WO2001022541A1 - Diodengepumpter laser mit interner frequenzverdopplung - Google Patents

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WO2001022541A1
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diode
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resonator
pumped
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Günter HOLLEMANN
Wolfram Mendler
René BEILSCHMIDT
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Jenoptik Aktiengesellschaft
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    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping

Definitions

  • the invention relates to a diode-pumped laser with internal frequency doubling, in which a solid within a laser resonator as an active medium with a temperature gradient directed essentially parallel to the resonator axis and arranged downstream of this in the beam path, a nonlinear optical crystal for converting laser radiation of a basic laser wavelength into laser radiation other wavelength are provided.
  • laser resonators operate either in multimode (> 100) or in single-mode operation.
  • US 5 446 749 provides a laser arrangement with a particularly long resonator.
  • the excitation of many longitudinal modes results in amplitude-stable operation.
  • the output power of the laser cannot be adjusted via the diode current due to the strong thermal lens that forms in the laser crystal rod used, since a power fluctuation occurs in the generated second harmonic at the beginning of the power setting.
  • the particularly long resonator leads to large dimensions of the laser produced in this way and is associated with high costs.
  • such a laser crystal is attached to a solid cooling element with a surface directed perpendicular to the direction of laser propagation. This creates a temperature gradient in the crystal, which is predominantly parallel to the laser axis, which greatly reduces the formation of a disturbing thermal lens.
  • the laser described uses a long resonator (approx. Im) with an uncritically temperature-phase-adjusted LBO crystal as a nonlinear optical crystal.
  • the single-mode operation is forced in a known manner in that etalons and birefringence filters are placed in the resonator to reduce the number of longitudinal modes. These are expensive, very sensitive to adjust and cause internal losses in the resonator, which reduces the effectiveness of the laser to the specified 15.5%.
  • the object of the invention is to avoid disruptive power fluctuations in the laser radiation generated with the aid of the nonlinear optical crystal at the start of the power setting with a simple and therefore inexpensive structure, without the fact that power-reducing elements in the resonator and thermal effects have a negative effect on the laser behavior.
  • a diode-pumped laser with internal frequency doubling in which a solid within a laser resonator as a laser-active medium has a temperature gradient that is mainly parallel to the resonator axis and is arranged downstream of it in the beam path, a nonlinear optical crystal for converting laser radiation of a basic laser wavelength into laser radiation another wavelength are provided in that the conversion of laser radiation of the fundamental laser wavelength into laser radiation of the other wavelength is carried out with less effectiveness than is necessary to achieve a maximum power of the converted laser radiation.
  • the formation of the laser-active medium as a disk-shaped solid with low amplification and a predominant temperature gradient in the direction of the resonator axis has the effect that the disruptive effect of a thermal lens on the mode distribution is already greatly reduced.
  • a remaining residual effect of a thermal lens forming in the laser-active medium despite the temperature gradient predominantly oriented parallel to the resonator axis is eliminated in that its focal length is set larger than the resonator length.
  • the disk laser principle is not used in the present invention to achieve the highest beam qualities for high-power lasers in continuous wave mode.
  • the property of the stability of the thermal lens is used in the event of changes in the pump power, both for the large dynamic range, that is to say for stable operation at very low powers of approximately 20 mW, but also at very high powers of about 4 W, as well as for the switchability (switch-on process).
  • the beam quality of the laser radiation generated with the aid of the nonlinear optical crystal is characterized by a diffraction index M 2 between one and ten.
  • Nonlinear optical crystals can be used as nonlinear optical crystals. It is advantageous to use an LBO crystal with a crystal length of 2 mm - 10 mm, by means of which a frequency doubling with critical angular phase adjustment is generated, which additionally has a positive effect on the low conversion effectiveness to be used.
  • KTP crystals with type II critical angle phase adjustment and a crystal length of 1 mm - 5 mm or LBO crystals with type I non-critical temperature phase adjustment and a crystal length of 2 mm - 10 mm can also be used.
  • the laser resonator is advantageously folded and pointed by a folding mirror which serves as an uncoupling mirror a resonator axis, which is directed to avoid astigmatism at an angle of incidence of less than 10 ° on the folding mirror.
  • a pump arrangement with at least one laser diode row is recommended, which either has a
  • Fiber optic is coupled or the pump radiation is transmitted with a free beam optics.
  • an end face of the optically nonlinear crystal directed away from the interior of the resonator is provided with a second harmonic highly reflective dielectric coating for the laser fundamental wave and for the second harmonic generated by the nonlinear optical crystal in order to form a resonator end mirror.
  • Nd YV0 4 with an Nd doping of 0.5% - 2%
  • Nd YAG- with an Nd doping of 0.5% - 1.5%
  • NdrYALO, Nd: YLF or Nd: LSB crystals can also be used.
  • a compact and inexpensive structure in which amplitude-stable output powers with fluctuations of at most 5% can be achieved.
  • Laser output power is in the range of 10 mW to 4 W via the diode current and a rectangular pulse duration between 10 ms and continuous wave can be set, ie a preselected output power can be achieved in about 1 ms.
  • a high overall effectiveness is achieved by the small number of internal elements leading to losses. Due to the avoidance of strong thermal effects, the solution according to the invention is also suitable for higher laser output powers, as z. B. are required for applications in dermatology.
