WO1997017747A1 - Laserverstärkersystem - Google Patents

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WO1997017747A1
WO1997017747A1 PCT/EP1996/004704 EP9604704W WO9717747A1 WO 1997017747 A1 WO1997017747 A1 WO 1997017747A1 EP 9604704 W EP9604704 W EP 9604704W WO 9717747 A1 WO9717747 A1 WO 9717747A1
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laser
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laser amplifier
pump
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PCT/EP1996/004704
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Konrad Altmann
Thorsteinn Halldorsson
Original Assignee
Daimler-Benz Ag
Micro Systems Design Dr. Altmann Gmbh
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Priority to EP96937287A priority patent/EP0860041B1/de
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Definitions

  • the invention relates to a laser amplifier system with one or more solids made of laser-active materials which are arranged in a radiation field and which are pumped optically by pumping light sources, laser diodes preferably serving as pumping light sources.
  • Laser amplifier systems of this type which are usually designed as lasers by introducing them into an optical resonator, correspond to the prior art in various embodiments. It tries to meet the requirements, namely good overlap between pump and laser beam, efficient cooling of the laser-active material and high beam quality with the help of different arrangements. However, the simultaneous optimization of all system properties that is essential for such a system is usually not achieved. So z.
  • a laser is known from US Pat. Nos. 4,785,459 and 4,837,771, in which the beam is reflected back and forth in a zigzag shape between the boundary surfaces of a crystal block, laser diode arrays being arranged at the points of incidence of the beam through which the material is optically pumped. Although this results in a good overlap of the pump and laser beams, optimal cooling of the pumped points is impaired.
  • a laser amplifier system is known from European patent application 0 632 551 AI, in which the pump beam is directed several times onto the center of a small plate made of laser-active material, which has a small thickness relative to the diameter, in order to ensure that the heat generated is dissipated as quickly as possible and thereby the temperature of the To keep platelets low.
  • the latter is only achieved to a limited extent in this way, since with this arrangement the total pump power is absorbed in a very small volume range, which typically corresponds to a size of 0.1 mm 3 to 0.5 mm 3 in accordance with the product of the area of the focal spot and the thickness of the plate Has.
  • the present invention has for its object to avoid the problems mentioned and to provide a laser amplification system of the type described in the introduction, in which the system properties described above are simultaneously optimized, which also allows a compact design and is designed in such a way that it is suitable for an inexpensive mass production is suitable.
  • Fig. 1. is a schematic image of an exemplary embodiment of a
  • Fig. 2. is a schematic image of an embodiment of a
  • Fig. 3. is a schematic image of an exemplary embodiment of a
  • Fig. 4. is a schematic image of an exemplary embodiment of a
  • FIG. 5 shows an arrangement in which two laser amplifier systems designed in accordance with FIG. 1 are coupled.
  • Fig. 6 shows an arrangement in which six trained according to Fig. 1
  • Laser amplifier systems are coupled, only the first being a laser is formed, while the others amplify the beam emerging from the latter.
  • a plane-parallel plate 1 made of laser-active material, the z. B. is suitable for the operation of a 3 - or a 4 - level laser, and depending on the doping and heat conduction coefficient is about 0.1 to 1 mm thick, 1 to 5 mm wide and 5 to 20 mm long, is on the underside by a flowing Medium 2 cooled.
  • the plate is coated on the underside 3 for both the laser radiation and for the pump radiation with a highly reflective coating, on the other hand it is anti-reflective for both types of radiation.
  • this plate there is an optical element 4 made of a material which is transparent to the pump radiation and has a refractive index which is greater than that of the surrounding medium (air in the present example).
  • the lower boundary surface 5 of this element is flat and coated in such a way that it is highly transparent to the pump radiation, while the upper boundary surface consists of astigmatic-spherical surfaces 6 arranged next to one another in series. Of these surfaces, the outermost right 7 and the outermost left 7 are highly transparent, while the rest are highly reflective for the pump radiation.
  • the astigmatic-spherical surfaces 7 thus form two lenses with the surface 5.
