WO2004027943A1 - Optisch gepumpter festkörperlaser - Google Patents

Optisch gepumpter festkörperlaser Download PDF

Info

Publication number
WO2004027943A1
WO2004027943A1 PCT/EP2003/010058 EP0310058W WO2004027943A1 WO 2004027943 A1 WO2004027943 A1 WO 2004027943A1 EP 0310058 W EP0310058 W EP 0310058W WO 2004027943 A1 WO2004027943 A1 WO 2004027943A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
laser crystal
optically pumped
pumped solid
optical axis
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/010058
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Geiger
Martin Paster
Siegfried Freer
Original Assignee
Tui Laser Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tui Laser Ag filed Critical Tui Laser Ag
Publication of WO2004027943A1 publication Critical patent/WO2004027943A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0612—Non-homogeneous structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08072—Thermal lensing or thermally induced birefringence; Compensation thereof

Definitions

  • the invention relates to an optically pumped solid-state laser with at least one intracavitary laser crystal, which has at least one optical axis, along which a pump light beam emitted continuously or in a pulsed manner by at least one pump light source is directed into the laser crystal. Furthermore, the laser crystal has dopants which absorb the pump light beam.
  • US Pat. No. 6,185,235 B1 describes a diode-pumped solid-state laser which has been designed with a high light output power and high beam quality.
  • the longitudinally diode-pumped solid-state laser has a laser crystal which has only a very low dopant concentration of less than 0.5% dopant content within the entire laser crystal. In this way it is possible to optically excite the entire length of the laser crystal with a powerful diode pump light source without running the risk that the pump light is almost completely absorbed in the area of the light entry within the laser crystal.
  • Absorption peaks or bands of known laser crystal materials are in the range of 808 nm.
  • YLF YLF
  • appropriately assembled pump light sources for example diode lasers
  • the invention is based on the object of an optically pumped solid-state laser with at least one intracavitary laser crystal which has at least one optical axis, along which a pump light beam emitted continuously or in a pulsed manner is directed into the laser crystal and which contains dopants which absorb the pump light beam,
  • an optically pumped solid-state laser is designed in such a way that the laser crystal has at least two regions spatially spaced apart in the direction of the optical axis, which have different dopant concentrations.
  • the idea according to the invention provides for an uneven distribution of the dopant concentration that is targeted during the production of the laser crystal, at least along the optical axis of the laser crystal. In this way it is possible to individually adjust the spatial absorption behavior of the laser crystal and to adapt it to the respective pump light output.
  • the optically pumped solid-state laser provides a longitudinally pumped laser crystal which, based on the pumping light beam, has a first side surface through which the pumping light beam enters the laser crystal, and also provides a second side surface through which the pumping light beam extends along the optical axis the laser crystal emerges.
  • a dopant concentration profile is introduced within the laser crystal by way of laser crystal production in such a way that the dopant concentration increases from the side of the first side surface along the optical axis in the direction of the second side surface.
  • the dopant concentration profile can in principle be gradual or step-wise, the level of the dopant concentration and the course thereof preferably depends on the pump light power actually applied within the laser crystal.
  • the absorption of the pump light radiation and thus also the heat introduced within the laser crystal is distributed uniformly over the crystal length or parts of the crystal length.
  • the pump light beam is weakened along the way through the laser crystal as a function of the concentration of the dopant atoms by absorption, so that starting from a maximum input pump light output and a minimum dopant concentration provided in the region of the first side surface, the dopant concentration in the direction of the region of the second side surface onto one Maximum value increases, especially since the pump light beam has dropped to a minimum light output through absorption through the second side face shortly before it emerges from the laser crystal.
  • the local dopant concentration within the laser crystal is preferably chosen such that the absorbed pump light power per volume element within the crystal is largely constant.
  • individual dopant concentration profiles can be provided within the laser crystal.
  • a further advantageous embodiment provides a dopant concentration profile which, from a minimum doping in the region of the first side surface to approximately in the middle of the laser crystal, achieves a maximum value of dopant concentration which remains constant along the optical axis along the second side surface.