  • Fig. 1 shows a first laser structure
  • Fig. 2 shows the relationship between the conversion efficiency in frequency conversion using the nonlinear crystal and the power to be achieved of the converted laser radiation
  • Fig. 3 shows a typical laser characteristic for a laser according to the invention
  • Fig. 4 shows a pulse shape comparison between the diode current used for power control and the
  • Fig. 5 shows a second laser structure
  • the laser structure shown in FIG. 1 contains an Nd: YV04 laser crystal 1 in the form of an active medium in the resonator, the dimensions of which are (0.4 mm ⁇ 4 mm ⁇ 4 mm), the smallest of which is 0.4 mm towards the Xi-Xi resonator axis extends.
  • a cooling element on which the laser crystal disc is fixed, with its side directed away from the Resonatorinneren large area and which serves for generating a directed predominantly parallel to the resonator X ⁇ _ X ⁇ temperature gradient in the solid medium.
  • the areas in each of the crystals 1 and 2 that are struck by laser radiation are worked parallel to one another and aligned perpendicular to the resonator axis Xi-Xi.
  • the shortest extension runs in the direction of the resonator axis X1-X 1 , as a result of which a very low degree of conversion of laser radiation of the fundamental wavelength into the second harmonic is achieved by nonlinear coupling.
  • Other ways of adjusting the degree of conversion are determined by the resonator design and by the nonlinear optical crystal with its nonlinear optical coefficients.
  • Fig. 2 illustrates the relationship between this conversion effectiveness ⁇ SHG and the achievable power of the second harmonic P SHG - It becomes clear that the power increases with increasing conversion effectiveness ⁇ SHG (non-linear degree of coupling-out) until an optimal power efficiency P ⁇ 0 p ⁇ AX is reached.
  • a further increase in the conversion effectiveness U ⁇ HG is associated with a reduction in performance.
  • the laser structure becomes considerably smaller Conversion efficiency ⁇ SH G chosen as the optimal conversion efficiency ⁇ 0 p ⁇ , whereby the conversion is placed in a less effective range, in which the ratio of the radiation power of the generated second harmonic to the circulating radiation power of the laser fundamental wave is relatively small.
  • a range of 50% - 90% of the optimal conversion effectiveness ⁇ 0 p ⁇ - should preferably be selected. If this preferred range is undershot even further, the nonlinear dynamics become increasingly benign, but the performance of the second harmonic is too low.
  • a concave coupling-out mirror 3 is used to couple out the second harmonic generated in the green spectral range by the non-linear optical crystal 2 by halving the fundamental wavelength of 1064 nm
  • the radius of curvature is selected such that the desired beam waists are set in both crystals 1 and 2.
  • the coupling-out mirror 3 is designed to be highly reflective for 1064 nm and highly transmissive for 532 nm.
  • the fundamental wave generated by the Nd: YV0 4 crystal 1 has a polarization direction 4 which encloses an angle of 45 ° with the polarization direction 5 of the second harmonic which runs in the horizontal.
  • the phase adjustment angle can be adjusted by rotating the Type II phase-matched KTP crystal 2 with the crystallographic z axis of the nonlinear crystal arranged vertically Resonator level can be set about an axis YY vertical to the resonator level.
  • a pump arrangement is provided for pumping the Nd: YV0 4 crystal 1, in which laser diode pump radiation is directed onto the crystal 1 via a fiber optic 6 with the aid of a concave mirror 7.
  • the mirror 7 and another concave mirror 8 are arranged such that a total of 4 passes of the pump radiation through the disk-shaped crystal 1 are made possible.
  • the pump power density must be selected so that the focal length of a thermal lens, which forms mainly parallel to the resonator axis X1-X 1 , becomes significantly larger for all pump powers than the resonator length. As a result, the resonator mode and also the output power are only influenced to a small extent. Suitable pump power densities are e.g. B. below 1.5 kW / cm 2 , developing thermal lenses should have focal lengths of z. B. 1 - 4 m with a resonator length of 100 mm.
  • a possible resonator length of 50 to 250 mm For example, a length of 200 mm is selected, which is limited by a highly reflective coating on the large-area side of the laser crystal disk connected to the cooling element and the concave coupling-out mirror 3.
  • the output power P SHG of the laser according to the invention has the profile shown in FIG. 4. It becomes clear that disruptive power fluctuations at the beginning of the power setting are eliminated with the aid of the diode current also shown of the laser diode used for pumping.
  • a V-shaped folded laser resonator is used with a folding mirror 9 serving as a decoupling mirror and an end mirror 10, which in turn contains the only element inside the resonator that is a non-linear optical crystal 11, here an LBO crystal.
  • the resonator axis X 2 -X 2 is also directed perpendicularly to crystal surfaces of the crystals 11 and 12 which are worked parallel to one another.
  • the laser-active medium 12 is similar in its nature and its construction to the embodiment according to FIG. 1, with the fact that the invention is not limited to an Nd: YV0 4 laser crystal.
  • Nd YV0 4 with an Nd doping of 0.5% - 2%
  • Nd YAG (doping 0.5% -l, 5%)
  • Nd YA10
  • Nd YLF or Nd : Be called LSB.
  • the pump arrangement in this laser construction consists of at least one laser diode line 15, the laser radiation of which is usually used by optical imaging elements, such as a cylindrical collimation lens 16 acting perpendicular to the plane of the pn junction and an aspherical one Lens 17 is directed to the crystal 11.
  • a spherical mirror 18 is arranged in a suitable manner in such a way that the pump radiation is reflected back into itself after it emerges from the crystal 11.