  • the pump beams are reflected back and forth in a zigzag shape between the concave mirrors 6 and the surface 3, the pump beam being gradually absorbed in the plate 1, the thickness of which is chosen so that this absorption takes place only in the focal areas of the pump radiation.
  • the laser beam is also reflected back and forth in a zigzag pattern, however between surfaces 3 and 5.
  • surface 5 is coated with a highly reflective coating in the area where the laser beam strikes the latter. In the areas that lie opposite the focal areas of the pump radiation, however, the surface 5 is transparent to the laser radiation in order to prevent parasitic modes from oscillating.
  • NA the numerical aperture NA and thus also the opening angle of the pump beams emerging from the waveguides is large and, as a result, an inappropriately flat zigzag course of the laser mode would result
  • a block that consists of is made of the same material as the plate, but is undoped and therefore not laser-active. It is thereby achieved that the NA of the pump beam is reduced in the said area according to Abbe's sine condition by a factor which corresponds to the refractive index of the material.
  • Nd YAG
  • the opening angle of the pump beam can be reduced by a factor of 1.82, which makes the zigzag mode much steeper. This measure also ensures that the structure is monolithic and therefore less sensitive to misalignments.
  • Fig. 2. shows the schematic of an embodiment in which the laser amplifier system is supplemented by mirrors 12 and 13 so that a ring resonator is formed.
  • the advantage of this arrangement is that the so-called “spatial hole-bourning" that occurs in a resonator with end mirrors is avoided.
  • the element 21 represents an optical diode.
  • Fig. 3. shows the schematic image of an embodiment in which the plate 1 is divided into individual small plates 14, which are held by a carrier plate 15 become.
  • the latter is preferably made from a material with high thermal conductivity in order to cool the lateral surfaces of the platelets as well.
  • the advantage of this arrangement is that a smaller amount of the expensive laser-active material is required. In addition, greater optical homogeneity can be guaranteed in the manufacture of the small platelets.
  • Fig. 4. shows the schematic image of an embodiment in which the plates 14 on the underside are brought into heat-conducting contact with a support plate 16 which is traversed by cooling channels 17.
  • the arrangement according to the invention achieves, on the one hand, that the laser-active material can be kept thin and that heat can be dissipated directly at the absorption points of the pump beam over almost the entire surface of the plate 1 or the plate 14. At the same time, it is avoided that the absorption of the entire pump power takes place in a coherent volume range, which is therefore difficult to cool. as is the case with conventional frontally pumped laser systems. The latter also applies to the already mentioned European patent application 0 632 551 AI, even if the absorption takes place here in a very small volume range.
  • the temperature gradient and thus also the temperature in the platelets is reduced compared to 0 632 551 A1 by a factor which corresponds to the number of focal areas irradiated.
  • this is of crucial importance for the efficiency of the power conversion, since the lower laser level is thermally occupied here.
  • the arrangement of the reflecting mirror in a row technically easier to implement and adjust than their spatial arrangement, as z. B. in Fig. 28 of the document 0 632 551 AI is used.
  • the thermal lens effect of the laser-active material is deliberately not dispensed with, as is the case in the main claim and in the description in paragraph 3 of document 0 632 551 AI expressly done by the requirement that the laser radiation field should spread almost parallel to the temperature gradient.
  • the thermal lens induced in the plate 1 or the platelets 14 by the pump radiation, the thermal dispersion of the refractive index and the thermal deformation and their focusing effect on the laser beam and its diameter are adapted so that within the focal areas an optimal overlap between the pump and the laser beam or the transverse basic mode of the resonator is achieved.
  • This adjustment is achieved by the choice of the thickness and the Abso ⁇ tionskoeff ⁇ ziente of the plate or the plate, which allows a very fine tuning in the present arrangement.