  • Both of the laser crystal dopings explained above are suitable for unidirectional radiation with pump light, ie the pump light beam passes through the laser crystal from the first to the second side surface and then emerges from the solid-state laser through a corresponding resonator end mirror.
  • optically pumped solid-state laser systems are known, the pump light beams of which are often reflected back and forth within the resonator and thus pass through the laser crystal several times along its optical axis.
  • optically pumped solid-state lasers are known, the laser crystals of which are exposed to pump light beams on both sides.
  • a laser crystal preferably with a dopant concentration profile that runs symmetrically to the center of the laser crystal, is suitable for such an optical pump light arrangement on both sides, such that the dopant concentration increases from a minimum to a maximum value that predominates in the center of the laser crystal.
  • a further embodiment provides two separate laser crystals, each of which has comparable absorption properties.
  • Both laser crystals each have a first and a second side surface and see a dopant concentration profile that increases from the side of the first side surface in the direction of the second side surface.
  • Both laser crystals are introduced along their common optical axis within the resonator in such a way that their respective second side faces are directly or indirectly opposite.
  • both laser crystals are fixed by means of bonding or with the appropriate firing technique over their respective second side faces joined together.
  • YAG or YVO 4 crystals (vanadate) doped with neodymium atoms are particularly advantageously suitable as laser crystals.
  • other dopant atoms are also available: Yb, Cr, Tm, Ho or Er.
  • the following doped laser crystals of the following types are available for the implementation of solid-state lasers: Nd: YAG, Nd: YVO 4 , Nd: YLF, Nd: GVO 4 , Nd: YPO 4 , Nd: BEL, Nd ⁇ ALO, Nd : LSB, Yb: YAG, Yb: FAB, C ⁇ LiSAF, C ⁇ LiCAF, C ⁇ LiSGAF, Cr: YAG, Tm-Ho: YAG, Tm-Ho: YLF, Er: YAG, Er.YLF or E ⁇ GSGG.
  • Fig. 1b laser crystal with continuously increasing dopant distribution
  • FIG. 1 a A schematically known laser crystal 1 is shown in FIG. 1 a, which has an optical axis 2, a first side surface 3 and a second side surface 4. It is assumed that the laser crystal 1 according to FIG. 1a is optically pumped by means of a single pump light beam P, which enters the laser crystal 1 along the optical axis 2 through the first side surface 3.
  • the diagram shown below the laser crystal 1 clarifies that the laser crystal has a constant dopant concentration D along its entire length L (see the horizontal dashed line).
  • the laser crystal 1 provides a dopant concentration D increasing from the side of the side surface 3 in the direction of the side surface 4 along the optical axis 2 (see dashed lines in the diagram).
  • the dopant concentration profile D is coordinated as a function of the pump light intensity P such that the pump light absorption A remains almost constant along the entire length L of the laser crystal 1, which is pumped on one side with a pump light beam P, as in the previous case example according to FIG. 1 a.
  • the associated advantage already mentioned namely a largely uniform heat deposition within the laser crystal through light absorption and a thermal lens effect that is only weakly developed per unit volume, is again pointed out here.
  • a laser crystal arrangement is optically pumped on both sides over both side surfaces 3, 4, see pumping light beams P and P ', then two joined laser crystals 1, 1' are suitable, which have a dopant concentration profile running in the diagram according to FIG. 1c.
  • the two laser crystals 1, 1 ' directly border each other with their second side surfaces 4, 4'.
  • Both laser crystals 1, 1 ' have in the same way an increasing from the side surface 3, 3' in the direction of its second side surface 4, 4 ' Dopant concentration profile according to the dashed line in Fig. 1c. If such a laser crystal arrangement is optically pumped from two opposite sides, the absorption effect on the pumping light beams remains largely constant along the entire laser crystal length L in this case (see horizontal line according to the diagram in FIG. 1c).
  • dopant concentrations in a range between 0.1% and 0.5%, provided that pump light outputs of at least 10 W are used.

Abstract

Beschrieben wird ein optisch gepumpter Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall (1,1), der wenigstens eine optische Achse (2) aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl (P) in den Laserkristall (1,1) gerichtet ist, und den Pumplichtstrahl (P) absorbierende Dotierstoffe enthält. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Laserkristall (1,1) wenigstens zwei räumlich in Richtung der optischen Achse (2) zueinander beabstandete Bereiche aufweist, die über unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen verfügen.