  • the elliptical pump focus is set with such a large radius as is required to set a beam quality with a short resonator of 50 mm - 250 mm in length, which is characterized by a diffraction index of M 2 ⁇ 5.
  • M 2 diffraction index
  • the critically phase-adjusted LBO crystal should have a length of 2 mm to 10 mm, which results in a low non-linear coupling of the frequency-doubled radiation from the laser fundamental wave and consequently low non-linear fluctuations in the laser output power. It is also possible to design the nonlinear optical crystal as a thin disk analogously to disk laser technology.
  • the nonlinear optical crystal 11 on its end face is also possible to design the nonlinear optical crystal 11 on its end face to be highly reflective for the laser fundamental wave and the second harmonic by using a dielectric coating.
  • a resonator with an internal lens can also be used or a simple linear two-mirror resonator which is dimensioned in such a way that optimal beam waists arise simultaneously in the laser crystal and in the nonlinear optical crystal, the laser crystal also being used as Folding mirror can serve.
  • the end surfaces of the optically active elements of the resonator can also be designed as imaging surfaces.

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Abstract

Bei einem diodengepumpten Laser mit interner Frequenzverdopplung besteht die Aufgabe, störende Leistungsschwankungen bei der mit Hilfe des nichtlinearen optischen Kristalls erzeugten Laserstrahlung zu Beginn der Leistungseinstellung mit einem einfachen und damit preisgünstigen Aufbau zu vermeiden, ohne dass sich leistungsmindernde Elemente im Resonator und thermische Effekte negativ auf das Laserverhalten auswirken. Der Laser enthält als laseraktives Medium einen Festkörper mit einem vorwiegend parallel zur Resonatorachse gerichteten Temperaturgradienten. Die Umwandlung von Laserstrahlung einer Laser-Grundwellenlänge in Laserstrahlung einer anderen Wellenlänge erfolgt durch einen nichtlinearen optischen Kristall mit einer geringeren Effektivität, als diese zum Erreichen einer maximalen Leistung der umgewandelten Laserstrahlung notwendig ist. Der Laser ist insbesondere für medizinische Zwecke verwendbar, wie. z. B. im Bereich der Ophthalmologie zur Koagulation der Retina aber auch im Bereich der Dermatologie.

Description

Diodengepumpter Laser mit interner Frequenzverdopplung
Die Erfindung betrifft einen diodengepumpten Laser mit interner Frequenzverdopplung, bei dem innerhalb eines Laserresonators als aktives Medium ein Festkörper mit einem im wesentlichen parallel zur Resonatorachse gerichteten Temperaturgradienten und diesem im Strahlengang nachgeordnet, ein nichtlinearer optischer Kristall zur Umwandlung von Laserstrahlung einer Laser- Grundwellenlänge in Laserstrahlung einer anderen Wellenlänge vorgesehen sind.
Ein derartiger Laser ist beispielsweise nach [S. Erhard et al . , Trends in Optics and Photonics Vol. 26, Advanced Solid-State Lasers, Martin M. Fejer, Hagop Injeyan, and
Ursula Keller, eds . (Optical Society of America, Washington DC 1999), pp . 38-44] bekannt.
Die Umwandlung von Laserstrahlung einer Lasergrundwellenlänge in eine Laserstrahlung mit einer anderen Wellenlänge, wie z.B. die Erzeugung der zweiten Harmonischen mit Hilfe eines nichtlinearen optischen Kristalls ist aus verschiedenen prinzipiellen Gründen mit Problemen einer nichtlinearen Dynamik behaftet, woraus ein instabiles Verhalten der Ausgangleistung resultiert.
Die Ursache für solche Instabilitäten sind von verschiedener Natur.
So führt die nichtlineare Kopplung der Lasermoden durch nichtlineare optische Prozesse im
Frequenzverdopplerkristall zu Leistungsfluktuationen des Lasers, dem sogenannten "green problem",[T. Baer, J. Opt. Soc. Am. B3, 1175(1986)]. Der Aufbau von thermischen Linsen m Laserkristall und im Frequenzverdopplerkπstall (KTP-Kπstall) fuhrt beim Einschalten zu einer komplexen Antwort der Ausgangsleistung als Funktion des Diodenstroms, da die thermische Linse die Lasermode im Resonator beemflusst und damit die Effektivität der Frequenzverdopplung, die von der Intensität des Laserfeldes im Frequenzverdopplerkristall abhangt. Dies verhindert eine Stellbarkeit der Leistung über den Diodenstrom.
Die vom Stand der Technik angebotenen technischen Losungen losen nur Teilprobleme, ohne den Erfordernissen in ihrer Gesamtheit gerecht zu werden.
Zur Erzeugung stabiler Laserausgangsleistungen ist es bekannt, Laserresonatoren entweder im Vielmoden- (>100) oder im Einmodenbetrieb arbeiten zu lassen.
Die US 5 446 749 sieht eine Laseranordnung mit besonders langem Resonator vor. Durch die Anregung vieler longitudmaler Moden wird ein amplitudenstabiler Betrieb erzielt. Die Ausgangsleistung des Lasers ist aufgrund der sich ausbildenden starken thermischen Linse m dem verwendeten Laserkristallstab nicht über den Diodenstrom stellbar, da zu Beginn der Leistungseinstellung eine Leistungsschwankung bei der erzeugten zweiten Harmonischen auftritt. Der besonders lange Resonator fuhrt zu großen Abmessungen des derart hergestellten Lasers und ist mit einem hohen Kostenaufwand verbunden.
Für den Einmodenbetrieb ist es bekannt [S. Erhard et al . , Trends in Optics and Photonics Vol. 26, Advanced Solid- State Lasers, Martin M. Feier, Hagop In eyan, and Ursula Keller, eds . (Optical Society of America, Washington DC 1999), pp. 38-44], die zweite Harmonische durch interne Frequenzverdopplung in einem Resonator eines sogenannten Yb: YAG-Scheibenlasers zu erzeugen, bei dem das verwendete laseraktive Festkörpermedium die Form einer dünnen Scheibe aufweist, deren Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (Laserachse) im Verhältnis zu den anderen Abmaßen stark reduziert ist. Gemäß der DE 43 44 227 AI wird ein solcher Laserkristall mit einer senkrecht zur Laserausbreitungsrichtung gerichteten Fläche an einem massiven Kühlelement befestigt. Dadurch entsteht im Kristall ein zur Laserachse vorwiegend paralleler Temperaturgradient, wodurch die Ausbildung einer störenden thermischen Linse stark reduziert wird. Der beschriebene Laser verwendet einen langen Resonator (ca. Im) mit einem unkritisch temperatur-phasenangepassten LBO-Kristall als nichtlinearen optischen Kristall. Der Einmodenbetrieb wird in bekannter Weise dadurch erzwungen, dass zur Reduzierung der Anzahl der longitudinalen Moden Etalons und Doppelbrechungsfilter in den Resonator gestellt sind. Diese sind teuer, sehr empfindlich zu justieren und verursachen resonatorinterne Verluste, wodurch sich die Effektivität des Lasers auf die angegebenen 15,5% verringert . Zwar erzeugt die technische Lösung eine stabile Laserleistung, doch kann auch diese nicht ohne Anfangsstörungen variiert werden. Ein steuerbarer Impulsbetrieb mit Impulslängen im Millisekundenbereich bis hin zu Dauerstrich, wie er für den medizinischen Einsatz, z. B. für Koagulationsbehandlungen am menschlichen Auge, zur Verfügung stehen muss, ist mit einer solchen Lösung nicht realisierbar. Auch die langen Resonatorabmessungen wirken sich störend für eine derartige Verwendung aus. Eine weitere Lösung wird in Form eines sogenannten Mikrochiplasers mit geringer Resonatorlänge und resonatorinternem nichtlinearen Kristall in der US 5 511 085 vorgestellt. Wahrend ein Endpumpen die Zahl der transversalen Moden bereits begrenzt, reduzieren resonatorinterne Etaloneffekte das longitudinale Modenspektrum durch zusatzliche Beschichtungen auf dem Laserkristall oder dem nichtlinearen Kristall weiter. Starke thermische Effekte beanspruchen in erhöhtem Maße die optischen Elemente, begrenzen die Laserausgangsleistung und beschranken dadurch die Anwendungsbreite des Lasers. Auch die Justage der Anordnung ist dadurch erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, störende Leistungsschwankungen bei der mit Hilfe des nichtlinearen optischen Kristalls erzeugten Laserstrahlung zu Beginn der Leistungseinstellung mit einem einfachen und damit preisgünstigen Aufbau zu vermeiden, ohne dass sich leistungsmindernde Elemente im Resonator und thermische Effekte negativ auf das Laserverhalten auswirken.
Die Aufgabe wird durch einen diodengepumpten Laser mit interner Frequenzverdopplung gelost, bei dem innerhalb eines Laserresonators als laseraktives Medium ein Festkörper mit einem vorwiegend parallel zur Resonatorachse gerichteten Temperaturgradienten und diesem im Strahlengang nachgeordnet, ein nichtlinearer optischer Kristall zur Umwandlung von Laserstrahlung einer Laser- Grundwellenlange in Laserstrahlung einer anderen Wellenlange vorgesehen sind, indem die Umwandlung von Laserstrahlung der Laser-Grundwellenlange in Laserstrahlung der anderen Wellenlange mit einer geringeren Effektivität erfolgt, als diese zum Erreichen einer maximalen Leistung der umgewandelten Laserstrahlung notwendig ist. Die Effektivität der Umwandlung kann im wesentlichen durch die Längenabmessungen des nichtlinearen optischen Kristalls entlang der Resonatorachse eingestellt werden und sollte in einen Bereich von 50% - 90% der Effektivität gelegt sein, bei der die maximale Leistung der umgewandelten Laserstrahlung erreichbar ist. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen wird mit einem kompakten kurzen Resonator gearbeitet, in dem einige wenige Moden erzeugt werden und bei dem auf zusätzliche modenselektive Elemente verzichtet wird. Bekannterweise würde eine solche Maßnahme nicht zu einer stabilen Ausgangsleistung bei resonatorinterner Frequenzverdopplung führen. Diese Stabilität wird erst durch die geringe Umwandlungseffektivität mittels des in besonderer Weise ausgeführten nichtlinearen Kristalls erreicht.