  • the use of the thermal lens effect has the advantage that the surfaces 3 and 5, between which the laser beam is reflected back and forth, can be made exactly flat, as a result of which the adjustment effort is considerably reduced. If the focusing effect of the thermal lenses is not sufficient for certain laser materials, it is proposed to amplify them by using curved instead of flat resonator mirrors 9 and 10 or 12 and 13. If a further bundling of the laser beam is necessary, it is proposed that the reflecting surfaces 3 and 5 be curved in a suitable manner in the area where the laser beam strikes, in order in this way to exert an additional focusing effect on the laser beam.
  • FIG. 5 shows an arrangement in which two laser amplifier systems designed in accordance with FIG. 1 are coupled together to form a laser with frequency doubling.
  • the system is able to deliver approximately 40 to 50 watts of output power with the help of currently available laser diodes.
  • Fig. 6 shows an arrangement in which six of the systems described above are coupled.
  • the system at the top left is designed as a laser with the aid of mirrors 18 and 19, the others work as laser amplifiers by amplifying the beam coupled out by mirror 19.
  • This has the advantage that the adjustment effort of the arrangement is reduced, since the beam does not pass through the entire arrangement several times as in the case of a resonator arrangement.
  • the beam emerging from the subsystem working as a laser is guided in the fixed elements 14 by the induced thermal lenses and by the beam guiding effect through amplification (gain guiding effect).
  • the downstream amplifier systems work in a similar way to folded lens waveguides, with the known beam-guiding properties.
  • the number of downstream amplifier systems is practically not limited.
  • the mirror-image arrangement of the amplifier systems selected in FIG. 6 enables common cooling 2 of the laser-active solid bodies.
  • the upper and lower amplifier systems are coupled to one another by the deflecting mirror 20.

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Abstract

Es wird ein Laserverstärkersystem mit laseraktivem Festkörpermaterial, das durch Pumplichtquellen gepumpt wird, vorgeschlagen, bei dem einer oder mehrere Pumpstrahlen mit Hilfe von Spiegeln oder anderen optischen Hilfsmitteln so geführt werden, daß jeder einzelne Pumpstrahl mehrmals auf unterschiedliche Stellen des Festkörpermaterials fokussiert wird, wobei letzteres in Form eines zusammenhängenden oder getrennten Festkörpers vorliegt, die so gestaltet sind, daß der Pumpstrahl in den Fokalbereichen und nur in diesen absorbiert wird, wodurch letztere optisch gepumpt werden, und daß der Laserstrahl so umgelenkt und geführt wird, daß er all diese Fokalstellen durchstrahlt und auf diese Weise verstärkt wird. Damit wird ein Laserverstärkungssystem geschaffen, bei dem die Systemeigenschaften gleichzeitig optimiert werden, das außerdem eine kompakte Bauweise erlaubt und so gestaltet ist, daß es sich für eine kostengünstige Massenproduktion eignet.

Description

Laserverstärkersystem
Die Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem mit einem oder mehreren in einem Strahlungsfeld angeordneten Festkörpern aus laseraktiven Materialien, die durch Pumplichtquellen optisch gepumpt werden, wobei als Pumplichtquellen bevorzugt Laserdioden dienen.
Derartige Laserverstärkersysteme, die meist durch Einbringen in einen optischen Resonator als Laser ausgebildet sind, entsprechen in unterschiedlichen Ausführungsformen dem Stand der Technik. Dabei wird versucht, den gestellten Anforderungen, nämlich gute Überlappung zwischen Pump- und Laserstrahl, effiziente Kühlung des laseraktiven Materials und hohe Strahlqualität mit Hilfe unterschiedlicher Anordnungen gerecht zu werden. Meist wird jedoch die für ein derartiges System wesentliche, gleichzeitige Optimierung aller Systemeigenschaften nicht erreicht. So ist z. B. aus den US Patenten 4,785,459 und 4,837,771 ein Laser bekannt, bei dem der Strahl zickzackförmig zwischen den Begrenzungsflächen eines Kristallblocks hin- und herreflektiert wird, wobei jeweils an den Auftreffstellen des Strahls Laserdiodenarrays angeordnet sind, durch die das Material optisch gepumpt wird. Dadurch wird zwar eine gute Überlappung von Pump- und Laserstrahl erreicht, eine optimale Kühlung der gepumpten Stellen jedoch beeinträchtigt.
