärkers eine optische Verstärkung in mindestens einer Mode. Es ist ein Hilfsoszillator vorgesehen, dessen Oszillatorstrahlungsfeld zumindest teilweise mit einem Verstärkungsvolumen des Laserverstärkers in dem laseraktiven Medium überlappt. Der Hilfsoszillator ist so ausgebildet, dass eine Laserschwelle für jede Mode des Oszillatorstrahlungsfeldes bei Einsatzwerten der Inversionsdichte innerhalb des Überlappungsvolumens erreicht wird, welche größer ist als der Verstärkungswert der Inversionsdichte.
Mit anderen Worten ist in der DE 101 47 798 A1 der Hilfsoszillator immer dann nicht laseraktiv, wenn der Laserverstärker laseraktiv ist. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Anstieg der Inversionsdichte vermieden werden, wenn der Laserverstärker z.B. durch eine ungewollte Dejustage deaktiviert wird, und eine Beschädigung des laseraktiven Mediums oder benachbarter Komponenten kann vermieden werden.
In der US 3,426,286 ist ein optischer Verstärker zur Verstärkung eines optischen Signals beschrieben, welches mehrere propagierende Moden aufweist. Der Verstärker umfasst einen Laser, der ein aktives Medium aufweist, das in einem ersten Resonator angeordnet ist, sowie mindestens einen mit dem ersten Resonator optisch gekoppelten Hilfs-Resonator, der Mittel zur Steuerung der Verstärkung jeder der zu verstärkenden Moden aufweist. Die Mittel zur Steuerung der Moden können jedem der Hilfs-Resonatoren zugeordnete Mittel aufweisen, um die Verstärkung jeder der zu verstärkenden Moden zu egalisieren.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die Verstärkung oder die Erzeugung eines Laserstrahls mit hoher Strahlqualität ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher der Hilfsresonator ausgebildet ist, mindestens eine Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds zu unterdrücken, die in dem Pumpvolumen mit mindestens einer Mode des Laserstrahls - teilweise oder vollständig - überlappt. Bei dem Hilfsresonator handelt es sich typischerweise um einen Multi-Mode- Resonator, d.h. um einen Resonator, der zur Erzeugung von mindestens zwei Moden ausgebildet ist, von denen mindestens eine Mode nicht unterdrückt wird. Die nicht unterdrückte(n) Mode(n) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds weisen idealerweise innerhalb des Pumpvolumens eine möglichst geringe Überlappung mit dem Laserstrahl auf.
Das Pumpvolumen (Pumpfleck) bildet einen typischerweise kreisförmigen Bereich des laseraktiven Mediums, in dem eine optische Verstärkung (gain) in dem laseraktiven Medium erzeugt wird. Für den Fall, dass ein Laserstrahl mit einer Gaußförmigen Intensitätsverteilung verstärkt wird, kann der Laserstrahl aufgrund der Abnahme der Intensität an den Rändern des Pumpvolumens nicht ausreichend mit dem laseraktiven Medium wechselwirken, so dass die dort gespeicherte Energie nicht extrahiert werden kann, falls das Pumpprofil nicht ebenfalls eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung aufweist, was in der Regel nicht der Fall ist. Die Folge ist eine ortsabhängige, nicht konstante Verstärkungsverteilung in dem Pumpvolumen, die eine nicht konstante Erwärmung des laseraktiven Mediums in dem Pumpvolumen zur Folge hat. Dadurch kann es zu Brechungsindexänderungen und zu einer Ausdehnung des laseraktiven Mediums kommen, die eine über den Strahlquerschnitt nicht konstante Phasenverteilung des in der optischen Anordnung verstärkten bzw. des in der optischen Anordnung erzeugten Laserstrahls zur Folge hat. Die ortsabhängig inhomogene Phasenverteilung führt zu Beugungseffekten und insbesondere bei der Verwendung eines linearen Multipassverstärkers, bei dem in der Regel keine Blenden verwendet werden, um die Beugungseffekte zu kompensieren, zu einer Verschlechterung der Strahlqualität. Um diese zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, wird mit Hilfe des Hilfsresonator-Strahlungsfelds die nicht genutzte, in den Randbereichen des Pumpvolumens gespeicherte Energie extrahiert, wodurch im Idealfall eine konstante Verstärkung in dem Pumpvolumen oder zumindest in einem Laserfeldvolumen innerhalb des Pumpvolumens erzeugt wird, woraus eine konstante Phase des Laserstrahls resultieren kann. Um zu vermeiden, dass das Hilfsresonator-Strahlungsfeld die Verstärkung des Laserstrahls reduziert bzw. um eine möglichst homogene Verstärkungsverteilung in dem Pumpvolumen zu erhalten, wird mindestens eine Mode des Hilfsresonator- Strahlungsfelds unterdrückt, die vollständig oder zumindest teilweise mit einer Mode des Laserstrahls überlappt.
Bei einer Ausführungsform ist der Hilfsresonator zur Unterdrückung zumindest einer Grund-Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds ausgebildet. Die Grund-Mode weist typischerweise eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung auf, die ausgehend von der Strahlachse des Hilfsresonator-Strahlungsfelds die geringste radiale Erstreckung aller Moden des Hilfsresonators aufweist. Die Größe der lateralen Erstreckung der Grund-Mode in radialer Richtung hängt von der Auslegung des Hilfsresonators ab. Bei dem Hilfsresonator handelt es sich in der Regel um einen hoch-multimodigen Oszillator, bei dem neben der Grund-Mode noch eine oder mehrere höhere Moden unterdrückt werden, um ein möglichst fein angepasstes Strahlungsfeld im Pumpvolumen zu erzeugen. Die weiter oben beschriebene Problematik einer schlechten Strahlqualität ist bei einem Laserstrahl, der nur in der Grund-Mode propagiert, besonders ausgeprägt. Durch die Unterdrückung der Grund-Mode sowie in der Regel von mehreren höheren Moden (s.o.) weist das Hilfsresonator- Strahlungsfeld ein im Wesentlichen ringförmiges Strahlprofil mit einer oder mehreren Moden auf, um die im Randbereich des Pumpvolumens gespeicherte Energie zu extrahieren und eine möglichst homogene Verstärkungs- und damit Phasenverteilung des verstärkten bzw. des erzeugten Laserstrahls zu erhalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Hilfsresonator zur Unterdrückung der mindestens einen Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds mindestens ein Modenunterdrückungselement auf. In der Regel ist es nicht möglich, einen (Hilfs- )Resonator zu konstruieren, der lediglich gewünschte, in der Regel höhere Moden erzeugt, ohne dass Modenunterdrückungselemente vorgesehen sind, die beispielsweise die Grund-Mode sowie ggf. bestimmte höhere Moden gezielt unterdrücken.
Bei einer Weiterbildung weist das Modenunterdrückungselement zur Unterdrückung der mindestens einen Mode einen strahlungsunterdrückenden, insbesondere strahlungsabsorbierenden oder streuenden Bereich auf, der bevorzugt zentrisch in Bezug auf eine Strahlachse des Hilfsresonator-Strahlungsfelds angeordnet ist.