Die Ausbildung des laseraktiven Mediums als scheibenförmiger Festkörper mit geringer Verstärkung und einem vorwiegenden Temperaturgradienten in Richtung der Resonatorachse bewirkt, dass die störende Wirkung einer thermischen Linse auf die Modenverteilung bereits stark herabgesetzt ist. Eine verbleibende Restwirkung einer sich in dem laseraktiven Medium trotz des vorwiegend parallel zur Resonatorachse gerichteten Temperaturgradienten ausbildenden thermischen Linse wird dadurch eliminiert, dass deren Brennweite größer eingestellt ist als die Resonatorlänge .
Das Scheibenlaserprinzip wird bei der vorliegenden Erfindung nicht dazu verwendet, höchste Strahlqualitäten für Hochleistungslaser im Dauerstrichbetrieb zu erzielen. Hier wird die Eigenschaft der Stabilität der thermischen Linse bei Änderungen der Pumpleistung ausgenutzt, die sowohl für den großen dynamischen Bereich, das heißt einen stabilen Betrieb bei sehr kleinen Leistungen von etwa 20 mW, aber auch bei sehr hohen Leistungen von etwa 4 W, als auch für die Schaltbarkeit (Einschaltvorgang) erforderlich ist .
Die Strahlqualität der mit Hilfe des nichtlinearen optischen Kristalls erzeugten Laserstrahlung ist durch eine Beugungsmaßzahl M2 zwischen eins und zehn charakterisiert .
Als nichtlineare optische Kristalle können verschiedene Kristallarten verwendet werden. Vorteilhaft ist der Einsatz eines LBO-Kristalls mit einer Kristalllänge von 2 mm - 10 mm, durch den eine Frequenzverdopplung mit kritischer Winkel-Phasenanpassung erzeugt wird, was sich zusätzlich positiv auf die zu verwendende geringe Umwandlungseffektivität auswirkt .
Verwendet werden können auch KTP-Kristalle mit Typ II kritischer Winkel-Phasenanpassung und einer Kristalllänge von 1 mm - 5 mm oder LBO-Kristalle mit Typ I nichtkritischer Temperatur-Phasenanpassung und einer Kristalllänge von 2 mm - 10 mm.
Mit der Verkürzung der Kristalllänge tritt beim KTP- Kristall ein gleichartiger Effekt auf wie bei dem scheibenförmigen Laserkristall, indem eine sich ausbildende thermische Linse in ihrer Wirkung geschwächt ist. Außerdem ist damit der Vorteil einer geringen Justageempfindlichkeit verbunden, wodurch auch eine kostengünstige Montage resultiert. Die Temperaturempfindlichkeit und die Minimierung der Absorptionsverluste sind weitere Eigenschaften kurzer Frequenzverdopplerkristalle, die zu Kostenvorteilen führen.
Vorteilhafterweise ist der Laserresonator durch einen als Auskoppelspiegel dienenden Faltspiegel gefaltet und weist eine Resonatorachse auf, die zur Vermeidung von Astigmatismus unter einem Einfallswinkel von weniger als 10° auf den Faltspiegel gerichtet ist.
Zum Pumpen empfiehlt sich eine Pumpanordnung mit mindestens einer Laserdiodenzeile, die entweder mit einer
Faseroptik gekoppelt ist oder deren Pumpstrahlung mit einer Freistrahloptik übertragen wird.
Vorteilhaft ist es auch, wenn eine vom Resonatorinneren weggerichtete Endfläche des optisch nichtlinearen Kristalls zur Ausbildung eines Resonatorendspiegels mit einer für die Laser-Grundwelle und für die durch den nichtlinearen optischen Kristall erzeugte zweite Harmonische hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung versehen ist.
Zur Verringerung von Verlusten sollte die Resonatorachse senkrecht auf parallel zueinander gearbeiteten Kristallflächen des laseraktiven Mediums und des nichtlinearen optischen Kristalls gerichtet sein.
Für das laseraktive Medium sind verschiedene Festkörper, wie Nd:YV04 mit einer Nd-Dotierung von 0,5% - 2 % und Nd:YAG- mit einer Nd-Dotierung 0,5% - 1,5% geeignet.
Verwendet werden können auch NdrYALO-, Nd:YLF- oder Nd:LSB-Kristalle.
Mit der Erfindung ist ein kompakter und kostengünstiger Aufbau zu realisieren, bei dem amplitudenstabile Ausgangsleistungen mit Schwankungen von höchstens 5% erreichbar sind. Über den Diodenstrom sind eine Laserausgangsleistung in einem Bereich von 10 mW bis 4 W und eine Rechteckimpulsdauer zwischen 10 ms und Dauerstrich einstellbar, d. h. eine vorgewählte Ausgangsleistung kann in etwa 1 ms stabil erreicht werden. Eine hohe Gesamteffektivität wird durch die geringe Anzahl von resonatorinternen, zu Verlusten führenden Elementen erreicht. Aufgrund der Vermeidung starker thermischer Effekte ist die Lösung gemäß der Erfindung auch für höhere Laserausgangsleistungen geeignet, wie sie z. B. für Anwendungen in der Dermatologie erforderlich sind.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen ersten Laser-Aufbau
Fig. 2 die Beziehung zwischen der Umwandlungseffektivität bei der Frequenzumwandlung mit Hilfe des nichtlinearen Kristalls und der zu erzielenden Leistung der umgewandelten Laserstrahlung
Fig. 3 eine typische Laser-Kennlinie für einen Laser gemäß der Erfindung
Fig. 4 einen Pulsformenvergleich zwischen dem zur Leistungssteuerung dienenden Diodenstrom und der
Einstellung der Laserausgangsleistung
Fig. 5 einen zweiten Laser-Aufbau
Der in Fig. 1 dargestellte Laser-Aufbau enthält im Resonator als aktives Medium einen als Laserkristallscheibe ausgebildeten Nd: YV04-Laserkristall 1, von dessen Abmessungen (0,4 mm x 4 mm x 4 mm) sich die geringste Abmessung von 0,4 mm in Richtung der Resonatorachse Xi-Xi ausdehnt. Nicht dargestellt ist ein Kühlelement, auf dem die Laserkristallscheibe mit ihrer vom Resonatorinneren weggerichteten großflächigen Seite befestigt ist und das zur Erzeugung eines vorwiegend parallel zur Resonatorachse Xι_Xι gerichteten Temperaturgradienten in dem Festkörpermedium dient. Als Frequenzvervielfacherelement ist in dem Resonator als einziges resonatorinternes Element ein nichtlinearer optischer Kristall 2 in Form eines KTP-Kristalls mit Typ II kritischer Winkelphasenanpassung angeordnet, dessen Abmessungen 2 mm x 3 mm x 3 mm betragen. Zur Verringerung von Verlusten sind die Flächen in jedem der Kristalle 1 und 2, auf die Laserstrahlung auftrifft, parallel zueinander gearbeitet und senkrecht zur Resonatorachse Xi- Xi ausgerichtet.