Weiter ist aus der Europäischen Patentanmeldung 0 632 551 AI ein Laserverstärkersystem bekannt, bei dem der Pumpstrahl mehrmals auf den Mittelpunkt eines Plättchens aus laseraktivem Material gelenkt wird, das relativ zum Durchmesser eine geringe Dicke besitzt, um eine möglichst rasche Ableitung der entstehenden Wärme zu gewährleisten und dadurch die Temperatur des Plättchens niedrig zu halten. Letzteres wird auf diese Weise jedoch nur in eingeschränktem Umfang erreicht, da bei dieser Anordnung die gesamte Pumpleistung in einem sehr kleinen Volumenbereich absorbiert wird, der entsprechend dem Produkt aus Fläche des Fokalflecks und Dicke des Plättchens typischerweise eine Größe von 0.1 mm3 bis 0.5 mm3 hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Probleme zu vermeiden und ein Laserverstärkungssytem der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die oben beschriebenen Systemeigenschaften gleichzeitig optimiert werden, das außerdem eine komp?Jcte Bauweise erlaubt und so gestaltet ist, daß es sich für eine kostengünstige Massenproduktion eignet.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigt:
Fig. 1. ein Schemabild eines Ausfuhrungsbeispiels eines
Laserverstärkersystems nach den Ansprüchen 1, 2 und 16,
Fig. 2. ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines
Laserverstärkersystems nach den Ansprüchen 1 , 2 und 17,
Fig. 3. ein Schemabild eines Ausfuhrungsbeispiels eines
Laserverstärkersystems nach den Ansprüchen 1 ,2 und 10,
Fig. 4. ein Schemabild eines Ausfuhrungsbeispiels eines
Laserverstärkersystems nach den Ansprüchen 1 , 2 und 1 1.
Fig. 5 eine Anordnung, bei der zwei entsprechend Fig. 1 ausgebildete Laserverstärkersysteme gekoppelt sind.
Fig. 6 eine Anordnung, bei der sechs entsprechend Fig. 1 ausgebildete
Laserverstärkersysteme gekoppelt sind, wobei nur das erste als Laser ausgebildet ist, während die übrigen den aus letzterem austretenden Strahl verstärken.
Der Grundgedanke der Erfindung wird im folgenden anhand des in Fig. 1 skizzierten Ausfuhrungsbeispiels erläutert. Eine planparallele Platte 1 aus laseraktivem Material, das z. B. für den Betrieb eines 3 - oder eines 4 - Niveau Lasers geeignet ist, und je nach Dotierung und Wärmeleitungskoeffizient etwa 0.1 bis 1 mm dick, 1 bis 5 mm breit und 5 bis 20 mm lang ist, wird an der Unterseite durch ein strömendes Medium 2 gekühlt. Die Platte ist an der Unterseite 3 sowohl für die Laserstrahlung als auch für die Pumpstrahlung hochreflektierend an der Oberseite dagegen für beide Strahlungsarten antireflektierend beschichtet. In einem Abstand von etwa 1 -30 mm über dieser Platte befindet sich ein optisches Element 4 aus einem Material, das für die Pumpstrahlung transparent ist und einen Brechungsindex besitzt, der größer als derjenige des umgebenden Mediums (in vorliegendem Beispiel Luft) ist. Die untere Begrenzungsfläche 5 dieses Elements ist eben und so beschichtet, daß sie für für die Pumpstrahlung hochtransparent ist, während die obere Begrenzungsfläche aus nebeneinander in Serie angeordneten astigmatisch- sphärischen Flächen 6 besteht. Von diesen Flächen sind die äußerste rechte 7 und die äußerste linke 7 hochtransparent die übrigen dagegen hochreflektierend für die Pumpstrahlung. Die astigmatisch-sphärischen Flächen 7 bilden somit mit der Fläche 5 zwei Linsen. Durch diese werden die aus den Wellenleitern 8 austretenden Pumpstrahlen auf die Platte 1 fokussiert, wobei der Mittelstrahl mit der Platte 1 einen Winkel bildet, der etwa dem halben Öffhungswinkel des aus dem Wellenleiter austretenden Strahls entspricht. Sodann werden die Pumpstrahlen an der Unterseite 3 der Platte 1 reflektiert und auf die von rechts bzw. von links am nächsten gelegenen sphärischen Flächen 6 gelenkt. Diese wirken als Hohlspiegel und fokussieren die Pumpstrahlen erneut auf von rechts und links weiter innen gelegene Stellen der Platte, deren Abstand von den beiden ersten Fokalbereichen durch den Auftreffwinkel und den Abstand der Flächen 3 und 5 festgelegt ist. Von dort werden die Pumpstrahlen erneut gegen weiter innen gelegene Flächen 6 gelenkt und so fort. Auf diese Weise werden die Pumpstrahlen zickzackförmig zwischen den Hohlspiegeln 6 und der Fläche 3 hin- und herreflektiert, wobei der Pumpstrahl nach und nach in der Platte 1 absorbiert wird, deren Dicke so gewählt ist, daß diese Absorption nur in den Fokalbereichen der Pumpstrahlung erfolgt. Um den Laserstrahl durch diese Fokalbereiche zu lenken, wird dieser ebenfalls zickzackförmig hin- und herreflektiert, jedoch zwischen den Flächen 3 und 5. Um letzteres zu erreichen ist die Fläche 5 im Bereich der Auftreffstellen des Laserstrahls für letzeren hochreflektierend beschichtet. In den Bereichen, welche den Fokalbereichen der Pumpstrahlung gegenüberliegen, ist die Fläche 5 jedoch für die Laserstrahlung durchlässig, um ein Anschwingen parasitärer Moden zu vermeiden.
Falls die numerische Apertur NA und somit auch der Öffhungswinkel der aus den Wellenleitern austretenden Pumpstrahlen groß ist und sich infolgedessen ein unzweckmäßig flacher Zickzackverlauf des Lasermodes ergeben würde, wird vorgeschlagen, den Bereich zwischen der Platte 1 und der Fläche 5 durch einen Block aufzufüllen, der aus demselben Material wie die Platte besteht, das jedoch undotiert und somit nicht laseraktiv ist. Dadurch wird erreicht, daß die NA des Pumpstrahls in dem besagten Bereich nach der Abbe'schen Sinusbedingung um einen Faktor verringert wird, der dem Brechungsindex des Materials entspricht. Bei Nd: YAG kann dadurch zum Beispiel der Öffhungswinkel des Pumpstrahls um einen Faktor 1 ,82 verkleinert werden, was einen wesentlich steileren Verlauf des Zickzackmodes möglich macht. Durch diese Maßnahme wird außerdem erreicht, daß der Aufbau monolithisch und somit gegenöber Dejustierungen wesentlich unempfindlicher ist.
Eine Weiterbildung des eben beschriebenen Laserverstärkersystems besteht darin, daß dieses durch Hinzufügen der Resonatorendspiegel 9 und 10 zu einem Laser vervollständigt wird.
Eine zusätzliche Weiterbildung des Systems besteht darin, daß zum Zweck der Frequenzverdopplung oder Verdreifachung ein oder mehrere nichtlineare optische Elemente 1 1 oder oder andere optische Funktionslelemente in den Strahlengang eingebracht werden.
Fig. 2. zeigt das Schemabild eines Ausführungsbeispiels, bei dem das Laserverstärkersystem durch Spiegel 12 und 13 so ergänzt wird, daß ein Ringresonator entsteht. Vorteil dieser Anordnung ist, daß das bei einem Resonator mit Endspiegeln auftretende sog. „spatial hole-bourning" vermieden wird. Das Element 21 stellt eine optische Diode dar.
Fig. 3. zeigt das Schemabild eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Platte 1 in einzelne kleine Plättchen 14 aufgeteilt ist, die durch eine Trägeφlatte 15 gehalten werden. Letztere wird bevorzugt aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit erstellt, um auch die seitlichen Flächen der Plättchen zu kühlen. Vorteil dieser Anordnung ist, daß eine geringere Menge des teueren laseraktiven Materials benötigt wird. Außerdem kann bei der Herstelllung der kleinen Plättchen eine größere optische Homogenität garantiert werden.
Als zusätzliche Weiterbildung wird vorgeschlagen, das laseraktive Material abhängig von dessen Wärmeleitfähigkeit auch an der Oberseite zu kühlen, wie dies in Fig. 3. dargestellt ist.
Weiter wird vorgeschlagen, abhängig von den Materialeigenschaften das System dahingehend zu vereinfachen, daß auf die direkte Flüssigkeitskühlung des laseraktiven Materials verzichtet wird. Fig. 4. zeigt das Schemabild eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Plättchen 14 an der Unterseite in wärmeleitenden Kontakt mit einer Trägeφlatte 16 gebracht sind, die von Kühlkanälen 17 durchzogen ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird einerseits erreicht, daß das laseraktive Material dünn gehalten werden kann und die Wärmeableitung unmittelbar an den Absoφtionsstellen des Pumpstrahls nahezu über die gesamte Oberfläche der Platte 1 bzw. der Plättchen 14 erfolgen kann. Gleichzeitig wird vermieden, daß die Absoφtion der gesamten Pumpleistung in einem zusammenhängenden Volumenbereich erfolgt, der deshalb schwer zu kühlen ist. wie dies bei herkömmlichen frontal gepumpten Lasersystemen der Fall ist. Letzteres gilt auch für die bereits erwähnte Europäische Patentanmeldung 0 632 551 AI, wenn auch hier die Absoφtion in einem sehr kleinen Volumenbereich erfolgt. Praktisch wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Temperaturgradient und damit auch die Temperatur in den Plättchen gegenüber der 0 632 551 AI um einen Faktor gesenkt, welcher der Anzahl der durchstrahlten Fokalbereiche entspricht. Dies ist inbesondere im Falle von 3- Niveau oder Quasi-3 -Niveau Lasern von entscheidender Bedeutung für die Effizienz der Leistungsumwandlung, da hier das untere Laserniveau thermisch besetzt ist. Außerdem läßt sich die Anordnung der Reflexionsspiegel in emer Reihe technisch leichter realisieren und justieren als deren räumliche Anordnung, wie sie z. B.in Fig. 28 der Schrift 0 632 551 AI benutzt wird. Auf die thermische Linsenwirkung des laseraktiven Materials wird bewußt nicht verzichtet, wie dies im Hauptanspruch und in der Beschreibung Absatz 3 der Schrift 0 632 551 AI ausdrücklich durch die Forderung geschieht, daß sich das Laserstrahlungsfeld nahezu parallel zum Temperaturgradienten ausbreiten soll. Im Gegenteil, es ist vorgesehen, die in der Platte 1 bzw. den Plättchen 14 durch die Pumpstrahlung, die thermische Dispersion des Brechungskoeffizienten und die thermische Verformung induzierte thermische Linse und deren fokussierende Wirkung auf den Laserstrahl und dessen Durchmesser so anzupassen, daß innerhalb der Fokalbereiche eine optimale Überlappung zwischen dem Pump- und dem Laserstrahl bzw. dem transversalen Grundmode des Resonators erreicht wird. Diese Anpassung wird durch die Wahl der Dicke und des Absoφtionskoeffϊzienten der Platte bzw. der Plättchen erreicht, was bei der vorliegenden Anordnung eine sehr feine Abstimmung ermöglicht. Die Benutzung der thermischen Linsenwirkung hat den Vorteil, daß die Flächen 3 und 5, zwischen denen der Laserstrahl hin- und herreflektiert wird, exakt eben ausgebildet werden können, wodurch der Justieraufwand erheblich reduziert wird. Sollte für gewisse Lasermaterialien die fokussierende Wirkung der thermischen Linsen nicht ausreichen, so wird vorgeschlagen diese durch die Benutzung gewölbter anstatt ebener Resonatorspiegel 9 und 10 bzw. 12 und 13 zu verstärken. Sollte eine weitere Bündelung des Laserstrahls notwendig sein, so wird vorgeschlagen, die Reflexionsflächen 3 und 5 im Bereich der Auftreffstellen des Laserstrahls in geeigneter Weise zu wölben, um auf diese Weise eine zusätzliche fokussierende Wirkung auf den Laserstrahl auszuüben.