Der strahlungsunterdrückende Bereich ist typischerweise an einem reflektierenden oder transmittierenden optischen Element des Hilfsresonators gebildet. Der strahlungsunterdrückende Bereich kann beispielweise als (z.B. zentrische) Öffnung in einem reflektierenden optischen Element des Hilfsresonators ausgebildet sein, das beispielsweise in Form eines Lochspiegels ausgebildet sein kann. Der strahlungsunterdrückende Bereich kann auch dadurch erzeugt werden, dass ein reflektierendes optisches Element, beispielsweise ein Endspiegel des Hilfsresonators, strukturiert wird, beispielsweise indem dieses in dem strahlungsunterdrückenden Bereich eine geringere Reflektivität aufweist als außerhalb des strahlungsunterdrückenden Bereichs. Im einfachsten Fall kann in dem strahlungsunterdrückenden Bereich keine reflektierende Beschichtung aufgebracht sein, es ist aber auch möglich, dort eine reflektierende Beschichtung vorzusehen, deren Reflektivität geringer ist als außerhalb des strahlungsunterdrückenden Bereichs, d.h. die reflektierende Beschichtung kann einen lateralen Gradienten der Reflektivität aufweisen, wobei die Reflektivität auch stufenweise abnehmen kann. Der strahlungsunterdrückende Bereich kann aber auch auf andere Weise erzeugt werden, beispielsweise indem der strahlungsunterdrückende Bereich als streuender Bereich bzw. als Streufläche oder dergleichen ausgebildet wird.
Wird das Modenunterdrückungselement an einem transmittierenden optischen Element angebracht, handelt es sich bei dem strahlungsunterdrückenden Bereich in der Regel um einen strahlungsabsorbierenden Bereich. Bei dem Modenunterdrückungselement kann es sich in diesem Fall beispielsweise um eine so genannte „inverse“ Blende handeln, d.h. um ein transmittierendes optisches Element, z.B. in Form einer Planplatte, die beispielsweise im Zentrum mit einer absorbierenden oder streuenden Beschichtung versehen ist, um die Grund-Mode zu unterdrücken.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Hilfsresonator eine Einstelleinrichtung zur Einstellung einer Verlustleistung des Hilfsresonators auf. Für die Homogenisierung der Verstärkungsverteilung in dem laseraktiven Medium ist es günstig, wenn die Leistung der nicht unterdrückten Mode(n) des Hilfsresonator- Strahlungsfelds in dem Pumpvolumen eingestellt werden kann.
Bei einer Weiterbildung bildet die Einstelleinrichtung eine Auskoppeleinrichtung des Hilfsresonators, die zur Einstellung eines aus dem Hilfsresonator ausgekoppelten Leistungsanteils des Hilfsresonator-Strahlungsfelds ausgebildet ist. In diesem Fall wird eine variable, einstellbare Auskoppeleinrichtung verwendet, um den ausgekoppelten Leistungsanteil und somit die verbleibende Leistung des Hilfsresonator-Strahlungsgfelds innerhalb des Hilfsresonators einzustellen. Für die Realisierung einer solchen Auskoppeleinrichtung besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Bei einer Weiterbildung weist die Auskoppeleinrichtung ein polarisationsbeeinflussendes Element und einen teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor auf. Bei dem teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor kann es sich beispielsweise um einen Dünnschicht-Polarisator handeln, der eine erste Polarisationskomponente des Hilfsresonator-Strahlungsfelds reflektiert und der eine zweite, zur ersten senkrechte Polarisationskomponente des Hilfsresonator-Strahlungsfelds transmittiert. Bei dem polarisationsbeeinflussenden optischen Element kann es sich um ein phasenschiebendes optisches Element handeln, beispielsweise um eine /4-Platte. Die A/4-Platte kann um die Strahlachse des Hilfsresonator-Strahlungsfelds gedreht werden, um die Verlustleistung bzw. den Strahlungsanteil, der an dem Reflektor z.B. zu einer Strahlfalle transmittiert wird, einzustellen. Im einfachsten Fall kann die Ä/4- Platte hierbei manuell von einem Bediener um die Strahlachse gedreht werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist die optische Anordnung eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Einstelleinrichtung zur insbesondere stufenlosen Einstellung der Verlustleistung des Hilfsresonators auf. In diesem Fall kann die Verlustleistung automatisiert mit Hilfe der Steuerungseinrichtung eingestellt werden, beispielsweise indem diese auf einen Aktor oder dergleichen einwirkt, um das phasenschiebende optische Element (kontinuierlich) unter einem gewünschten Winkel zur Strahlachse des Hilfsresonators zu drehen bzw. auszurichten.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet bzw. programmiert, die Verlustleistung des Hilfsresonators derart einzustellen, dass in mindestens einem ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens, insbesondere im gesamten Pumpvolumen des laseraktiven Mediums, eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung erzeugt wird.
Unter einer im Wesentlichen räumlich konstanten Verstärkung wird eine Verstärkung verstanden, die um nicht mehr als +/- 30%, bevorzugt um nicht mehr als +/- 20 % von einem Mittelwert der Verstärkung g abweicht. Bei der Bestimmung des Werts für die Verstärkung kann eine schmaler, ringförmiger Randbereich des Pumpvolumens unberücksichtigt bleiben, der unmittelbar an den äußeren Rand der laseraktiven Mediums angrenzt und dessen (doppelte) Breite in radialer Richtung typischerweise nicht mehr als 5 % des gesamten Durchmessers des Pumpvolumens beträgt. In diesem Randbereich nimmt die Verstärkung in dem Pumpvolumen geometriebedingt ab, da außerhalb des Pumpvolumens die Verstärkung bei (nahezu) Null liegt. Alternativ zur Erzeugung einer konstanten Verstärkung in dem gesamten Pumpvolumen können ggf. einer oder mehrere ringförmige Teilbereiche in dem Pumpvolumen gebildet werden, die jeweils eine im Wesentlichen konstante Verstärkung aufweisen. Gleiches gilt für einen zentralen, in der Regel ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens. Zu diesem Zweck kann ggf. der Hilfsresonator ausgebildet sein, die Verlustleistung des Hilfsresonators modenabhängig einzustellen. In diesem Fall wird in dem Pumpvolumen typischerweise eine in radialer Richtung stufenweise konstante Verstärkung erzeugt. Auch in diesem Fall kann eine hohe Strahlqualität erreicht werden, wenn der Durchmesser des zentralen Teilbereichs mit konstanter Verstärkung größer ist als der Durchmesser des zu verstärkenden Laserstrahls.