Description

Optisch gepumpter Festkörperlaser
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist. Ferner weist der Laserkristall den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe auf.
Stand der Technik
In der US 6,185,235 B1 ist ein diodengepumpter Festkörperlaser beschrieben, der unter Maßgabe hoher Lichtausgangsleistung sowie hoher Strahlqualität konzipiert worden ist. Hierzu weist der longitudinal diodengepumpte Festkörperlaser einen Laserkristall auf, der über eine nur sehr geringe Dotierstoffkonzentration von weniger als 0,5% Dotierstoffanteil innerhalb des gesamten Laserkristalls verfügt. Auf diese Weise ist es möglich, die gesamte Länge des Laserkristalls mit einer leistungsstarken Diodenpumplichtquelle optisch anzuregen, ohne dabei Gefahr zu laufen, dass das Pumplicht bereits im Bereich des Lichteintritts innerhalb des Laserkristalls nahezu vollständig absorbiert wird. Das in dieser Druckschrift beschriebene Prinzip der Verlängerung der Absorptionslänge der Pumplichtstrahlung längs des Laserkristalls durch reduzierte Laserkristalldotierung ermöglicht zwar den Einsatz leistungsfähiger Diodenpumplichtquellen, doch reduziert sich mit geringerer Dotierungskonzentration ebenso auch der optische Wirkungsgrad des Laserkristalls, was sich wiederum nachteilhaft auf die tatsächlich erreichbare Ausgangsleistung des Festkörperlasers auswirkt. Eine weitere Möglichkeit Laserkristalle mit lichtleistungsstarken Pumplichtquellen optisch anzuregen, ohne dabei den Laserkristall zu zerstören oder die für den optischen Strahlenverlauf nachteilhaften Effekte thermischer Linsenwirkung und hierdurch bedingte induzierte Doppelbrechung hervorzurufen, sieht eine optische Anregung abseits des Absorptionspeaks des Laserkristalls vor. Absorptionspeaks bzw. -banden bekannter Laserkristallmaterialien, wie beispielsweise Nd: YAG sowie Nd: YVO , liegen im Bereich von 808 nm. Ein alternativer, ebenso häufig verendeter Laserkristall, Nd: YLF, absorbiert beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 792 und 797 nm. Wird eine Pumplichtwellenlänge gerade derart gewählt, dass sie knapp neben den Absorptionspeaks bzw. Absorptionsbanden der jeweiligen Laserkristalle liegt, so führt auch diese Maßnahme zu einem geringeren Absorptionsvermögen innerhalb des Laserkristalles, so dass der Einsatz lichtleistungsstarker Pumplichtquellen ermöglicht wird.
Je nach Art der Pumplichtquelle können entsprechend konfektionierte Pumplichtquellen, beispielsweise Diodenlaser, gezielt gewählt werden, deren Emissionspumplichtwellenlängen stark oder weniger stark vom Absorptionspeak des Laserkristalls abweichen. Zudem ist es möglich, die Pumplichtwellenlänge durch Veränderung der Betriebstemperatur der Laserdiode entsprechend zu verändern, zumal sich die Pumpdiodenwellenlänge von der Betriebstemperatur typischerweise mit 0,25 nm pro Grad Kelvin ändert.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist, und den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe enthält, derart weiterzubilden, dass der Einsatz leistungsstarker Pumplichtquellen zum Zwecke der Skalierbarkeit der Ausgangslichtleistung zu höheren Werten als es mit den bisherigen Techniken möglich ist, realisierbar ist. Insbesondere gilt es, eine effektivere Pumplichtabsorption innerhalb des Laserkristalls zu schaffen ohne dabei den Laserkristall zu stark zu erwärmen, wodurch die Ausbildung starker thermischer Linsen und die damit verbundene induzierte Doppelbrechung innerhalb des Laserkristalles reduziert werden kann.