Auch bei dem nichtlinearen optischen Kristall verläuft die kürzeste Ausdehnung in Richtung der Resonatorachse X1-X1, wodurch ein sehr geringer Grad der Umwandlung von Laserstrahlung der Grundwellenlänge in die zweite Harmonische durch nichtlineare Auskopplung erzielt wird. Andere Möglichkeiten, den Grad der Umwandlung einzustellen, sind durch das Resonatordesign und durch den nichtlinearen optischen Kristall mit seinen nichtlinearen optischen Koeffizienten bestimmt. Fig. 2 verdeutlich den Zusammenhang zwischen dieser Umwandlungseffektivität ηSHG und der erzielbaren Leistung der zweiten Harmonischen PSHG- Es wird deutlich, dass die Leistung mit zunehmender Umwandlungseffektivität ηSHG (nichtlinearer Auskoppelgrad) zunächst steigt bis bei einer optimalen Umwandlungseffektivität η0pτ ein Leistungsmaximum P AX erreicht wird. Eine weitere Steigerung der Umwandlungseffektivität UΞHG ist mit einer LeistungsVerringerung verbunden. Gemäß der Erfindung wird für den Laseraufbau eine erheblich kleinere Umwandlungseffektivitat ηSHG als die optimale Umwandlungseffektivitat η0pτ gewählt, wodurch die Umwandlung in einen weniger effektiven Bereich gelegt wird, bei dem das Verhältnis der Strahlungsleistung der erzeugten zweiten Harmonischen zur umlaufenden Strahlungsleistung der Lasergrundwelle relativ klein ist. Bevorzugt auszuwählen ist ein Bereich von 50% - 90% der optimalen Umwandlungseffektivitat η0pτ- Wird dieser bevorzugte Bereich noch weiter unterschritten, wird zwar die nichtlineare Dynamik immer gutartiger aber die Leistung der zweiten Harmonischen zu gering. Ein derartig gewählter Bereich für die Umwandlungseffektivitat ηΞHG steht zwar im Gegensatz zu der üblichen Verfahrensweise, bei der mit optimaler Umwandlungseffektivitat η0PT gearbeitet wird, so dass bei möglichst geringer Grundwellenleistung eine hohe Leistung PSHG für die zweite Harmonische erzielt wird. Doch lasst sich durch die Maßnahme der Wahl einer niedrigen Umwandlungseffektivitat, insbesondere durch die Verwendung einer kurzen Kristalllange für den nichtlmearen optischen Kristall auch bei höheren Leistungen ein stabiles Laserverhalten erreichen. Die dennoch erzielbare hohe Gesamteffektivitat bei der Umwandlung von optischer Pumpleistung Ppump in optische Ausgangsleistung PSHG des Lasers von über 25% (Fig. 3) liegt darin begründet, dass es mit der Erfindung möglich wird, zu Verlusten fuhrende Elemente aus dem Resonator zu eliminieren. Fig. 3 widerspiegelt eine stetige, zeitlich stabile und exemplarmaßig reproduzierbare, streng monoton steigende Laserkennlinie .
Zur Auskopplung der von dem nichtlmearen optischen Kristall 2 durch Halbierung der Grundwellenlange von 1064 nm erzeugten, im grünen Spektralbereich liegenden zweiten Harmonischen dient ein konkaver Auskoppelspiegel 3, dessen Krümmungsradius so gewählt ist, dass gewünschte Strahltaillen in beiden Kristallen 1 und 2 eingestellt werden. Der Auskoppelspiegel 3 ist hochreflektierend für 1064 nm und hochtransmittierend für 532 nm ausgelegt. Die von dem Nd: YV04-Kristall 1 erzeugte Grundwelle besitzt eine Polarisationsrichtung 4, die mit der in der Horizontalen verlaufenden Polarisationsrichtung 5 der zweiten Harmonischen einen Winkel von 45° einschließt. Da die kristallographische C-Achse, die auch Polarisationsachse ist, in einem Winkel von 45° zur horizontalen Resonatorebene geneigt ist, kann der Phasenanpassungswinkel durch eine Drehung des Typ II phasenangepaßten KTP-Kristalls 2 bei senkrechter Anordnung der kristallographischen z-Achse des nichtlinearen Kristalls zur Resonatorebene um eine zur Resonatorebene vertikale gerichtete Achse Y-Y eingestellt werden. Zum Pumpen des Nd: YV04-Kristalls 1 ist eine Pumpanordnung vorgesehen, bei der Laserdiodenpumpstrahlung über eine Faseroptik 6 mit Hilfe eines konkaven Spiegels 7 auf den Kristall 1 gerichtet ist. Der Spiegel 7 und ein weiterer konkaver Spiegel 8 sind so angeordnet, dass insgesamt 4 Durchgänge der Pumpstrahlung durch den scheibenförmigen Kristall 1 ermöglicht werden. Die Pumpleistungsdichte muss so gewählt werden, dass die Brennweite einer sich trotz des vorwiegend parallel zur Resonatorachse X1-X1 gerichteten Temperaturgradienten bildenden thermischen Linse für alle Pumpleistungen wesentlich größer wird als die Resonatorlänge. Dadurch wird die Resonatormode und auch die Ausgangsleistung nur in geringem Maße beeinflusst. Geeignete Pumpleistungsdichten liegen z. B. unterhalb 1,5 kW/cm2, sich ausbildende thermische Linsen sollten Brennweiten von z. B. 1 - 4 m bei einer Resonatorlänge von 100 mm haben. Von einer möglichen Resonatorlänge von 50 bis 250 mm wurde im vorliegenden Beispiel eine Länge von 200 mm gewählt, die begrenzt wird durch eine hochreflektierende Beschichtung der mit dem Kühlelement verbundenen großflächigen Seite der Laserkristallscheibe und den konkaven Auskoppelspiegel 3. Die Ausgangsleistung PSHG des erfindungsgemäßen Lasers besitzt den in Fig. 4 gezeigten Verlauf. Es wird deutlich, dass störende Leistungsschwankungen zu Beginn der Leistungseinstellung mit Hilfe des ebenfalls dargestellten Diodenstromes der zum Pumpen verwendeten Laserdiode eliminiert sind.
In einer zweiten Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 5 wird ein V-förmig gefalteter Laserresonator mit einem als Auskoppelspiegel dienenden Faltspiegel 9 und einem Endspiegel 10 verwendet, der resonatorintern wiederum als einziges Element einen nichtlinearen optischen Kristall 11, hier einen LBO-Kristall, enthält. Auch die Resonatorachse X2-X2 ist zur Verringerung von Verlusten senkrecht auf parallel zueinander gearbeitete Kristallflächen der Kristalle 11 und 12 gerichtet. Das laseraktive Medium 12 gleicht in seiner Art und seinem konstruktiven Aufbau der Ausführung nach Fig. 1, wobei auch hier gilt, dass die Erfindung nicht auf einen Nd: YV04-Laserkristall beschränkt ist. Für eine Anwendung können neben dem Nd:YV04 mit einer Nd-Dotierung von 0,5% - 2 % beispielhaft auch Nd:YAG (Dotierung 0,5%-l,5%), Nd:YA10, Nd:YLF oder Nd:LSB genannt werden. Mit 13 und 14 sind die Polarisationsrichtungen der Laser-Grundwelle und der zweiten Harmonischen bezeichnet. Die Pumpanordnung bei diesem Laseraufbau besteht aus mindestens einer Laserdiodenzeile 15, deren Laserstrahlung durch üblicherweise zu verwendende optische Abbildungselemente, wie eine senkrecht zur Ebene des p-n-Überganges wirkende zylindrische Kollimationslinse 16 und eine asphärische Linse 17 auf den Kristall 11 gerichtet ist. Letztere ist vorteilhafterweise auf zwei Seiten derart abgeschliffen, dass ein Strahlungseinfallswinkel von 10° - 30 ° auf den Kristall 11 realisiert werden kann. Für einen 3. und 4. Durchgang der Pumpstrahlung durch den Kristall 11 wird ein sphärischer Spiegel 18 in geeigneter Weise so angeordnet, dass die Pumpstrahlung nach ihrem Austritt aus dem Kristall 11 wieder in sich selbst zurückreflektiert wird. Der elliptische Pumpfokus wird mit einem solchen großen Halbmesser eingestellt, wie er erforderlich ist, um bei einem kurzen Resonator von 50 mm - 250 mm Länge eine Strahlqualität einzustellen, die durch eine Beugungsmaßzahl von M2 < 5 charakterisiert ist. Für den Verwendungszweck ausreichend ist es jedoch auch, wenn die Beugungsmaßzahl M2 in einem Bereich von 1 bis 10 liegt. Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Lasers in der Medizin, insbesondere zur Koagulation der Retina, sind Strahlqualitäten erforderlich, bei denen der Applikationsspot durch seine Homogenität einen ausreichend guten Koagulationseffekt erzeugen kann. Gleichfalls muss eine effektive Einkopplung und Auskopplung von mindestens 90 % der erzeugten frequenzverdoppelten Laserstrahlung in eine dem Laserausgang nachgeschaltete nichtvergütete Glasfaser gewährleistet sein. Der kritisch phasenangepasste LBO-Kristall sollte eine Länge von 2 mm bis 10 mm aufweisen, wodurch eine geringe nichtlineare Auskopplung der frequenzverdoppelten Strahlung aus der Laser-Grundwelle und folglich geringe nichtlineare Fluktuationen der Laserausgangsleistung resultieren. Es ist auch möglich, den nichtlinearen optischen Kristall analog der Scheibenlasertechnologie als dünne Scheibe auszubilden.