Bei einer weiteren Ausführungsform bildet die Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung einen Resonator, in dem das laseraktive Medium angeordnet ist, wobei der Resonator bevorzugt zwei Reflektoren, beispielsweise zwei Spiegel, zur endseitigen Begrenzung einer Resonatorstrecke aufweist. In diesem Fall handelt es sich bei der optischen Anordnung um einen (Scheiben-)Laser, d.h. der Laserstrahl wird in dem laseraktiven Medium des Resonators erzeugt. Das laseraktive Medium kann an einem der beiden Reflektoren angebracht sein, welche die Resonatorstrecke endseitig begrenzen, es ist aber auch möglich, dass das laseraktive Medium von den beiden Reflektoren beabstandet angeordnet ist.
Bei einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist die Laserstrahl-Einkopplung zur Einkopplung eines Seed-Laserstrahls in das laseraktive Medium ausgebildet. In diesem Fall bildet die optische Anordnung einen (Scheibenlaser-)Verstärker, d.h. der Seed-Laserstrahl wird in dem laseraktiven Medium verstärkt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich bei der Einkoppel-Einrichtung um eine Linse, einen Spiegel, ... handeln, um den Seed-Laserstrahl, der in einer Seed-Laserquelle erzeugt wird, anzupassen und/oder in Richtung auf das laseraktive Medium auszurichten. Aufgrund der vergleichsweise geringen Dicke des laseraktiven Mediums ist es in diesem Fall günstig, wenn der Seed-Laserstrahl das laseraktive Medium mehrfach durchläuft, um eine möglichst große Verstärkung zu erzeugen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist an einer Seite des scheibenförmigen laseraktiven Mediums ein Reflektor angeordnet. Bei dem Reflektor kann es sich beispielsweise um eine reflektierende Beschichtung handeln, welche auf die Rückseite des scheibenförmigen laseraktiven Mediums aufgebracht ist. Aufgrund des Reflektors durchläuft der Laserstrahl das laseraktive Medium zwei Mal. Das laseraktive Medium kann hierbei insbesondere mit seiner Rückseite an einer Wärmesenke befestigt werden, beispielsweise an dieser angeklebt, gelötet oder gebondet werden.
Bei einer Weiterbildung weist die optische Anordnung eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des an dem Reflektor reflektierten Laserstrahls zurück zu dem laseraktiven Medium auf. Mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung, die insbesondere zur mehrfachen Umlenkung des Laserstrahls zurück zu dem laseraktiven Medium ausgebildet ist, kann die Zahl der Durchgänge durch das scheibenförmige laseraktive Medium zur Verstärkung des (Seed-)Laserstrahls weiter erhöht werden. Es versteht sich, dass eine Umlenkeinrichtung zur mehrfachen Umlenkung des Laserstrahls zurück zu dem laseraktiven Medium auch für den Fall verwendet werden kann, dass an dem laseraktiven Medium kein Reflektor gebildet ist.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Umlenkeinrichtung mehrere reflektierende Elemente auf, an denen Spiegelflächen zur Umlenkung des Laserstrahls gebildet sind, wobei die Spiegelflächen der reflektierenden Elemente jeweils derart ausgerichtet sind, dass der Laserstrahl von einer jeweiligen Spiegelfläche über das laseraktive Medium zu einer anderen Spiegelfläche umgelenkt wird. Mit Hilfe einer solchen Anordnung von (typischerweise planen) Spiegelflächen kann ein Mehrfachdurchgang des Laserstrahls durch das laseraktive Medium auf besonders einfache Weise realisiert werden. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die reflektierenden optischen Elemente der Umlenkeinrichtung an einer gemeinsamen Grundplatte dauerhaft befestigt sind, um sicherzustellen, dass die Spiegelflächen eine gewünschte Ausrichtung relativ zueinander beibehalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die optische Anordnung eine Pumpstrahlungs-Einkopplung zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in das laseraktive Medium zur Erzeugung der optischen Verstärkung innerhalb des Pumpvolumens auf. Die Pumpstrahlungs-Einkopplung kann beispielsweise eine Kollimationslinse oder dergleichen aufweisen, um die divergent aus einer Transportfaser oder aus einer Pumpstrahlungsquelle austretende Pumpstrahlung vor dem Auftreffen auf eine Reflexionsfläche zu kollimieren. Bei der Reflexionsfläche kann es sich beispielsweise um einen Parabolspiegel oder dergleichen handeln, der die Pumpstrahlung auf das laseraktive Medium fokussiert, wobei mit Hilfe der Reflexionsfläche und mit Hilfe von Umlenkeinrichtung(en) erreicht werden kann, dass die Pumpstrahlung das laseraktive Medium mehrfach durchläuft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls, umfassend: Erzeugen eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds mittels eines Hilfsresonators, wobei das Hilfsresonator-Strahlungsfeld mit dem laseraktiven Medium wechselwirkt, und wobei mindestens eine Mode des Hilfsresonator-Strahlungsfelds unterdrückt wird, die in dem Pumpvolumen mit mindestens einer Mode des Laserstrahls überlappt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der Hilfsresonator zur Unterdrückung der mindestens einen Mode mindestens ein Modenunterdrückungselement aufweisen.
Bei einer Variante des Verfahrens wird eine Verlustleistung des Hilfsresonators zum Erzeugen des Hilfsresonator-Strahlungsfelds derart eingestellt, dass in mindestens einem insbesondere ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens, insbesondere im gesamten Pumpvolumen des laseraktiven Mediums eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung erzeugt wird. Wie weiter oben beschrieben wurde, handelt es sich bei dem Pumpvolumen um ein typischerweise kreisförmiges bzw. zylinderförmiges Volumen innerhalb des scheibenförmigen laseraktiven Mediums, an dessen Randbereich mit Hilfe des Hilfsresonators die gespeicherte Energie extrahiert wird. Durch eine geeignete Einstellung der Verlustleistung des Hilfsresonators kann in dem Pumpvolumen eine gewünschte ortsabhängige Verstärkungsverteilung und somit Phasenverteilung eingestellt werden. Zur Erzeugung einer hohen Strahlqualität sollte die Verstärkungsverteilung in dem gesamten Pumpvolumen (mit Ausnahme des oben beschriebenen Randbereichs) im stationären Betrieb idealerweise konstant sein.
Bei einer Variante wird der Laserstrahl in einem Resonator erzeugt, der das laseraktive Medium enthält, d.h. der Laserstrahl wird in dem laseraktiven Medium bzw. in dem dieses enthaltenden Resonator erzeugt.
Bei einer weiteren Variante wird der Laserstrahl als Seed-Laserstrahl in das laseraktive Medium eingekoppelt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Einkopplung des von einer Seed-Laserquelle erzeugten Seed-Laserstrahls in das laseraktive Medium mit Hilfe einer Laserstrahl-Einkopplung bzw. mit Hilfe einer Einkopplungs-Optik erfolgen.