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist ein optisch gepumpter Festkörperlaser gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass der Laserkristall wenigstens zwei räumlich in Richtung der optischen Achse zueinander beabstandete Bereiche aufweist, die über unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen verfügen.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten, dotierten Laserkristallen, in denen die Dotierstoffkonzentration gleichmäßig innerhalb des gesamten Laserkristallvolumens verteilt ist, sieht die erfindungsgemäße Idee eine bei der Herstellung des Laserkristalles gezielte Ungleichverteilung in der Dotierstoffkonzentration zumindest längs zur optischen Achse des Laserkristalls vor. Auf diese Weise ist es möglich, das räumliche Absorptionsverhalten des Laserkristalles individuell einzustellen und auf die jeweilige Pumplichtleistung anzupassen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sieht der optisch gepumpte Festkörperlaser einen longitudinal gepumpten Laserkristall vor, der bezogen auf den Pumplichtstrahl eine erste Seitenfläche aufweist, über die der Pumplichtstrahl in den Laserkristall eintritt, sowie eine zweite Seitenfläche vorsieht, über die der Pumplichtstrahl längs zur optischen Achse aus dem Laserkristall austritt. Innerhalb des Laserkristalls ist im Wege der Laserkristallherstellung ein Dotierstoffkonzentrationsprofil derart eingebracht, dass die Dotierstoffkonzentration von Seiten der ersten Seitenfläche längs zur optischen Achse in Richtung der zweiten Seitenfläche ansteigt. Das Dotierstoffkonzentrationsprofil kann grundsätzlich graduell oder stufenweise ausgebildet sein, die Höhe der Dotierstoffkonzentration sowie deren Verlauf hängt vorzugsweise von der tatsächlich innerhalb des Laserkristall applizierten Pumplichtleistung ab. Bei geeigneter Abstimmung auf die tatsächlich in dem Laserkristall längs der optischen Achse eingebrachten Pumplichtleistung wird bei geeigneter Auslegung der Dotierung die Absorption der Pumplichtstrahlung und damit auch die eingebrachte Wärme innerhalb des Laserkristalls gleichmäßig über die Kristalllänge oder Teile der Kristalllänge verteilt.
So wird der Pumplichtstrahl auf dem Weg längs durch den Laserkristall hindurch in Abhängigkeit der Konzentration der Dotierstoffatome durch Absorption geschwächt, so dass ausgehend von einer maximalen Eingangspumpiichtleistung und einer im Bereich der ersten Seitenfläche vorgesehenen minimalen Dotierstoffkonzentration die Dotierstoffkonzentration in Richtung des Bereiches der zweiten Seitenfläche auf einen Maximalwert ansteigt, zumal der Pumplichtstrahl kurz vor Austritt aus dem Laserkristall durch die zweite Seitenfläche durch Absorption auf eine minimale Lichtleistung abgefallen ist. In bevorzugter Weise ist die lokale Dotierstoffkonzentration innerhalb des Laserkristalles gerade so gewählt, dass die absorbierte Pumplichtleistung pro Volumenelement innerhalb des Kristalls weitgehend konstant ist.
Je nach Wahl der Pumplichtintensität und Ausbildung des Pumplichtstrahlprofils können innerhalb des Laserkristalls individuelle Dotierstoffkonzentrationsprofile vorgesehen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht ein Dotierstoffkonzentrationsprofil vor, das von einer Minimaldotierung im Bereich der ersten Seitenfläche bis etwa mittig zum Laserkristall ein Maximalwert an Dotierstoffkonzentration erreicht wird, der zur zweiten Seitenfläche längs zur optischen Achse konstant bleibt.