Obwohl durch die kritische Winkelphasenanpassung zusätzlich eine, gemäß der Erfindung wünschenswerte Herabsetzung der nichtlinearen Umwandlungseffektivität hervorgerufen wird, ist es auch möglich, den LBO-Kristall mit der sonst üblichen unkritischen Temperaturphasenanpassung zu verwenden.
Anstatt der Verwendung eines Endspiegels 10 ist es auch möglich, den nichtlinearen optischen Kristall 11 an seiner Endfläche durch Verwendung einer dielektrischen Beschichtung hochreflektierend für die Lasergrundwelle und die zweite Harmonische auszubilden.
Dem Fachmann ist bekannt, dass alternativ auch ein Resonator mit einer internen Linse verwendet werden kann oder ein einfacher linearer Zwei-Spiegel-Resonator, der so dimensioniert wird, dass optimale Strahltaillen gleichzeitig im Laserkristall und im nichtlinearen optischen Kristall entstehen, wobei der Laserkristall auch als Faltspiegel dienen kann. Es können auch die Endflächen der optisch aktiven Elemente des Resonators als abbildende Flächen ausgeführt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Diodengepumpter Laser mit interner Frequenzverdopplung, bei dem innerhalb eines Laserresonators als laseraktives Medium ein Festkörper mit einem vorwiegend parallel zur Resonatorachse gerichteten Temperaturgradienten und diesem im Strahlengang nachgeordnet, ein nichtlinearer optischer Kristall zur Umwandlung von Laserstrahlung einer Laser- Grundwellenlänge in Laserstrahlung einer anderen Wellenlänge vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung von Laserstrahlung der Laser- Grundwellenlänge in Laserstrahlung der anderen Wellenlänge mit einer geringeren Effektivität (ηsHG) erfolgt, als diese zum Erreichen einer maximalen Leistung (PMAX) der umgewandelten Laserstrahlung notwendig ist.
2. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivität der Umwandlung
(ηsHc) in einen Bereich von 50% - 90% der Effektivität gelegt ist, bei der die maximale Leistung (PMAX) der umgewandelten Laserstrahlung erreichbar ist.
3. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseffektivität (ηSHG) im wesentlichen durch die Längenabmessungen des nichtlinearen optischen Kristalls (2, 11) entlang der Resonatorachse (Xi-Xi, X2-X2) eingestellt ist.
4. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Linse, die sich in dem laseraktiven Medium trotz des vorwiegend parallel zur Resonatorachse (Xi-Xi, X2-X2) gerichteten Temperaturgradienten ausbildet, eine Brennweite aufweist, die größer ist als die Resonatorlänge.
5. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlqualität der mit Hilfe des nichtlinearen optischen Kristalls (2, 11) erzeugten Laserstrahlung durch eine Beugungsmaßzahl M2 zwischen eins und zehn charakterisiert ist.
6. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtlinearer optischer Kristall (11) ein LBO-Kristall mit einer Kristalllänge von 2 mm - 10 mm verwendet wird, durch den eine Frequenzverdopplung mit kritischer Winkel- Phasenanpassung erzeugt wird.
7. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtlinearer optischer
Kristall (2) ein KTP-Kristall mit Typ II kritischer Winkel-Phasenanpassung und einer Kristalllänge von 1 mm - 5 mm dient.
8. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare optische Kristall als LBO-Kristall mit Typ I nichtkritischer Temperatur- Phasenanpassung und einer Kristalllänge von 2 mm - 10 mm ausgebildet ist.
9. Diodengepumpter Laser nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator durch einen als Auskoppelspiegel dienenden Faltspiegel (9) gefaltet ist und eine Resonatorachse (X2-X2) aufweist, die unter einem Einfallswinkel von weniger als 10° auf den Faltspiegel (9) gerichtet ist.
10. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumpanordnung mindestens eine Laserdiodenzeile verwendet wird, die mit einer Faseroptik (6) gekoppelt ist.
11. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumpanordnung mindestens eine Laserdiodenzeile (15) mit einer Freistrahloptik (16, 17) zur Übertragung der Pumpstrahlung verwendet wird.
12. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Resonatorinneren weggerichtete Endfläche des nichtlinearen optischen Kristalls (2, 11) zur Ausbildung eines Resonatorendspiegels mit einer für die Laser-Grundwelle und für die durch den nichtlinearen optischen Kristall (2, 11) erzeugte zweite Harmonische hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung versehen ist.
13. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorachse (Xχ-Xl r X2-X2) senkrecht auf parallel zueinander gearbeiteten Kristallflächen des laseraktiven Mediums und des nichtlinearen optischen Kristalls (2, 11) gerichtet ist.
14. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als laseraktives Medium ein Nd: YV04-Kristall mit einer Nd-Dotierung von 0,5% - 2 % dient.
15. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als laseraktives Medium ein Nd: YAG-Laserkristall mit einer Nd-Dotierung 0,5%-l,5% dient.
16. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nd: YALO-Kristall als laseraktives Medium dient.
17. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nd: YLF-Kristall als laseraktives Medium dient.
18. Diodengepumpter Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nd: LSB-Kristall als laseraktives Medium dient.
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