Obgleich die optische Anordnung und das Verfahren im Zusammenhang mit einem scheibenförmigen laseraktiven Medium beschrieben wurden, können die weiter oben beschriebenen Prinzipien auch bei anderen laseraktiven (Festkörper-)Medien angewendet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Anordnung in Form eines Scheibenlaserverstärkers mit einem Hilfsresonator,
Fig. 2 eine Darstellung eines Details einer Laserscheibe des Verstärkers von Fig. 1 mit einem Pumpvolumen,
Fig. 3a, b Darstellungen einer räumlichen Verstärkungsverteilung in dem Pumpvolumen von Fig. 2 ohne einen Hilfsresonator und mit einem Hilfsresonator mit unterdrücktem Grund-Mode,
Fig. 4a, b Darstellungen eines Scheibenlaserverstärkers analog zu Fig. 1 mit einer Umlenkeinrichtung zur Erzeugung von Mehrfachdurchgängen eines Seed- Laserstrahls durch die Laserscheibe, sowie
Fig. 5 eine Darstellung einer optischen Anordnung in Form eines Scheibenlasers mit einem Hilfsresonator. In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer optischen Anordnung in Form eines Scheibenlaserverstärkers 1, der ein scheibenförmiges laseraktives Medium aufweist, das nachfolgend als Laserscheibe 2 bezeichnet wird. Die Laserscheibe 2 ist auf einer Wärmesenke 3 befestigt und weist an ihrer der Wärmesenke 3 zugewandten Seite (Rückseite 2b) einen Reflektor in Form einer reflektierenden Beschichtung 4 auf. Der Scheibenlaserverstärker 1 weist auch eine Pumpstrahlungsquelle 5 auf, die zur Erzeugung von Pumpstrahlung 6 zum Pumpen der Laserscheibe 2 dient. Die Pumpstrahlung 6 wird über eine Pumpstrahlungs-Einkopplung 5a, die beispielsweise als Kollimationslinse ausgebildet sein kann, in die Laserscheibe 2 eingekoppelt. Die Pumpstrahlung 6 tritt hierbei an einer der Wärmesenke 3 abgewandten Seite (Vorderseite 2a) in die Laserscheibe 2 ein, wird an der reflektierenden Beschichtung 4 reflektiert und trifft auf einen Endspiegel 7, welcher die Pumpstrahlung 6 zur Laserscheibe 2 zurück reflektiert. Es versteht sich, dass die Laserscheibe 2 nicht zwingend in Reflexion betrieben werden muss, sondern auch in Transmission betrieben werden kann. An Stelle einer Laserscheibe 2 kann es sich bei dem laseraktiven Medium auch um einen Laserstab oder dergleichen handeln.
Der in Fig. 1 dargestellte Strahlweg der Pumpstrahlung 6 ist vereinfacht dargestellt; in der Regel wird die Pumpstrahlung 6 mittels einer Fokussiereinrichtung, beispielsweise mittels eines Hohlspiegels, auf die Laserscheibe 2 fokussiert und zur Erzeugung einer Mehrzahl von Durchgängen durch die Laserscheibe 2 mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung mehrfach zu der Fokussiereinrichtung und von dieser zu der Laserscheibe 2 zurück reflektiert, wie dies beispielsweise in der WO 2012/110389 A1 beschrieben ist, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Durch die Pumpstrahlung 6 wird in der Laserscheibe 2 ein in Fig. 2 gepunktet dargestelltes Pumpvolumen 8 (Pumpfleck) mit einem (Pump- )Durchmesser DP erzeugt. Beim Strahlprofil der Pumpstrahlung 6 handelt es sich im gezeigten Beispiel um ein Flat-Top-Profil. Es versteht sich, dass das Pumpvolumen 8 in der Regel keinen so scharf abfallenden Rand aufweisen muss, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Der (Pump-)Durchmesser des Pumpvolumens 8 ist definiert als der Bereich, in dem die Pumpleistung in der Laserscheibe 2 auf die Hälfte Ihres Maximalwerts abfällt (Full-Width-Half-Maximum (FWHM)-Wert).
Der Scheibenlaserverstärker 1 weist auch einen Seed-Laser 9 auf, der einen zu verstärkenden Laserstrahl 10 auf die Laserscheibe 2 einstrahlt bzw. den Laserstrahl 10 über eine Laserstrahl-Einkopplung 11 in die Laserscheibe 2 einkoppelt. Die Laserstrahl-Einkopplung 11 kann beispielsweise eine Kollimationslinse aufweisen, um den Laserstrahl 10 zu kollimieren, bevor dieser in die Laserscheibe 2 eintritt. Es versteht sich, dass die Laserstrahl-Einkopplung auch andere reflektierende oder transmittierende optische Elemente aufweisen kann. Die Laserstrahl-Einkopplung 11 kann auch zur Anpassung der Strahlparameter des Laserstrahls 10 dienen, bevor dieser in die Laserscheibe 2 eintritt. Der Laserstrahl 10 wird an der Rückseite 2b der Laserscheibe 2 reflektiert und verlässt den Scheibenlaserverstärker 1 mit verstärkter Leistung. Der von dem Seed-Laser 9 erzeugte Seed-Laserstrahl 10 weist im gezeigten Beispiel ein gaußförmiges Strahlprofil auf, d.h. der Seed-Laserstrahl 10 propagiert in einer Grund-Mode MO, wie sie in Fig. 3a dargestellt ist. Es versteht sich, dass auch ein Seed-Laserstrahl 10 mit einem Strahlprofil verstärkt werden kann, das von einem gaußförmigen Strahlprofil abweicht, d.h. ein Seed-Laserstrahl 10, der eine Beugungsmaßzahl M2 aufweist, für die nicht M2 = 1 gilt, beispielsweise ein Seed-Laserstrahl 10 mit M2 = 2. Der Seed-Laserstrahl 10 durchsetzt in der Laserscheibe 2 ein Laserfeldvolumen 12, welches einen kleineren Durchmesser Ds aufweist als der Durchmesser Dp des Pumpvolumens 8 (vgl. Fig. 2). Der Durchmesser Ds des Laserfeldvolumens 12 liegt bei einer guten Anpassung bei ca. 80% des Durchmessers Dp des Pumpvolumens 8. Unter dem Durchmesser Ds des Laserfeldvolumens 12 wird der FWHM-Wert verstanden.
Durch die Pumpstrahlung 6 wird eine ortsabhängige Verstärkung (Gain) g in der Laserscheibe 2 erzeugt, die in Fig. 3a als gestrichelte Kurve in Abhängigkeit vom Abstand r vom Zentrum der Laserscheibe 2 dargestellt ist. Die Größe des Pumpvolumens 8 bzw. der Durchmesser Dp des Pumpvolumens 8 bestimmt den Bereich, in dem die Verstärkung g in der Laserscheibe 2 erzeugt wird. Ist wie in Fig. 3a dargestellt die Ausdehnung des Pumpvolumens 8 bzw. dessen Durchmesser Dp (deutlich) größer als die laterale Ausdehnung des Laserstrahls 10 bzw. der Durchmesser Ds des Laserfeldvolumens 12 in der Laserscheibe 2, so wird die in der Laserscheibe 2 deponierte Energie an den seitlichen Rändern des Pumpvolumens 8 nicht extrahiert, während die Verstärkung g in der Mitte der Laserscheibe 2 bzw. in der Mitte des Pumpvolumens durch den Seed-Laserstrahl 10 extrahiert wird. Auf diese Weise entsteht eine lokale, ortsabhängige Verteilung der Verstärkung g im Pumpvolumen 8, die im gezeigten Beispiel im Zentrum der Laserscheibe 2 ein Minimum (minimale Temperatur Ti) und in einem ringförmigen Bereich um das Zentrum ein Maximum (maximale Temperatur T2) aufweist, wie dies in Fig. 3a anhand der durchgezogenen Kurve der optischen Verstärkung g erkennbar ist. Es versteht sich, dass die Temperaturverteilung nicht zwingend, wie in Fig. 3a dargestellt verlaufen muss, die Temperaturverteilung ist jedoch typischerweise über das Pumpvolumen 8 nicht konstant, sondern variiert ortsabhängig.
Wie weiter oben dargestellt wurde, resultiert aus der in lateraler Richtung über das Pumpvolumen 8 nicht gleichförmig verteilten Verstärkung g eine nicht konstante Temperaturverteilung, d.h. ein Temperaturgradient und somit eine nicht konstante Phasenverteilung cp des Strahlprofils des (verstärkten) Seed-Laserstrahls 10, was die Strahlqualität des verstärkten Seed-Laserstrahls 10 beeinträchtigt. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt für einen Seed-Laserstrahl 10, der im gaußförmigen Grund-Mode MO propagiert, da in diesem Fall die Intensität des Strahlprofils des Seed-Laserstrahls 10 in dem Randbereich 18 stark abfällt, während die Pumpstrahlung 6, die ein Flat-Top-Profil aufweist, am Rand des Pumpvolumens 8 annähernd konstant ist.
Um in dem Randbereich 18, in dem das Laserfeldvolumen 12 des Seed-Laserstrahls 10 eine unterschiedliche Intensität aufweist als im Zentrum, die Verstärkung g aus der Laserscheibe 2 zu extrahieren und auf diese Weise eine im Idealfall (im Wesentlichen) örtlich konstante optische Verstärkung g und somit eine konstante Phasenlage cp in lateraler Richtung innerhalb des Pumpvolumens 8 zu erzeugen, wie sie in Fig. 3b dargestellt ist, weist der Scheibenlaserverstärker 1 einen Hilfsresonator 13 auf. Der Hilfsresonator 13 bildet zwischen dem Reflektor 4 an der Rückseite 2b der Laserscheibe 2 und einem Resonator-Endspiegel 14 des Hilfsresonators 13 eine Resonator-Strecke, entlang derer ein Hilfsresonator-Strahlungsfeld 15 erzeugt wird. Um die nicht genutzte Energie in einem radial äußeren Randbereich des Pumpvolumens 8 zu extrahieren, wird als Hilfsresonator 13 ein Multi-Mode- Resonator verwendet, bei dem nicht nur der Grund-Mode MO, sondern auch (mindestens eine) höhere Mode(n) M1, M2, ... angeregt werden. Während die Energie der Grund-Modes MO bei geeigneter Anpassung in lateraler Richtung eng um das Zentrum der Laserscheibe 2 bzw. der Strahlachse des Hilfsresonators 13 begrenzt ist, weisen höhere Moden M1 , M2, ... des Hilfsresonators 13 geringere Anteile der Leistungsverteilung in der Nähe der Strahlachse bzw. in der Nähe zum Zentrum der Laserscheibe 2 auf, wenn dieser optimal justiert ist. Aus diesem Grund kann ein (hoch) multimodiger Hilfsresonator 13 die nicht genutzte gespeicherte Energie in den lateralen Randbereichen des Pumpvolumens 8 extrahieren, die von dem Seed-Laserstrahl 10 nicht ausreichend extrahiert werden.
Um die weiter oben beschriebene möglichst konstante Verstärkung g und die konstante Phasenlage cp in lateraler Richtung über das Pumpvolumen 8 der Laserscheibe 2 zu erzeugen, ist es günstig, wenn der Hilfsresonator 13 möglichst wenig Energie aus der Nähe des Zentrums der Laserscheibe 2 extrahiert, da dies den weiter oben beschriebenen Effekt zusätzlich verstärkt und möglichst viel Energie in den verstärkten Laserstrahl 10 eingekoppelt werden soll. Um dies zu erreichen, ist der Hilfsresonator 13 ausgebildet, die Grund-Mode MO des Hilfsresonator- Strahlungsfelds 15 zu unterdrücken, so dass nur die höheren Moden M1 , M2, ... in dem Hilfsresonator-Strahlungsfeld 15 vorhanden sind, so dass dieser eine im Wesentlichen ringförmige Leistungsverteilung aufweist, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist. Da es in Abhängigkeit von der Auslegung des Hilfsresonators 13 ggf. nicht ausreichend ist, nur den Grund-Mode MO zu unterdrücken, kann der Hilfsresonator 13 anders als in Fig. 3a dargestellt auch zur Unterdrückung von höheren Moden M1 , M2, ... des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 ausgebildet sein.
Um den Grund-Mode MO zu unterdrücken, weist der Hilfsresonator 13 ein Modenunterdrückungselement 17 auf. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Modenunterdrückungselement um einen nicht mit einer reflektierenden Beschichtung versehenen Teilbereich 17 einer an dem Hilfsresonator-Endspiegel 14 gebildeten reflektierenden Oberfläche 16. Der Teilbereich 17, an dem keine reflektierende Beschichtung auf die Oberfläche 16 aufgebracht ist, ist zentrisch in Bezug auf eine Strahlachse 19 (vgl. Fig. 2) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 angeordnet. Die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 stimmt im Idealfall, d.h. bei einer perfekten Justage, mit der Mittelachse der Laserscheibe 2 überein und verläuft durch das Zentrum des Pumpvolumens 8. Alternativ zu dem nicht reflektierenden Teilbereich 17 kann das Modenunterdrückungselement 17 beispielsweise in Form einer zentrischen Bohrung in dem Hilfsresonator-Endspiegel 14 ausgebildet sein oder der strahlungsunterdrückende Bereich 17 kann auf andere Weise ausgebildet sein.
Beispielsweise kann der strahlungsunterdrückende Bereich 17 eine Gradientenbeschichtung bilden, d.h. die reflektierende Beschichtung weist einen lateralen Gradienten der Reflektivität auf, die zur Strahlachse 19 des Hilfsresonator- Strahlungsfeldes 15 hin abnimmt. Der strahlungsunterdrückende Bereich 17 kann auch mehrere unterschiedlich stark reflektierende Teilbereiche aufweisen, die beispielsweise ringförmig um die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 herum angeordnet sind, wobei die Reflektivität stufenweise zur Strahlachse 19 hin abnimmt. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von weiteren Möglichkeiten zur Ausgestaltung des strahlungsunterdrückenden Bereichs 17 existiert, die hier nicht abschließend beschrieben werden können. Es kann auch sinnvoll sein, die Laserscheibe 2 auf den Hilfsresonator-Endspiegel 14 abzubilden.
Mit Hilfe des Modenunterdrückungselements 17 wird im gezeigten Beispiel nur die Grund-Mode MO des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 unterdrückt, deren Energie um die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Laserstrahls 15 herum konzentriert ist. Auf diese Weise wird das Pumpvolumen 8 der Laserscheibe 2 von dem Hilfsresonator- Strahlungsfeld 15 im Wesentlichen nur in einem Hilfsresonator-Laserfeldvolumen 18 durchsetzt, das dem in Fig. 2 dargestellten, radial außen liegenden Randbereich des Pumpvolumens 8 mit einer lateralen Ausdehnung Dp - Ds entspricht. Da die Grund- Mode MO des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 nahezu vollständig mit der Grund- Mode MO des Seed-Laserstrahls 10 überlappt, würde der Hilfsresonator-Laserstrahl 15 ohne eine solche Unterdrückung somit innerhalb des Laserfeldvolumens 12 zusätzliche Energie aus der Laserscheibe 2 extrahieren. Die nicht unterdrückten höheren Moden M1 , M2, ... des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 extrahieren hingegen wie gewünscht Energie aus dem lateral äußeren Rand des Pumpvolumens 8, in dem dieses nicht mit dem Laserfeldvolumen 12 des Seed-Laserstrahls 10 überlappt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es in Abhängigkeit von der Auslegung des Hilfsresonators 13 günstig sein, wenn zusätzlich auch höhere Moden M1 , M2, ... des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 unterdrückt werden.
Der Hilfsresonator 13 ist so ausgelegt, dass eine Durchbiegung der Laserscheibe 2 aufgrund der Erwärmung beim Pumpen mit der Pumpstrahlung 6 vorkompensiert wird. Die reflektierende Oberfläche 16 des Hilfsresonator-Endspiegels 14 ist im gezeigten Beispiel gekrümmt, wobei die Krümmung der Scheibe sich mit der Pumpleistung verändert. Kriterien für die Festlegung der Krümmung des Hilfsresonator-Endspiegels 14 (im unbestrahlten Zustand) sind die Modengrößen auf den optischen Komponenten sowie die Stabilität des Hilfsresonators 13. Mit Hilfe einer einstellbaren Auskopplung kann die Krümmung der Laserscheibe 2 konstant gehalten werden.
Um zu erreichen, dass der Verlauf der Phasenlage cp bzw. der optischen Verstärkung g in dem Pumpvolumen 8 möglichst konstant ist, ist es in der Regel zusätzlich zur Verwendung eines Modenunterdrückungselements 17 erforderlich, die Verluste des Hilfsresonators 13 geeignet zu beeinflussen, um auf diese Weise die Verstärkung g in dem lateralen Randbereich des Pumpvolumens 8 idealerweise auf einen Wert abzusättigen, der ungefähr mit der Verstärkung g im Zentrum der Laserscheibe 2 übereinstimmt. Zu diesem Zweck weist der Hilfsresonator 13 eine Einstelleinrichtung 20 zur Einstellung der Verluste des Hilfsresonators 13 auf, die im gezeigten Beispiel als einstellbare Auskoppeleinrichtung (variabler Auskoppler) ausgebildet ist.
Die einstellbare Auskoppeleinrichtung 20 ermöglicht es, einen einstellbaren Anteil der Leistung des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 aus dem Hilfsresonator 13 auszukoppeln. Zu diesem Zweck weist die einstellbare Auskoppeleinrichtung 20 ein polarisationsbeeinflussendes Element 21 z.B. in Form einer Ä/4-P latte und einen teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor 22 in Form eines Dünnschicht- Polarisators auf. Der Scheibenlaserverstärker 1 weist auch eine Steuerungseinrichtung 23 auf, die auf einen nicht bildlich dargestellten Aktuator einwirkt, der die A/4-Platte um die Strahlachse 19 des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 dreht, um die Polarisation des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 zu verändern, wodurch sich der Leistungsanteil des Hilfsresonator-Strahlungsfelds 15 verändert, der von dem Dünnschicht-Polarisator 22 transmited und aus dem Hilfsresonator 13 ausgekoppelt wird. Zur Absorption der aus dem Hilfsresonator 13 ausgekoppelten Leistung weist der Scheibenlaserverstärker 1 eine Strahlfalle 24 auf.
Die Steuerungseinrichtung 23 bzw. der auf die X/4-Platte 21 einwirkende Aktuator ermöglicht eine stufenlose Drehung und somit eine stufenlose Einstellung der Verluste bzw. der Verlustleistung des Hilfs resonators 13. Je mehr Leistung in dem Hilfsresonator 13 vorhanden ist, desto mehr Energie wird aus dem seitlichen Randbereich des Pumpvolumens 8 extrahiert. Um eine möglichst homogene ortsabhängige Verstärkung g in dem Pumpvolumen 8 zu erzeugen, ist es erforderlich, dass der Hilfsresonator 13 in dem seitlichen Randbereich 18 des Pumpvolumens 8 eine vergleichbare Leistung extrahiert wie der Laserstrahl 10 in dem zentralen Laserfeldvolumen 12. Durch die Steuerungseinrichtung 23 können die Verluste bzw. die Verlustleistung des Hilfsresonators 13 insbesondere derart eingestellt werden, dass sich in dem Pumpvolumen 8 eine im Wesentlichen konstante Verstärkung g bzw. Phasenlage <p einstellt. Unter einer im Wesentlichen konstanten Verstärkung g wird eine Verstärkung verstanden, die mit Ausnahme eines in Fig. 3b angedeuteten schmalen Randbereichs des Pumpvolumens 8, der unmittelbar an den äußeren Rand der Laserscheibe 2 angrenzt und der nicht mehr als ca. 5 % des Durchmessers Dp des Pumpvolumens 8 ausmacht, um nicht mehr als +/- 30 %, bevorzugt um nicht mehr als +/- 20% von einem Mittelwert gwi der Verstärkung g (ohne Berücksichtigung des schmalen Randbereichs) abweicht, d.h. es gilt g ® givi. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der verstärkte Seed- Laserstrahl 10 beim Austritt aus dem Scheibenlaserverstärker 1 eine annähernd konstante Phasenlage <p und somit eine hohe Strahlqualität aufweist.
Gegebenenfalls kann es ausreichend sein, wenn die Verstärkung g nicht über das gesamte Pumpvolumen 8 im Wesentlichen konstant ist, sondern nur in einem zentralen, kreisförmigen Teilbereich und in einem oder mehreren ringförmigen Teilbereichen, d.h. die Verstärkung g weist in Abhängigkeit vom Radius r eine stufenweise konstante Verstärkung g auf. Auch in diesem Fall kann eine hohe Strahlqualität des verstärkten Laserstrahls 10 erreicht werden, wenn der Durchmesser des zentralen, kreisförmigen Teilbereichs größer ist als der
Durchmesser des Laserstrahls 10.
Fig. 4a und Fig. 4b zeigen einen Scheibenlaserverstärker 1 , der analog zu dem in Fig. 1 gezeigten Scheibenlaserverstärker 1 aufgebaut ist, wobei auf die Darstellung der Pumpstrahlungsquelle 5 und der Pumpstrahlung 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Um einen Mehrfachdurchgang des Seed- Laserstrahls 10 durch die Laserscheibe 2 zu ermöglichen, wird der Seed-Laserstrahl 10 bei dem in Fig. 4a, b gezeigten Scheibenlaserverstärker 1 mehrmals mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung 25 umgelenkt. Zu diesem Zweck weist die Umlenkeinrichtung 25 eine Mehrzahl von reflektierenden optischen Elementen 26 in Form von Umlenkspiegeln auf, an deren Spiegelflächen F2 bis F35 (vgl. Fig. 4b) der Seed- Laserstrahl 10 umgelenkt wird. Die reflektierenden optischen Elemente 26 sind an einem plattenförmigen Grundkörper 27 der Umlenkeinrichtung 25 befestigt, die hier nicht näher beschrieben wird. Der plattenförmige Grundkörper 27 ist im gezeigten Beispiel parallel zur XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems und parallel zur Laserscheibe 2 ausgerichtet, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann der plattenförmige Grundkörper 27 zur Laserscheibe 2 verkippt sein und die reflektierenden optischen Elemente 26 können die globale Verkippung des Grundkörpers 27 ausgleichen.
Wie in Fig. 4b zu erkennen ist, tritt der Seed-Laserstrahl 10 zunächst über eine erste Durchgangsöffnung 28 durch den plattenförmigen Grundkörper 27 hindurch und ist hierbei derart ausgerichtet, dass er die Laserscheibe 2 mittig trifft und an dieser, genauer gesagt an deren verspiegelter Rückseite 2b, zu einer zweiten Spiegelfläche F2 reflektiert wird. Der von der Laserscheibe 2 ausgehende Seed-Laserstrahl 10 wird an der zweiten Spiegelfläche F2 direkt zu einer dritten, benachbarten Spiegelfläche F3 umgelenkt bzw. reflektiert. Die dritte Spiegelfläche F3 ist bezüglich der Laserscheibe 2 derart ausgerichtet, dass der Seed-Laserstrahl 10 von der dritten Spiegelfläche F3 erneut zur Laserscheibe 2 umgelenkt bzw. reflektiert wird. An der Laserscheibe 2 wird der Seed-Laserstrahl 10 zu einer vierten Spiegelfläche F4 umgelenkt, von dieser direkt zu einer fünften Spiegelfläche F5 reflektiert, usw.
Bei der in Fig. 4b gezeigten Umlenkeinrichtung 24 erfolgt die Umlenkung des Seed- Laserstrahls 10 somit abwechselnd zwischen der Laserscheibe 2 und einem jeweiligen Paar von im gezeigten Beispiel benachbart angeordneten Spiegelflächen F2, F3; F4, F5; F5, F6; F34, F35. Der Strahlweg des Seed-Laserstrahls 10 zwischen der Laserscheibe 2 und den Spiegelflächen F2, F3; F4, F5; F5, F6;
F34, F35, genauer gesagt deren Projektion in die XY-Ebene, ist in Fig. 3b ebenfalls dargestellt. Bei dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel weist die Umlenkeinrichtung 25 eine weitere Durchgangsöffnung 29 auf, um den Seed-Laserstrahl 10 aus dem Scheibenlaserverstärker 1 auszukoppeln. Wie in Fig. 3b ebenfalls zu erkennen ist, sind die Spiegelflächen F2 bis F35 in drei Ringbereichen RB1 , RB2, RB3 um die Mittelachse 19 des Grundkörpers 27 angeordnet, welcher mit der Mittelachse der Laserscheibe 2 übereinstimmt. Es versteht sich, dass auch eine andere Anordnung der Spiegelflächen F2 bis F35 auf dem Grundkörper 27 der Umlenkeinrichtung 25 möglich ist. Es ist zwar günstig, aber nicht zwingend erforderlich, wenn alle reflektierenden optischen Elemente 26 der Umlenkeinrichtung 25 an ein- und demselben Grundkörper 27 befestigt sind.
Fig. 5 zeigt eine optische Anordnung in Form eines Scheibenlasers 1a, die sich von dem im Zusammenhang mit Fig. 1 gezeigten Scheibenlaserverstärker 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass an Stelle des dort gezeigten Seed-Lasers 9 für die Erzeugung eines Laserstrahls 10, der einen Grund-Mode MO aufweist, eine Laserstrahl-Erzeugungseinrichtung in Form eines Resonators 30 vorgesehen ist. Der Resonator 30 weist zwei Reflektoren in Form von Endspiegeln 31, 32 auf, zwischen denen eine Resonator-Strecke 33 gebildet ist, in der auch die Laserscheibe 2 angeordnet ist. Durch das Pumpen der Laserscheibe 2 wird in dem Resonator 30 ein Laserstrahl 10 mit einem Grund-Mode MO erzeugt, welcher analog zu Fig. 2 die Laserscheibe 2 in einem Laserfeldvolumen 12 innerhalb des Pumpvolumens 8 durchsetzt.
Auch der in Fig. 5 gezeigte Scheibenlaser 1a weist einen Hilfsresonator 13 auf, um eine möglichst konstante örtliche Verteilung der Verstärkung g und der Phase <p in der Laserscheibe 2 zu erzeugen. Der Hilfsresonator 13 ist wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ausgebildet und unterscheidet sich von diesem lediglich darin, dass als Modenunterdrückungselement eine „inverse“ Blende in dem Hilfsresonator 13 angeordnet ist, d.h. ein transmittierendes optisches Element 17a, das im Zentrum bzw. entlang der Strahlachse 19 des Hilfsresonators 13 einen strahlungsabsorbierenden Bereich 17 aufweist und außerhalb dieses Bereichs transparent ist. Auch bei dem Scheibenlaser 1a kann auf die weiter oben im Zusammenhang mit dem Scheibenlaserverstärker 1 beschriebene Weise mittels des Hilfsresonators 13 aus dem Resonator 30 ein Laserstrahl 10 ausgekoppelt werden, welcher eine im Wesentlichen konstante Phasenlage q> und somit eine gute Strahlqualität aufweist. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel wird der Laserstrahl 10 an dem zweiten, konkaven Endspiegel 32 ausgekoppelt, der zu diesem Zweck teiltransmissiv ausgebildet ist. Es versteht sich aber, dass die Laserstrahlung 10 auch auf andere Weise aus dem Resonator 30 ausgekoppelt werden kann.
Wie weiter oben beschrieben ist, kann das Modenunterdrückungselement 17 auch dazu dienen, andere Moden als die Grund-Mode MO des Hilfsresonator- Strahlungsfelds 15 zu unterdrücken. Beispielsweise kann ggf. zusätzlich die erste höhere Mode M1 unterdrückt werden bzw. grundsätzlich können alle diejenigen Moden unterdrückt werden, die sich (teilweise) mit den Moden des Laserstrahls 10 in dem Pumpvolumen 8 der Laserscheibe 2 überlappen, um die Verstärkung g in dem Pumpvolumen 8 möglichst zu homogenisieren.

Claims

Patentansprüche Optische Anordnung (1 , 1a), umfassend: ein insbesondere scheibenförmiges laseraktives Medium (2), in dem durch Pumpen innerhalb eines Pumpvolumens (8) eine optische Verstärkung (g) erzeugbar ist, eine Laserstrahl-Einkopplung (11 ) zum Einkoppeln eines Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2), wobei die Laserstrahl-Einkopplung (31 ) zur Einkopplung eines Seed-Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2) ausgebildet ist und wobei der Laserstrahl (10) mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt, sowie einen Hilfsresonator (13) zur Erzeugung eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15), welches mit dem laseraktiven Material (2) wechselwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsresonator (13) ausgebildet ist, mindestens eine Mode (MO) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) zu unterdrücken, die in dem Pumpvolumen (8) mit mindestens einer Mode (MO) des Laserstrahls (10) überlappt. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , bei welcher der Hilfsresonator (13) zur Unterdrückung zumindest einer Grund-Mode (MO) des Hilfsresonator- Strahlungsfelds (15) ausgebildet ist. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Hilfsresonator (13) zur Unterdrückung der mindestens einen Mode (MO) des Hilfsresonator- Strahlungsfelds (15) mindestens ein Modenunterdrückungselement (17, 17a) aufweist. Optische Anordnung nach Anspruch 3, bei der das Modenunterdrückungselement (17, 17a) zur Unterdrückung der mindestens einen Mode (MO) einen strahlungsunterdrückenden, insbesondere strahlungsabsorbierenden oder streuenden Bereich (17) aufweist, der bevorzugt zentrisch in Bezug auf eine Strahlachse (19) des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) angeordnet ist. Optische Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher der strahlungsunterdrückende Bereich (17) an einem reflektierenden oder transmittierenden optischen Element (1 , 17a) des Hilfsresonators (13) gebildet ist. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Hilfsresonator (13) eine Einstelleinrichtung (20) zur Einstellung einer Verlustleistung des Hilfsresonators (13) aufweist. Optische Anordnung nach Anspruch 6, bei welcher die Einstelleinrichtung eine Auskoppeleinrichtung (20) des Hilfsresonators (13) bildet, die zur Einstellung eines aus dem Hilfsresonator (13) ausgekoppelten Leistungsanteils des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) ausgebildet ist. Optische Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Auskoppeleinrichtung (20) ein polarisationsbeeinflussendes Element (21 ) und einen teildurchlässigen polarisationsabhängigen Reflektor (22) aufweist. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, weiter umfassend: eine Steuerungseinrichtung (23) zur Ansteuerung der Einstelleinrichtung (20) zur insbesondere stufenlosen Einstellung der Verlustleistung des Hilfsresonators (13). Optische Anordnung nach Anspruch 9, bei welcher die Steuerungseinrichtung (23) ausgebildet ist, die Verlustleistung des Hilfsresonators (13) derart einzustellen, dass in mindestens einem ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens (8), insbesondere im gesamten Pumpvolumen (8) des laseraktiven Mediums (2) eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung (g) erzeugt wird. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an einer Seite (2b) des scheibenförmigen laseraktiven Mediums (2) ein Reflektor (4) angeordnet ist. Optische Anordnung nach Anspruch 11 , weiter umfassend: eine Umlenkeinrichtung (25) zur Umlenkung des an dem Reflektor (4) reflektierten Laserstrahls (10) zurück zu dem laseraktiven Medium (2). Optische Anordnung nach Anspruch 12, bei der die Umlenkeinrichtung (25) mehrere reflektierende Elemente (26) aufweist, an denen Spiegelflächen (F2 bis F35) zur Umlenkung des Laserstrahls (10) gebildet sind, wobei die Spiegelflächen (F2 bis F35) der reflektierenden Elemente (26) jeweils derart ausgerichtet sind, dass der Laserstrahl (10) von einer jeweiligen Spiegelfläche (F2 bis F35) über das laseraktive Medium (2) zu einer anderen Spiegelfläche (F2 bis F35) umgelenkt wird. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Pumpstrahlungs-Einkopplung (5a) zum Einkoppeln von Pumpstrahlung (6) in das laseraktive Medium (2) zur Erzeugung der optischen Verstärkung (g) innerhalb des Pumpvolumens (8). Verfahren zum Verstärken oder zum Erzeugen eines Laserstrahls (10), umfassend:
Pumpen eines insbesondere scheibenförmigen laseraktiven Mediums (2) zum Erzeugen einer optischen Verstärkung (g) innerhalb eines Pumpvolumens (8), Einkoppeln des Laserstrahls (10) in das laseraktive Medium (2), wobei der Laserstrahl (10) als Seed-Laserstrahl in das laseraktive Medium (2) eingekoppelt wird und wobei der Laserstrahl (10) mit dem laseraktiven Medium (2) wechselwirkt, gekennzeichnet durch
Erzeugen eines Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) mittels eines Hilfsresonators (13), wobei das Hilfsresonator-Strahlungsfeld (15) mit dem laseraktiven Medium (2) wechselwirkt, und wobei mindestens eine Mode (MO) des Hilfsresonator- Strahlungsfelds (15) unterdrückt wird, die in dem Pumpvolumen (8) mit mindestens einer Mode (MO) des Laserstrahls (10) überlappt. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine Verlustleistung des Hilfsresonators (13) zum Erzeugen des Hilfsresonator-Strahlungsfelds (15) derart eingestellt wird, dass in mindestens einem insbesondere ringförmigen Teilbereich des Pumpvolumens (8), insbesondere im gesamten Pumpvolumen (8) des laseraktiven Mediums (2) eine im Wesentlichen räumlich konstante optische Verstärkung (g) erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Laserstrahl (10) in einem Resonator (30) erzeugt wird, der das laseraktive Medium (2) enthält.
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DE10147798B4 (de) 2001-08-09 2015-12-31 Trumpf Laser Gmbh Laserverstärkersystem
US8035892B2 (en) 2009-04-01 2011-10-11 The Boeing Company Reliable startup of high power thin-disk laser resonators
DE102011004204A1 (de) 2011-02-16 2012-08-16 Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg Pumplichtanordnung für einen Scheibenlaser
DE102016213561A1 (de) * 2016-07-25 2018-01-25 Trumpf Laser Gmbh Optische Anordnung mit scheibenförmigem laseraktiven Medium

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