Beide vorstehend erläuterten Laserkristall-Dotierungen eignen sich für eine unidirektionale Durchstrahlung mit Pumplicht, d.h. der Pumplichtstrahl durchläuft den Laserkristall von der ersten zur zweiten Seitenfläche und tritt anschließend durch einen entsprechenden Resonator-Endspiegel aus dem Festkörperlaser aus. Ebenso sind optisch gepumpte Festkörperlaser-Systeme bekannt, deren Pumplichtstrahlen vielfach innerhalb des Resonators hin- und herreflektiert werden und somit den Laserkristall mehrfach längs zu seiner optischen Achse durchlaufen. Zudem sind optisch gepumpte Festkörperlaser bekannt, deren Laserkristalle beidseitig mit Pumplichtstrahlen beaufschlagt werden. In der Regel sind hierzu zwei getrennte Pumplichtquellen vorgesehen, deren Pumplichtstrahlen mittels geeigneten Lichtleitfaseroptiken longitudinal jeweils durch die erste sowie zweite Seitenfläche des Laserkristalls eingekoppelt werden. Für eine derartige beidseitige optische Pumpanlichtanordnung eignet sich ein Laserkristall, vorzugsweise mit einem zur Laserkristallmitte symmetrisch verlaufenden Dotierstoffkonzentrationsprofil dergestalt, dass jeweils von Seiten der ersten und zweiten Seitenfläche des Laserkristalls die Dotierstoffkonzentration von einem Minimum zu einem mittig zum Laserkristall vorherrschenden Maximalwert ansteigt. Auch in diesem Fall kann durch individuelles Abstimmen des Dotierstoffkonzentrationsprofils in Bezug auf die in den Laserkristall eingebrachte Pumplichtintensität dafür Sorge getragen werden, dass die Absorptionseffizienz und die damit verbundene Erwärmung des Laserkristalls längs zur gesamten optischen Achse weitgehend gleich verteilt bleibt, wodurch die thermische Belastung des Laserkristalls in Grenzen und die Ausbildung einer durch die Kristallerwärmung verbundenen thermischen Linsenwirkung und einer damit induzierten Doppelbrechung weitgehend vermieden werden kann.
Alternativ zu der vorstehend erläuterten einstückigen Ausbildung des Laserkristalls mit einem nicht notwendigerweise symmetrisch zur Mittenachse des Laserkristalles verlaufenden Dotierstoffkonzentrationsprofil, sieht eine weitere Ausführungsmöglichkeit zwei getrennte Laserkristalle vor, die jeweils vergleichbare Absorptionseigenschaften aufweisen. Beide Laserkristalle verfügen jeweils über eine erste und zweite Seitenfläche und sehen ein Dotierstoffkonzentrationsprofil, das von Seiten der ersten Seitenfläche in Richtung zur zweiten Seitenfläche zunimmt. Beide Laserkristalle sind längs ihrer gemeinsamen optischen Achse derart innerhalb des Resonators eingebracht, dass ihre jeweils zweite Seitenflächen mittel- oder unmittelbar gegenüberliegen. Vorzugsweise sind beide Laserkristalle mittels Bonden oder mit entsprechender Ansprengtechnik über jeweils ihre zweite Seitenfläche fest aneinander gefügt. Durch Vorsehen zweier separater Laserkristalle, wie vorstehend erläutert, eröffnet sich zudem die grundsätzliche Möglichkeit zwei unterschiedliche Laserkristalltypen in einen einzigen Festkörperlaser-Resonator zu integrieren.
In besonders vorteilhafter Weise eignen sich als Laserkristalle mit Neodym-Atomen dotierte YAG- oder YVO4-Kristalle (Vanadat). Alternativ stehen darüber hinaus noch weitere Dotierstoff-Atome zur Verfügung: Yb, Cr, Tm, Ho oder Er.
Je nach Konzeption und Leistungsbereich bieten sich für die Realisierung von Festkörperlaser folgende dotierte Laserkristalle der nachstehenden Art an: Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:GVO4, Nd:YPO4, Nd:BEL, NdΥALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, CπLiSAF, CπLiCAF, CπLiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm- Ho:YLF, Er:YAG, Er.YLF oder EπGSGG.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a Laserkristall mit konstanter Dotierstoffverteilung