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der zwei entsprechend Fig. 1 ausgebildete Laserverstärkersysteme zu einem Laser mit Frequenzverdopplung zusammengekoppelt sind. Das System ist in der Lage, mit Hilfe derzeit zur Verfügung stehenden Laserdioden etwa 40 bis 50 Watt Ausgangsleistung zu liefern.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der sechs der oben beschriebenen Systeme gekoppelt sind. Von diesen ist das System links oben mit Hilfe der Spiegel 18 und 19 als Laser ausgebildet, die übrigen arbeiten als Laserverstärker, indem sie den durch den Spiegel 19 ausgekoppelten Strahl verstärken. Dies hat den Vorteil, daß sich der Justieraufwand der Anordnung reduziert, da der Strahl nicht die gesamte Anordnung mehrfach durchläuft wie bei einer Resonatoranordnung. Die Führung des aus dem als Laser arbeitenden Teilsystem austretenden Strahls erfolgt in den Festköφerlementen 14 durch die induzierten thermischen Linsen und durch den Strahlführungseffekt durch Verstärkung (gain guiding effect) . Auf diese Weise arbeiten die nachgeschalteten Verstärkersysteme ähnlich wie gefaltete Linsenwellenleiter, mit den bekannten strahlführenden Eigenschaften. Die Zahl der nachgeschalteten Verstärkersysteme ist also praktisch nicht begrenzt. Durch die in Fig. 6. gewählte spiegelbildliche Anordnung der Verstärkersysteme wird eine gemeinsame Kühlung 2 der laseraktiven Festköφer ermöglicht. Die oberen und die unteren Verstärkersysteme sind durch den Umlenkspiegel 20 aneinander gekoppelt. Alternativ wird vorgeschlagen die Ankopplung mit Hilfe eines Wellenleiters durchzuführen. Letzteres empfiehlt sich, wenn mehrere Einheiten von zusammengefaßten Subsystemen aneinandergekoppelt werden. Es wird erwartet, daß mit einer derartigen Anordnung 60 - 90 % der Diodenleistung in Laserleistung umgewandelt werden können. Bei einer Ankopplung von 100 Dioden sollte also im Grundmodebetrieb eine Ausgangsleistung von 1 kW möglich sein, wobei eine derartige Anordnung ohne die Diodenlaser in einem Volumen von 10 bis 20 cm3 untergebracht werden könnte.

Claims

Patentansprüche
1. Laserverstärkersystem mit laseraktivem Festköφermaterial, das durch Pumplichtquellen gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Pumpstrahlen mit Hilfe von Spiegeln oder anderen optischen Hilfsmitteln so geführt werden, daß jeder einzelne Pumpstrahl mehrmals auf unterschiedliche Stellen des Festköφermaterials fokussiert wird, wobei letzteres in Form eines zusammenhängenden oder getrennter Festköφer vorliegt, die so gestaltet sind, daß der Pumpstrahl in den Fokalbereichen und nur in diesen absorbiert wird, wodurch letztere optisch gepumpt werden, und daß der Laserstrahl so umgelenkt und geführt wird, daß er all diese Fokalbereiche durchstrahlt und auf diese Weise verstärkt wird.
2. Laserverstärkersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Pumpstrahlen durch Hohlspiegel 6 oder Linsen 7, deren optische Achsen in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind, auf eine senkrecht zu deren Achsen angeordete reflektierende Fläche 3 fokussiert wird, wobei der Auftreffwinkel so gewählt wird, daß der Pumpstrahl zickzackförmig zwischen den Hohlspiegeln und besagter Fläche hin- und herreflektiert wird und durch das in den Fokalbereichen befindliche laseraktive Material absorbiert wird.
3. Laserverstärkersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Begrenzungsflächen des laseraktiven Materials mit der reflektierenden Fläche 3 zusammenfällt.
4. Laserverstärkersystem nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl zwischen zwei parallel angeordneten reflektierenden Flächen zickzackförmig hin- und herreflektiert wird.
5. Laserverstärkersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Reflexionsflächen für den Laserstrahl mit der Reflexionsfläche 3 für die Pumpstrahlen identisch ist.
6. Laserverstärkersystem nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Reflexionsfläche 5 für den Laserstrahl zwischen der ersten Reflexionsfläche 3 und den fokussierenden Elementen 6 befindet und daß diese zweite Reflexionsfläche für das Pumplicht hochtransparent ist.
7. Laserverstärkersystem nach Ansprüchen 4 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlspiegel 6 und die Reflexionfläche 5 in ein optisches Bauelement 4 integriert sind, indem sie Begrenzungsflächen dieses Elements bilden.
8. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Fasern 8 austretende Pumpstrahlung durch Linsen 7 auf die Fläche 3 fokussiert wird, diese durchstrahlt und dann durch die Hohlspiegel 6 mehrmals auf die Fläche 3 zurückfokussiert wird.
9. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Festköφer aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
10. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Festköφer als Plättchen in oder auf einer gemeinsamen Trägeφlatte positioniert sind.
1 1. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen oder Festköφer aus dotiertem laseraktivem Material an einen Block aus undotiertem Lasermaterial angesprengt werden, welcher sich zwischen diesen und den fokussierenden Elementen (6) und (7) befindet.
12. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Festköφer an einer oder mehreren Begrenzungsflächen durch ein strömendes Medium gekühlt werden oder daß die Kühlung durch Kontakt zu einem anderen Festköφer mit hoher Wärmeleitfähigkeit erfolgt.
13. Laserverstärkersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokalbereiche des Pumplichts unmittelbar an die gekühlten Begrenzungsflächen angrenzen.
14 Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Festköφer unterschiedlich dick oder unterschiedlich dotiert sind, mit dem Zweck, daß letztere unabhängig von der Reihenfolge, mit der sie von dem Pumpstrahl durchstrahlt werden, einen gleich großen Anteil der Pumpstrahlung absorbieren.
15. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche 5 für den Laserstrahl letzteren nur in den Bereichen reflektiert, welche dessen Auftreffstellen unmittelbar umgeben und daß insbesondere die Bereiche, welche den Fokalbereichen bzgl. der Reflexionsfläche 5 senkrecht gegenüberliegen für den Laserstrahl transparent sind oder diesen absorbieren, um ein Anschwingen von parasitären Moden zu verhindern.
16. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Linsen, welche in den Bereichen entstehen, auf die das Pumplicht fokussiert wird, so bemessen werden, daß sie für eine StraWführung geeignet sind, was durch die Wahl der Dicke des Festköφermaterials, der Intensität des ankommenden Pumplichts, des Absoφtionskoeffizienten für das Pumplicht, oder durch entsprechende Gestaltung der Kühlanordnung geschieht.
17. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses durch Endspiegel so ergänzt wird, daß ein optischer Resonator entsteht.
18. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dieses durch Spiegel so ergänzt wird, daß ein Ringresonator entsteht.
19. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehenden thermischen Linsen so bemessen werden, daß nur der transversale Grundmode des Resonators anschwingt.
20. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang ein Material zur Frequenzverdopplung oder Verdreifachung eingebracht wird.
21. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Pumplichts über Glasfasern erfolgt.
22. Laserverstärkersystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Systeme mit Hilfe von Spiegeln oder anderen Hilfsmitteln optisch zusammengeschaltet werden.
23. Laserverstärkersystem nach Anspruch 17 oder 18 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß nur eines der zusammengeschalteten Verstärkersysteme als Laser ausgebildet ist, währen die übrigen den aus diesem Laser austretenden Strahl verstärken.
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