Fig. 1b Laserkristall mit kontinuierlich zunehmender Dotierstoffverteilung, sowie
Fig. 1c Laserkristallkombination mit spiegelsymmetrischer Dotierstoffverteilung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Fig. 1a ist ein an sich bekannter Laserkristall 1 schematisiert dargestellt, der über eine optische Achse 2, eine erste Seitenfläche 3 sowie über eine zweite Seitenfläche 4 verfügt. Es sei angenommen, dass der Laserkristall 1 gemäß Fig. 1a mittels eines einzigen Pumplichtstrahles P, der längs zur optischen Achse 2 durch die erste Seitenfläche 3 in den Laserkristall 1 eintritt, optisch gepumpt wird. Das unter dem Laserkristall 1 dargestellte Diagramm verdeutlicht, dass der Laserkristall längs seiner gesamten Länge L über eine konstante Dotierstoffkonzentration D verfügt (siehe hierzu horizontal gestrichelte Linie). Ausgehend von einer anfänglich konstanten hohen Pumplichtleistung tritt im Bereich der Seitenfläche 3 innerhalb des Laserkristalls 1 sehr starke Absorption auf, die längs der optischen Achse 2 in Richtung der zweiten Seitenfläche 4 aufgrund des durch Absorptionsprozesse abnehmenden Pumplichtintensität abnimmt (siehe hierzu abnehmenden durchgezogenen Funktionsverlauf).
Demgegenüber sieht gemäß Fig. 1 b der Laserkristall 1 eine von Seiten der Seitenfläche 3 in Richtung der Seitenfläche 4 längs zur optischen Achse 2 zunehmende Dotierstoffkonzentration D vor (siehe strichlierten Linienzug im Diagramm). Das Dotierstoffkonzentrationsprofil D ist in Abhängigkeit der Pumplichtintensität P dahingehend abgestimmt, dass längs der gesamten Länge L des Laserkristalls 1 , der wie auch im vorstehenden Fallbeispiel gemäß Fig. 1 a einseitig mit einem Pumplichtstrahl P gepumpt wird, die Pumplichtabsorption A nahezu konstant bleibt. Auf den bereits vorstehend genannten damit verbundenen Vorteil, nämlich einer weitgehend gleichmäßigen Wärmedeponierung innerhalb des Laserkristalls durch Lichtabsorption und einer damit sich pro Volumeneinheit nur schwach ausbildenden thermischen Linsenwirkung, sei an dieser Stelle nochmals hingewiesen.
Wird hingegen gemäß Fig. 1c eine Laserkristallanordnung beidseitig über beide Seitenflächen 3, 4 optisch gepumpt, siehe hierzu Pumplichtstrahlen P und P', so eignen sich zwei zusammengefügte Laserkristalle 1, 1', die ein in dem Diagramm gemäß Fig. 1c verlaufendes Dotierstoffkonzentrationsprofil aufweisen. Hierbei grenzen die beiden Laserkristalle 1 , 1 ' mit jeweils ihren zweiten Seitenflächen 4, 4' unmittelbar zusammen. Diese können in vorteilhafter Weise mittels Bonden oder mittels Ansprengen verfügt sein.
Beide Laserkristalle 1 , 1' weisen in gleicher Weise ein von Seiten der ersten Seitenfläche 3, 3' in Richtung ihrer zweiten Seitenfläche 4, 4' zunehmendes Dotierstoffkonzentrationsprofil gemäß strichlierter Linie in Fig. 1c auf. Wird eine derartige Laserkristallanordnung von jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten optisch gepumpt, so bleibt auch in diesem Fall die Absorptionswirkung auf die Pumplichtstrahlen längs der gesamten Laserkristallelänge L weitgehend konstant (siehe waagrechter Linienzug gemäß Diagramm in Fig. 1c).
Typischerweise empfiehlt es sich Dotierstoffkonzentrationen in einem Bereich zwischen 0,1 % und 0,5 % zu wählen, setzt man voraus, dass mit Pumplichtleistungen von wenigstens 10 W gearbeitet wird.
Bezugszeicheniiste
1, 1' Laserkristall
2 Optische Achse
3, 3' Erste Seitenfläche
4, 4' Zweite Seitenfläche P Pumplichtstrahl

Claims

Patentansprüche
1. Optisch gepumpter Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist, und den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall wenigstens zwei räumlich in Richtung der optischen Achse zueinander beabstandete Bereiche aufweist, die über unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen verfügen.
2. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall längs zur optischen Achse ein Dotierstoffkonzentrationsprofil aufweist, das graduell oder stufenförmig ausgebildet ist.
3. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der intrakavitär angeordnete Laserkristall wenigstens eine erste Seitenfläche aufweist, über die der Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, und dass die Dotierstoffkonzentration längs der optischen Achse von der ersten Seitenfläche zumindest bis zur Mitte des Laserkristalls gemäß eines vorgegebenen Dotierstoffkonzentrationsprofils zunimmt.
4. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der intrakavitär angeordnete Laserkristall eine erste Seitenfläche, über die der Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, und eine der ersten Seitenfläche längs der optischen Achse gegenüberliegende zweite Seitenfläche aufweist, dass die Dotierstoffkonzentration längs der optischen Achse von der ersten Seitenfläche bis zur zweiten Seitenfläche graduell oder stufenförmig zunimmt.
5. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration von der Mitte des Laserkristalls bis zu einer der ersten Seitenfläche längs der optischen Achse gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche nach einem vorgegebenen Dotierstoffkonzentrationsprofil abnimmt.
6. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pumplichtstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine längs zur optischen Achse durch die erste Seitenfläche und der andere längs zur optischen Achse durch die zweite Seitenfläche in den Laserkristall gerichtet ist.
7. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laserkristalle längs einer gemeinsamen optischen Achse intrakavitär angeordnet sind, dass die Laserkristalle jeweils eine erste und eine zweite Seitenfläche aufweisen, dass die Dotierstoffkonzentration jeweils längs zur optischen Achse von der ersten zur zweiten Seitenfläche innerhalb der Laserkristalle abnimmt, und dass sich die zweiten Seitenflächen der beiden Laserkristalle mittel- oder unmittelbar gegenüberliegen.
8. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Seitenflächen der beiden Laserkristalle mittels Bond- oder Ansprengtechnik zusammengefügt sind.
9. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pumplichtstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine durch die erste Seitenfläche des einen und der andere durch die erste Seitenfläche des anderen Laserkristalls gerichtet ist.
10. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Pumplichtstrahlen aus einer einzigen Pumplichtquelle emittiert werden und mittels Strahlteiler und Strahllenkung zu dem wenigstens einen Laserkristall führbar sind, oder dass zwei Pumplichtquellen vorgesehen sind, aus denen die Pumplichtstrahlen jeweils austreten.
11. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierstoffkonzentrationsprofil derart im Verhältnis zur Pumplichtleistung gewählt ist, dass die durch Pumplichtabsorption innerhalb des Laserkristalls eingebrachte Wärme zumindest in Teilbereichen längs der optischen Achse weitgehend gleich verteilt ist.
12. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle ein Diodenlaser oder eine Diodenlaseranordnung ist.
13. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Diodenlaser eine Pumplichtleistung von wenigstens 10 W aufweist.
14. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall mit einem oder mehreren der folgenden Dotierstoffen dotiert ist: Nd, Yb, Cr, Tm, Ho oder Er.
15. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall aus folgenden dotierten Kristallen besteht: Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:GVO4, Nd:YPO4, Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, CπLiSAF, Cr.LiCAF, CπLiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er:YLF oder Er:GSGG.
16. Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration innerhalb des Laserkristalls zwischen 0,01 % und 1 %, vorzugsweise zwischen 0,1 % und 0,5 %, liegt.
PCT/EP2003/010058 2002-09-11 2003-09-10 Optisch gepumpter festkörperlaser WO2004027943A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10241984.1 2002-09-11
DE2002141984 DE10241984A1 (de) 2002-09-11 2002-09-11 Optisch gepumpter Festkörperlaser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004027943A1 true WO2004027943A1 (de) 2004-04-01

Family

ID=31895775

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2003/010058 WO2004027943A1 (de) 2002-09-11 2003-09-10 Optisch gepumpter festkörperlaser

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10241984A1 (de)
WO (1) WO2004027943A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106329301A (zh) * 2016-11-09 2017-01-11 上海卫星工程研究所 纳米阶梯掺杂结构的阳光泵浦激光工作晶体的制备方法
WO2017008774A1 (en) * 2015-07-16 2017-01-19 Fyzikalni Ustav Av Cr, V.V.I. Optical elements for constructing performance laser systems and their preparation
WO2017205851A1 (en) * 2016-05-26 2017-11-30 Compound Photonics Ltd Solid-state laser systems
CN109962402A (zh) * 2017-12-25 2019-07-02 中国建筑材料科学研究总院有限公司 一种激光介质和激光器

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1848073A1 (de) * 2006-04-19 2007-10-24 Multitel ASBL Umschaltbare Laservorrichtung und Betriebsverfahren derselben
DE102007033624B4 (de) * 2007-07-17 2010-08-26 Deutsch Französisches Forschungsinstitut Saint Louis Wärmekapazitätslaser

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5287373A (en) * 1992-08-17 1994-02-15 Alliedsignal Inc. Gradient doped solid state laser gain media
US5321711A (en) * 1992-08-17 1994-06-14 Alliedsignal Inc. Segmented solid state laser gain media with gradient doping level
WO1999060673A2 (en) * 1998-05-15 1999-11-25 Photonics Industries International Inc. Doped laser
US6351477B1 (en) * 1996-02-07 2002-02-26 Fraunhofer Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Optically pumped intensifying agent, in particular a solid intensifying agent

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5563899A (en) * 1988-08-30 1996-10-08 Meissner; Helmuth E. Composite solid state lasers of improved efficiency and beam quality
US5394420A (en) * 1994-01-27 1995-02-28 Trw Inc. Multiform crystal and apparatus for fabrication
DE10025485B4 (de) * 2000-05-23 2005-03-10 Med Laserzentrum Luebeck Gmbh Laser mit einer Pumplicht aussendenden Pumplichtquelle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5287373A (en) * 1992-08-17 1994-02-15 Alliedsignal Inc. Gradient doped solid state laser gain media
US5321711A (en) * 1992-08-17 1994-06-14 Alliedsignal Inc. Segmented solid state laser gain media with gradient doping level
US6351477B1 (en) * 1996-02-07 2002-02-26 Fraunhofer Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Optically pumped intensifying agent, in particular a solid intensifying agent
WO1999060673A2 (en) * 1998-05-15 1999-11-25 Photonics Industries International Inc. Doped laser

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017008774A1 (en) * 2015-07-16 2017-01-19 Fyzikalni Ustav Av Cr, V.V.I. Optical elements for constructing performance laser systems and their preparation
WO2017205851A1 (en) * 2016-05-26 2017-11-30 Compound Photonics Ltd Solid-state laser systems
CN106329301A (zh) * 2016-11-09 2017-01-11 上海卫星工程研究所 纳米阶梯掺杂结构的阳光泵浦激光工作晶体的制备方法
CN109962402A (zh) * 2017-12-25 2019-07-02 中国建筑材料科学研究总院有限公司 一种激光介质和激光器

Also Published As

Publication number Publication date
DE10241984A1 (de) 2004-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69530497T2 (de) Passiv stabilisierter laser mit frequenzverdopplung innerhalb des resonators
DE102006039074B4 (de) Optische Anordnung zum Pumpen von Festkörperlasern
EP0474683A1 (de) Frequenzverdoppelter laser.
EP2184818A1 (de) Laserpumpanordnung und Laserpumpverfahren mit Strahlhomogenisierung
DE60304564T3 (de) Verbessertes optisches Pumpen von Materialien mit polarisationsabhängiger Absorption
DE19934638B4 (de) Modensynchronisierter Festkörperlaser mit mindestens einem konkaven Faltungsspiegel
DE2456913A1 (de) Farbstoff-laser
EP1722450A1 (de) Anamorphotischer scheibenförmiger Festkörperlaser
WO2004027943A1 (de) Optisch gepumpter festkörperlaser
DE102006031183B4 (de) Laserquelle für verschiedene Wellenlängen im IR-Bereich
DE3114815A1 (de) Laservorrichtung
DE102008025824B4 (de) Miniaturisierter Laseroszillator-Verstärker
DE102010045184B4 (de) Verfahren zur optronischen Steuerung einer Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration sowie Laserverstärkeranordnung
DE102005025128B4 (de) Laseranordnung und Verfahren zur Erzeugung eines Multimodebetriebes bei resonatorinterner Frequenzverdopplung
DE4304178C2 (de) Aktives gefaltetes Resonatorsystem
DE19644315A1 (de) Festkörperlaseroszillator und mit diesem versehene Bearbeitungsvorrichtung
EP1529326B1 (de) Impulslaseranordnung und verfahren zur impulslängeneinstellung bei laserimpulsen
DE102013102891B4 (de) Laseranordnung
EP2592704B1 (de) Laservorrichtung mit einem optisch aktiven Material aufweisenden Multimode-Lichtleiter
DE4101522C2 (de)
DE102016106742B3 (de) Laservorrichtung mit einem optischen Resonator und Verfahren zum Justieren der Laservorrichtung
EP2425504B1 (de) Laserverstärkersystem
DE102004030949B4 (de) Intracavity-gepumpter Laser
DE4311454C2 (de) Raman-Laser und dessen Verwendung
DE10241988B3 (de) Diodengepumpter Festkörperlaser mit resonatorinterner thermischer Linse

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CA JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP