WO2004027945A1 - Diodengepumpter festkörperlaser - Google Patents

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WO2004027945A1
WO2004027945A1 PCT/EP2003/010055 EP0310055W WO2004027945A1 WO 2004027945 A1 WO2004027945 A1 WO 2004027945A1 EP 0310055 W EP0310055 W EP 0310055W WO 2004027945 A1 WO2004027945 A1 WO 2004027945A1
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resonator
diode
pumped solid
state laser
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PCT/EP2003/010055
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Stephan Geiger
Martin Paster
Siegfried Freer
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Tui Laser Ag
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    • H01S3/1671—Solid materials characterised by a crystal matrix vanadate, niobate, tantalate
    • H01S3/1673—YVO4 [YVO]

Definitions

  • the invention relates to a diode-pumped solid-state laser with Q-switching and at least one intracavitary laser crystal having at least one optical lens and having at least one optical axis, along which a pump light beam emitted continuously or in a pulsed manner falls into the laser crystal, the thermal lens effect of which depends on the Operating behavior of the solid-state laser at least two distinguishable refractive powers D
  • Diode-pumped solid-state lasers represent powerful, compact light sources that have gained considerable importance as pump light sources due to the progressive development of laser diodes.
  • Laser diodes are now available that have pumped light powers of 10 W and more and also have emission wavelength spectra that lie in the range of optical absorption bands for laser lasers that are suitable for solid-state lasers, so that highly efficient optical excitation of the laser crystals can be achieved.
  • Diode-pumped solid-state lasers are generally suitable for a large number of different technical fields of application; they are preferably used in those areas in which high-performance and small-sized laser systems are desired.
  • monochromatic light sources for material processing preferably for Surface material processing, such as material removal, material change or surface finishing used.
  • the laser is operated between two operating states for targeted material processing, namely the so-called stand-by mode, during which the Q-switch is closed and the laser does not emit light, and the actual working mode, in which laser light is emitted when the Q-switch is open.
  • the quality switch can also be operated pulsating in work mode. For a large number of material processing cases, it is necessary for the laser to provide a laser beam with a constant power and beam quality, and this for the entire duration that the laser is in the working mode.
  • the laser crystal is essentially the determining element of the laser power and beam quality of the laser beam, the thermal equilibrium of which depends crucially on the operating state of the laser. For example, when the Q-switch is closed, ie the laser is in stand-by mode, all of the heat introduced by the pump light source is released into the environment via the laser crystal itself. Due to the strong heating of the laser crystal that occurs, a so-called strong, positive-acting thermal lens is formed, through which the beam quality is decisively influenced.
  • the Q-switch is open, a significant proportion of the heat introduced within the laser crystal is dissipated via the laser radiation itself, as a result of which the laser crystal cools noticeably.
  • a positive thermal lens effect forms within the laser crystal even in the case of light emission, that is to say when the Q-switch is open or pulsed, this is far less pronounced than in the stand-by mode described above.
  • the solid-state laser is switched from stand-by mode to laser operation, i.e. the Q-switch is closed, the inside of the laser crystal is suddenly cooled very efficiently by the output power of the laser, which in the first 100-300 ms of laser operation sometimes leads to a very poorly designed thermal lens and thus to a changed beam quality.
  • the laser crystal only changes into thermal equilibrium after an appropriate start-up time, when the laser is reached it only has a stable light output and beam quality.
  • the diode-pumped solid-state lasers provide at least one laser crystal intracavitatively, which has an optical lens effect.
  • an aperture limiting the internal resonator beam cross section is provided, by means of which the oscillation behavior of the resonator should preferably be limited to the basic laser mode TEM 0 o.
  • the opening aperture of the resonator's internal aperture is matched to a single specific vibration behavior of the resonator which is in thermal equilibrium.
  • the invention is based on the object of a diode-pumped solid-state laser with Q-switching and an intracavitary laser crystal having at least one optical lens and having at least one optical axis, along which a pump light beam emitted continuously or in a pulsed manner falls into the laser crystal, the thermal lens effect of which depends the operating behavior of the solid-state laser at least two refractive powers D
  • a solid-state laser of the generic type is to be optimized in such a way that a constant light output and beam quality can be called up at any time of the laser in operation, that is to say in particular also immediately after the laser Q-switch from a closed to an open state.
  • a diode-pumped solid-state laser for high-precision material processing, with which, for example, material surface inscriptions of the highest quality and quality can be carried out.
  • Such a solid-state laser should preferably be used for material surface micro-engravings whose engraving width and depth have dimensions down to the micrometer and sub-micron range.
  • a generic diode-pumped solid-state laser according to the features of the preamble of claim 1 is designed such that at least one mode diaphragm Mi, M 2 is provided along the at least one optical axis on both sides of the laser crystal, of which one mode diaphragm Mi forms one within the resonator Laser beam at the refractive power D h ig h in the beam cross section limiting aperture.
  • the second mode diaphragm M 2 is provided within the resonator, which blocks the laser beam at the refractive power D
  • the appropriate selection and arrangement of the mode diaphragms Mi and M 2 ensures that the quality of the laser beam remains largely constant regardless of the operating behavior of the solid-state laser, so that the beam power and beam quality remain at a consistently high level immediately after opening the intracavitary Q-switch can be accessed.
  • the apertures of the mode diaphragms and their arrangement within the resonator are to be selected and matched to one another in such a way that the beam intensity of the TEMoo mode is both in the operating behavior of the solid-state laser with a weakly formed thermal lens or low refractive power D ow , as well as in strong pronounced thermal lens effect, ie a refractive power Dhig h , is largely the same.
  • the laser radiation emitted from the resonator preferably has a beam quality M 2 of less than 3, particularly preferably of less than 1.5, under both operating conditions.
  • the diode-pumped solid-state laser can operate at D
  • D 0W
  • the solid-state laser that is not in thermal equilibrium during the start-up period, it is necessary to intercept with the measure according to the invention and to ensure that the beam quality immediately after opening the Q-switch is almost identical to that which occurs after thermal equilibrium has been reached, that is, after reaching the thermally weaker lens effect D [ 0W .
  • the diode-pumped solid-state laser has an asymmetrically constructed resonator, i. H. the resonator has two resonator mirrors with different radii of curvature, which correspond to either a convex-planar, convex-concave or convex-convex resonator structure.
  • Asymmetric optical resonators with intracavitary thermal lens action in the form of a diode-pumped laser crystal can be described in a manner known per se in their stability behavior by the stability diagram shown in FIG. 2.
  • the stable operating behavior of a solid-state laser is not only dependent on the pure parameters determining the geometry of the resonator, such as the radii of curvature Ri and R 2 of the resonator mirrors and their mutual distance L, but the stable vibration behavior depends to a large extent on the optical refractive power behavior D des optically pumped laser crystal. As already mentioned, the latter is, however, not a constant variable but temperature-dependent.
  • An asymmetrical resonator constructed in this way has two stable oscillation ranges which are dependent on the refractive power of the laser crystal, of which the first stable oscillation range is limited by the critical refractive powers Di and Du and the second oscillation range by the refractive powers Dm and Div.
  • the stability diagram in FIG. 2 in which two straight lines AS1 and AS2 are entered, which describe the stability behavior of two asymmetrical resonators. This shows that, for a given resonator geometry, the stable vibration behavior of a resonator depends on the refractive power D of the laser crystal.
  • the first stability range corresponds to the operating behavior of the diode-pumped solid-state laser described at the beginning, in which the optical refractive power is weak, that is, the state with D ⁇ ow - the second stability range, between Dm and D
  • beam qualities M 2 of less than 3, preferably less than 1.5, can be achieved can be achieved.
  • FIG. 1 schematic resonator arrangement of a longitudinally diode-pumped solid-state laser
  • Fig. 2 stability diagram Fig. 3 diagram showing the beam quality as a function of
  • a diode laser 1 acts as a pump light source, which longitudinally optically excites the laser crystal 2 arranged within the resonator.
  • the laser resonator is designed as a convex-planar resonator and has a convex-shaped resonator mirror 3 and a flat-shaped resonator mirror 4. It is assumed that the resonator mirror 3 has a radius of curvature Ri of -500 mm and the resonator mirror 4 has a radius of curvature R 2 has infinity.
  • the laser crystal has a crystal length of 8 mm and is designed as an Nd: YV0 4 crystal.
  • the laser beam that can be generated with this resonator geometry has a beam cross section of 1.8 mm.
  • two mode diaphragms Mi and M 2 are introduced within the resonator.
  • Nd YVO is suitable as the laser crystal.
  • laser crystals can also be used in the same or similar way, which consist of the following doped crystals: Nd. ⁇ AG, Nd. ⁇ LF, Nd: GV0 4 , Nd: YPO 4)
  • diopter values are plotted along the abscissa, the beam quality in M 2 values along the ordinate. It can be clearly seen that without providing any mode diaphragms within the resonator, the beam quality M 2 present in the emitted laser beam assumes values for almost the entire diopter range that are greater than 3 and thus has an insufficient beam quality for many applications. If, however, the mode diaphragm Mi is provided, for example with an aperture of 1.2 mm, this affects the beam quality within the emitted laser beam according to curve b shown in FIG. 3. It can be seen that for values of refractive power D> 5 the beam quality M 2 decreases to values below 3. However, the mode diaphragm Mi has an insufficient effect on the beam quality for values of the refractive power D between 0 and 5. In this range, the values M 2 remain insufficiently high for the beam quality, ie by 3 and larger.
  • two mode diaphragms Mi and M2 are provided within the resonator in such a way that both mode diaphragms limit the beam cross section of the laser beam within the resonator - in the case of the resonator construction according to FIG. 1, the beam diameter is 1.8 mm, the diaphragm opening of the mode diaphragm Mi is 1.2 mm and the aperture of the mode aperture M is 0.9 mm - then a beam quality is set as a function of the refractive power D of the laser crystal, which is given by the function curve d according to the diagram in FIG. 3. It can be seen that beam qualities M 2 of less than 3 for both small and larger refractive power values are achievable. It also shows that the provision of two mode diaphragms according to the invention enables an almost constant beam quality M 2 to be achieved both in the range of low refractive power values and in the range of larger refractive power values.
  • This property of the beam quality which is dependent on the refractive power, according to the function curve d in FIG. 3, is used according to the invention in order to master the problem of the starting process described at the outset, immediately after opening the Q-switch in a diode-pumped solid-state laser.
  • the measure according to the invention it is possible to achieve an almost constant high beam quality with values of M 2 ⁇ 3 at any time of the Q-switched diode-pumped solid-state laser in operation.
  • the mode diaphragm M 2 is capable of the beam quality M 2 for low refractive powers D
  • the mode diaphragm M 2 also has an additional function with regard to increasing the directional stability of the laser beam emerging from the solid-state laser.
  • the mode diaphragm M 2 is to be arranged as close as possible to the resonator coupling-out mirror 4.

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Abstract

Beschrieben wird ein diodengepumpter Festkörperlaser mit Güteschaltung und wenigstens einem intrakavitär angeordneten, über eine thermische Linsenwirkung verfügenden Laserkristall mit wenigstens einer optischen Achse, längs der ein von der Diodenlichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, dessen thermische Linsenwirkung in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Festkörperlasers wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Brechkräfte Dlow und Dhigh einnimmt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass längs der wenigstens einen optischen Achse beidseitig zum Laserkristall jeweils wenigstens eine Modenblende vorgesehen ist, von denen eine erste Modenblende M1 eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft Dhigh im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur aufweist und von denen die zweite Modenblende M2 eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft Dlow im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur aufweist.

Description

Diodengepumpter Festkörperlaser
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen diodengepumpten Festkörperlaser mit Güteschaltung und wenigstens einem intrakavitär angeordneten, über eine thermische Linsenwirkung verfügenden Laserkristall mit wenigstens einer optischen Achse, längs der ein von der Diodenlichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, dessen thermische Linsenwirkung in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Festkörperlasers wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Brechkräfte D|0 und Dhjgh einnimmt.
Stand der Technik
Diodengepumpte Festkörperlaser stellen leistungsstarke, kompakte Lichtquellen dar, die durch die fortschreitende Entwicklung von Laserdioden als Pumplichtquellen beachtlich an Bedeutung gewonnen haben. So sind mittlerweile Laserdioden erhältlich, die über Pumplichtleistungen von 10 W und mehr und darüber hinaus über Emissionswellenlängenspektren verfügen, die im Bereich der optischen Absorptionsbanden für Festkörperlaser geeignete Laserkristalle liegen, wodurch eine höchst effiziente optische Anregung der Laserkristalle erzielbar ist.
Diodengepumpte Festkörperlaser eignen sich grundsätzlich für eine Vielzahl unterschiedlicher technischer Anwendungsgebiete, bevorzugt werden sie in jenen Bereichen eingesetzt, in denen leistungsstarke, und eine kleine Bauform aufweisende Lasersysteme erwünscht sind. Bspw. werden derartige monochromatische Lichtquellen zur Materialbearbeitung, vorzugsweise zur Oberflächenmaterialbearbeitung, wie Materialabtrag, Materialveränderung oder Oberflächenveredelung eingesetzt.
Üblicherweise wird zur gezielten Materialbearbeitung der Laser zwischen zwei Betriebszuständen betrieben, nämlich dem sog. Stand-By-Mode, während dem der Güteschalter geschlossen ist und der Laser kein Licht emittiert, sowie dem eigentlichen Arbeitsmode, bei dem Laserlicht bei geöffnetem Güteschalter emittiert wird. Der Güteschalter ist im Arbeitsmode auch pulsierend betreibbar. Für eine Vielzahl von Materialbearbeitungsfällen ist es erforderlich, dass der Laser einen Laserstrahl mit einer konstanten Leistung und Strahlqualität zur Verfügung stellt, und dies während des gesamten Dauer, in der sich der Laser im Arbeitsmode befindet. Insbesondere bei Beschriftungsanwendungen, bei denen durch gezielte lichtinduzierte Materialablation bspw. eine Abfolge räumlich voneinander getrennter einzelner Buchstaben in eine Materialoberfläche eingearbeitet wird, ist es wichtig, dass auch der Anfangsbereich eines Buchstabens oder einer Linie bzw. die ersten Buchstaben oder Linien eines Schriftzuges über eine gleichbleibende Linienqualität verfügen. Mit Hilfe hochleistungsfähiger Scanner-Spiegelsysteme ist es möglich, einen Laserstrahl zu Beschriftungszwecken derart abzulenken, dass bis zu 500 Zeichen pro Sekunde in eine Materialoberfläche „eingeschrieben" werden können, das bedeutet, dass innerhalb von etwa 2 ms ein Zeichen fertiggestellt wird. Geht man davon aus, dass der Linienzug eines einzigen Buchstabens von Linienbeginn bis Linienende über eine gleichbleibende Linienqualität verfügen soll, so ist einzusehen, dass der hierfür erforderliche Laserstrahl über eine gleichbleibende Lichtleistung und Strahlqualität innerhalb einer Zeitdauer von 2 ms aufweisen sollte.
Bedient man sich für diesen Einstazzweck bspw. einem kontinuierlich longitudinal gepumpten Festkörperlaser mit intrakavitärer optischer Güteschaltung, so ist das die Laserleistung und Strahlqualität des Laserstrahls im Wesentlichen bestimmende Element der Laserkristall, dessen thermisches Gleichgewicht entscheidend vom Betriebszustand des Laser abhängt. So wird bei geschlossenem Güteschalter, d. h. der Laser befindet sich im Stand-By- Mode, die gesamte durch die Pumplichtquelle eingebrachte Wärme über den Laserkristall selbst an die Umgebung abgegeben. Aufgrund der hierbei auftretenden starken Erwärmung des Laserkristalles bildet sich eine sog. starke positiv wirkende thermische Linse aus, durch die die Strahlqualität entscheidend beeinflusst wird. Ist hingegen der Güteschalter geöffnet, so wird ein erheblicher Anteil der innerhalb des Laserkristalls eingebrachten Wärme über die Laserstrahlung selbst abgeführt, wodurch sich der Laserkristall merklich abkühlt. Zwar bildet sich auch im Falle der Lichtemission, d.h. bei geöffnetem oder pulsierend betriebenen Güteschalter, eine positive thermische Linsenwirkung innerhalb des Laserkristalls aus, doch ist diese ungleich schwächer ausgeprägt als im vorstehend beschriebenen Stand-By-Mode.
Wird der Festkörperlaser vom Stand-By-Mode in den Laserbetrieb umgeschalten, d.h. der Güteschalter wird geschlossen, so wird das Innere des Laserkristalls plötzlich um die Ausgangsleistung des Lasers höchsteffizient gekühlt, was mitunter in den ersten 100 - 300 ms des Laserbetriebes zu einer sehr schwach ausgebildeten thermischen Linse und somit zu einer veränderten Strahlqualität führt. Erst nach einer entsprechenden Anschwingzeit geht der Laserkristall in ein thermisches Gleichgewicht über, bei dessen Erreichen der Laser erst über eines stabile Lichtleistung und Strahlqualität verfügt.
Stellt man die Zeitdauern gegenüber, mit denen einerseits schnelle Beschriftungssysteme in der Lage sind ein Zeichen zu schreiben sowie bei denen andererseits nach Schließen des Güteschalters ein thermisches Gleichgewicht innerhalb des Laserkristalls erreicht wird und somit der Laserstrahl über eine gleichbleibende Leistung und Strahlqualität verfügt, so ist leicht ersichtlich, dass Beschriftungsvorgänge mit den derzeit verfügbaren Lasersystemen mit nur unzureichender Strahlqualität durchgeführt werden, zumal die Herstellung eines Zeichens typischerweise innerhalb einer Zeitdauer erfolgt, die in etwa um eine Größenordnung kleiner ist als die für ein stabiles Anschwingverhalten erforderliche Zeitdauer von bis zu 300 ms. Die optischen Auswirkungen des Überganges eines diodengepumpten Festkörperlasers vom Stand-By-Mode zum Laserbetrieb treten in einen um so deutlicheren Maße in Erscheinung je größer der Unterschied in den optischen Brechkräften ist, die der Laserkristall in den beiden Betriebszuständen annimmt.
Repräsentativ für longitudinal diodengepumpte Festkörperlaser sei auf die in den US- Schriften US 5,907,570 sowie US 5,638,397 beschriebenen Festkörperlasersystemen hingewiesen. In beiden Fällen sehen die diodengepumpten Festkörperlaser intrakavitär wenigstens einen Laserkristall vor, der über eine optische Linsenwirkung verfügt. Zudem ist zwischen der Laserkristallanordnung und einem Resonatorendspiegel eine, den Resonator internen Strahlquerschnitt begrenzende Blende vorgesehen, durch die das Schwingungsverhalten des Resonators vorzugsweise auf den Lasergrundmode TEM0o eingegrenzt werden soll. Hierbei ist die Öffnungsapertur der Resonator internen Blende auf ein einziges konkretes Schwingungsverhalten des sich im thermischen Gleichgewicht befindlichen Resonators abgestimmt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörperlaser mit Güteschaltung und einem intrakavitär angeordneten, über eine thermische Linsenwirkung verfügenden Laserkristall mit wenigstens einer optischen Achse, längs der ein von der Diodenlichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, dessen thermische Linsenwirkung in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Festkörperlasers wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Brechkräfte D|0W und Dhigh einnimmt, derart auszubilden, dass unabhängig vom Betriebsverhalten des Festkörperlasers eine weitgehend konstante Lichtleistung mit gleichbleibender Strahlqualität vom Festkörperlaser emittiert wird. Insbesondere soll ein gattungsgemäßer Festkörperlaser dahingehend optimiert werden, dass eine gleichbleibende Lichtleistung sowie Strahlqualität zu jedem Zeitpunkt des im Betrieb befindlichen Lasers abgerufen werden kann, d. h. insbesondere auch unmittelbar nach dem Übergang der Güteschaltung von einem geschlossenen zu einem geöffneten Zustand. In diesem Zusammenhang gilt es einen diodengepumpten Festkörperlaser für eine hochpräzise Materialbearbeitung anzugeben, mit dem bspw. Materialoberflächenbeschriftungen von höchster Güte und Qualität durchgeführt werden können. Ein derartiger Festkörperlaser soll vorzugsweise für Materialoberflächen-Mikrogravuren eingesetzt werden, deren Gravurbreite und -tiefe Dimensionen bis hinab in den Mikrometer- und Submikrometerbereich aufweisen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist ein gattungsgemäßer diodengepumpter Festkörperlaser gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass längs der wenigstens einen optischen Achse beidseitig zum Laserkristall jeweils wenigstens eine Modenblende Mi, M2 vorgesehen ist, von denen die eine Modenblende Mi eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft Dhigh im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur aufweist. Zudem ist die zweite Modenblende M2 innerhalb des Resonators vorgesehen, die eine den Laserstrahl bei der Brechkraft D|0W im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur vorsieht. Auf diese Weise ist durch entsprechende Wahl und Anordnung der Modenblenden Mi und M2 dafür gesorgt, dass die Qualität des Laserstrahls unabhängig vom Betriebsverhalten des Festkörperlasers weitgehend konstant bleibt, so dass die Strahlleistung und Strahlqualität auf gleichbleibend hohem Niveau auch unmittelbar nach Öffnen den intrakavitär vorgesehenen Güteschalters abgerufen werden kann.
Die Aperturen der Modenblenden sowie ihre Anordnung innerhalb des Resonators sind derart zu wählen und aufeinander abzustimmen, dass die Strahlintensität des TEMoo-Modes sowohl im Betriebsverhalten des Festkörperlasers mit schwach ausgebildeter thermischer Linse bzw. geringer Brechkraft Dιow, als auch bei stark ausgeprägter thermischer Linsenwirkung, d. h. eine Brechkraft Dhigh, weitgehend gleich ausgebildet ist. Hierbei weist die aus dem Resonator emittierte Laserstrahlung unter beiden Betriebsbedingungen vorzugsweise eine Strahlqualität M2 von kleiner 3, besonders vorzugsweise von kleiner 1 ,5, auf.
Zwar vermag der diodengepumpte Festkörperlaser im Betriebsfall bei D|0W aufgrund der geschlossenen Güteschaltung, die typischerweise als Q-Switch-Schaltung ausgebildet ist, kein Laserlicht zu emittieren, doch tritt die Betriebssituation mit D|0w sofort bei Anschwingen des Lasers nach Öffnen des Q-Switch-Schalters auf. In diesem Fall, des sich nicht im thermischen Gleichgewicht befindlichen Festkörperlasers während der Anschwingperiode, gilt es mit der erfindungsgemäßen Maßnahme abzufangen und dafür zu sorgen, dass die Strahlqualität unmittelbar nach Öffnen des Güteschalters nahezu identisch ist mit jener, die sich nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes, also nach Erreichen der thermisch schwächeren Linsenwirkung D[0W einstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der diodengepumpte Festkörperlaser einen asymmetrisch aufgebauten Resonator auf, d. h. der Resonator verfügt über zwei Resonatorspiegel mit unterschiedlichen Krümmungsradien, die entweder einen konvex-planen, konvex-konkaven oder konvex-konvexen Resonatoraufbau entsprechen.
Asymmetrische optische Resonatoren mit intrakavitärer thermischer Linsenwirkung in Form eines diodengepumpten Laserkristalles können in ansich bekannter Weise in ihrem Stabilitätsverhalten durch das in Figur 2 dargestellte Stabilitätsdiagramm beschrieben werden. So ist das stabile Betriebsverhalten eines Festkörperlasers nicht nur abhängig von den reinen, die Geometrie des Resonators bestimmenden Parametern wie die Krümmungsradien Ri und R2 der Resonatorspiegel sowie deren gegenseitiger Abstand L, sondern das stabile Schwingungsverhalten hängt in entscheidendem Maße von dem optischen Brechkraftverhalten D des optisch gepumpten Laserkristalls ab. Letzeres ist, wie bereits erwähnt, jedoch keine konstante Größe sondern temperaturabhängig. Zur erleichterten Beschreibung des optischen Brechkraftverhaltens eines optisch gepumpten Laserkristalls bedient man sich üblicherweise der Vorstellung über eine optische Linse, die über eine von der Temperatur abhängige Brechkraft D sowie über wenigstens eine Hauptebene verfügt. Zusammen mit den geometrischen Resonatorgrößen R-i, R2 sowie L, lassen sich die Stabilitätskriterien eines derartigen Resonators mit einer intrakavitären thermischen Linse - in diesem Zusammenhang ist auch die Verwendung des Begriffes „aktiver Resonator" gebräuchlich -, unter Verwendung der sog. G-Faktoren wie folgt formulieren:
0 < G-i ■ G2 < 1
mit Gi = 1 - L*/Rι - D- d2
G2 = 1 - L*/R2- D- dι und L* = di + d2 - D-drd2
Bei den vorstehenden Formalismen ist berücksichtigt, dass der Laserkristall über zwei Hauptebenen verfügt, wobei di, d2 den Abständen der Resonatorspiegel von den jeweiligen Hauptebenen der thermischen Linse bzw. des Laserkristalls entsprechen. An dieser Stelle sei auf das Buch von W. Koechner hingewiesen, "Solid-State Laser Engineering", Springer 1999, 5th Edition.
Ein derartig aufgebauter, asymmetrischer Resonator weist zwei von der Brechkraft des Laserkristalls abhängige stabile Schwingungsbereiche auf, von denen der erste stabile Schwingungsbereich durch die kritischen Brechkräfte Di und Du sowie der zweite Schwingungsbereich durch die Brechkräfte Dm und Div begrenzt sind. Siehe hierzu das Stabilitätsdiagramm in Figur 2, in dem zwei Geraden AS1 und AS2 eingetragen sind, die das Stabilitätsverhalten zweier asymmetrischer Resonatoren beschreiben. So zeigt sich, dass bei einer vorgegebenen Resonatorgeometrie das stabile Schwingungsverhalten eines Resonators von der Brechkraft D des Laserkristalls abhängt. Hierbei entspricht der erste Stabilitätsbereich, bei Di bis Du jenem Betriebsverhalten des eingangs beschriebenen diodengepumpten Festkörperlasers, bei dem die optische Brechkraft schwach ausgebildet ist, also dem Zustand mit Dιow- Der zweite Stabilitätsbereich, zwischen Dm und D|V hingegen entspricht dem Betriebsverhalten mit starker thermischer Brechkraft, d. h. Dnigh. Wird nun, wie anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles nachstehend im Einzelnen erläutert wird, lediglich eine Modenblende mit einer den Laserstrahlquerschnitt begrenzenden Apertur intrakavitär eingebracht, so zeigt sich bei entsprechender Anordnung der Blende innerhalb des Resonators im besten Falle eine Strahlqualitätsverbesserung in Bezug auf die Ausbildung des TEM0o-Modes jedoch lediglich in einem einzigen Stabilitätsbereich. Wird der Festkörperlaser hingegen in dem nicht von der Blende erfassten Stabilitätsbereich betrieben, so zeigt sich hier die Ausbildung einer dramatischen Strahlqualitätsverschlechterung. Werden hingegen erfindungsgemäß zwei Modenblenden innerhalb des Resonators vorgesehen, die jeweils zu einer Strahlquerschnittsbegrenzung des sich innerhalb der jeweiligen Stabilitätsbereiche ausbildenden Laserstrahls führen, so können bei geeigneter Wahl der Modenblenden sowie deren Positionierung innerhalb des Resonators Strahlqualitäten M2 von kleiner 3, vorzugsweise kleiner 1 ,5 erreicht werden.
An einem konkreten Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Einflussnahme auf die Strahlqualität eines diodengepumpten asymmetrisch aufgebauten Festkörperlasers erläutert werden.
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. 1 schematisierte Resonatoranordnung eines longitudinal diodengepumpten Festkörperlasers, Fig. 2 Stabilitätsdiagramm sowie Fig. 3 Diagramm zur Darstellung der Strahlqualität in Abhängigkeit der
Brechkraft des Laserkristalls.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist ein diodengepumpter Festkörperlaser schematisch dargestellt. Im Einzelnen sorgt ein Diodenlaser 1 als Pumplichtquelle, die den innerhalb des Resonators angeordneten Laserkristalls 2 longitudinal optisch anregt. Der Laserresonator ist in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als konvexplaner Resonator ausgebildet und verfügt über einen konvex ausgebildeten Resonatorspiegel 3 sowie einem plan ausgebildeten Resonatorspiegel 4. Es sei angenommen, dass der Resonatorspiegel 3 einen Krümmungsradius R-i von -500 mm sowie der Resonatorspiegel 4 einen Krümmungsradius R2 von unendlich aufweist. Die Resonatorlänge L beträgt 400 mm und der Abstand zwischen Resonatorspiegel 3 und der Hauptebene H des Laserkristalls 2 di = 171 mm. Der Laserkristall verfügt über eine Kristalllänge von 8 mm und ist als Nd:YV04-Kristall ausgebildet. Der mit dieser Resonatorgeometrie erzeugbare Laserstrahl weist einen Strahlquerschnitt von 1 ,8 mm auf. Ferner sind innerhalb des Resonators zwei Modenblenden Mi und M2 eingebracht. Der Abstand der Modenblende Mi zum Resonatorspiegel 3 beträgt mι = 40 mm wohingegen der Abstand zwischen der Modenblende M2 und dem Resonatorspiegel 4 m2 = 105 mm beträgt.
In besonders bevorzugter Weise eignet sich als Laserkristall Nd:YVO . Jedoch sind auch Laserkristalle in gleicher oder ähnlicher Weise einsetzbar, die aus folgend dotierten Kristallen bestehen: Nd.ΥAG, Nd.ΥLF, Nd:GV04, Nd:YPO4) Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb.FAB, Cr.LiSAF, CπLiCAF, CrLiSGAF, CπYAG, Tm- Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, EπYAG, EπYLF oder EπGSGG.
Betreibt man den in Figur 1 dargestellten diodengepumpten Festkörperlaser ohne Vorsehen der Modenblenden Modenblenden Mi. sowie M2,so ergibt sich eine Strahlqualität im emittierten Laserstrahl in Abhängigkeit der sich ausbildenden thermischen Brechkraft D des Laserkristalls, die durch die Kurve a im Diagramm gemäß Figur 3 dargestellt ist.
In dem in Figur 3 dargestellten Diagramm sind längs der Abszisse Dioptriewerte aufgetragen, längs der Ordinate die Strahlqualität in M2-Werte. Es zeigt sich deutlich, dass ohne Vorsehen jeglicher Modenblenden innerhalb des Resonators die im emittierten Laserstrahl vorhandene Strahlqualität M2 nahezu für den gesamten Dioptriebereich Werte annimmt, die größer 3 betragen und somit für viele Anwendungsfälle eine unzureichende Strahlqualität aufweist. Sieht man hingegen die Modenblende Mi, bspw. mit einer Blendenöffnung von 1,2 mm vor, so wirkt sich dies auf die Strahlqualität innerhalb des emittierten Laserstrahls gemäß der in Figur 3 dargestellten Kurve b aus. Es zeigt sich, dass für Werte der Brechkraft D > 5 die Strahlqualität M2 auf Werte von unter 3 abnimmt. Jedoch wirkt sich die Modenblende Mi nur ungenügend auf die Strahlqualität für Werte der Brechkraft D zwischen 0 und 5 aus. In diesem Bereich verbleiben die Werte M2 für die Strahlqualität ungenügend hoch, d. h. um 3 und größer.
In umgekehrter Weise stellt sich die Situation dar, bei ausschließlichem Einbringen der Modenblende M2 in den Resonator. Hierbei ergibt sich für die Strahlqualität im emittierten Laserstrahl ein Funktionsverlauf gemäß der Kurve c. In diesem Fall stellt sich zwar eine akzeptable Strahlqualität M2 von kleiner 3 für Brechkraftwerte D > 5 ein. Dennoch reduziert sich die Strahlqualität M2 für Brechkraftwerte > 5 deutlich.
Sieht man hingegen erfindungsgemäß zwei Modenblenden Mi und M2 derart innerhalb des Resonators vor, so dass beide Modenblenden den Strahlquerschnitt des Laserstrahls innerhalb des Resonators begrenzen - im Falle des Resonatoraufbaus gemäß Figur 1 weist hierbei der Strahldurchmesser 1 ,8 mm auf, die Blendenöffnung der Modenblende Mi beträgt 1 ,2 mm sowie die Blendenöffnung der Modenblende M beträgt 0,9 mm -, so stellt sich eine Strahlqualität in Abhängigkeit der Brechkraft D des Laserkristalls ein, die durch den Funktionsverlauf d gemäß der Diagrammdarstellung in Figur 3 gegeben ist. Es zeigt sich, dass sowohl für kleine wie auch für größere Brechkraftwerte Strahlqualitäten M2 von kleiner 3 erzielbar sind. Es zeigt sich zudem, dass durch das erfindungsgemäße Vorsehen zweier Modenblenden eine nahezu konstante Strahlqualität M2 sowohl im Bereich geringer Brechkraftwerte als auch im Bereich größerer Brechkraftwerte erreicht werden können.
Diese Eigenschaft der von der Brechkraft abhängigen Strahlqualität gemäß dem Funktionsverlauf d in Figur 3 wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um das eingangs geschilderte Problem des Anschwingvorganges unmittelbar nach Öffnen des Güteschalters bei einem diodengepumpten Festkörperlasers zu beherrschen. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme ist man in der Lage zu jedem Zeitpunkt des im Betrieb befindlichen gütegeschalteten diodengepumpten Festkörperlasers eine nahezu gleichbleibende hohe Strahlqualität mit Werten von M2 < 3 zu erzielen.
So vermag die Modenblende M2 im obigen Ausführungsbeispiel die Strahlqualität M2 für geringe Brechkräfte D|0W effektiv zu reduzieren, wohingegen die Modenblende Mi die Strahlqualität M2 für höhere Brechkräfte Dhigh deutlich unter 3 reduziert.
Ferner kommt der Modenblende M2 eine zusätzliche Funktion in Bezug auf die Erhöhung der Richtungsstabilität des aus dem Festkörperlaser austretenden Laserstrahls zu. Hierzu ist die Modenblende M2 möglichst nahe dem Resonatorauskoppelspiegel 4 anzuordnen.
Bezugszeichenliste
Pumplichtquelle, Laserdiode
Laserkristall
Resonatorspiegel
Modenblende

Claims

Patentansprüche
1. Diodengepumpter Festkörperlaser mit Güteschaltung und wenigstens einem intrakavitär angeordneten, über eine thermische Linsenwirkung verfügenden Laserkristall mit wenigstens einer optischen Achse, längs der ein von der Diodenlichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, dessen thermische Linsenwirkung in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Festkörperlasers wenigstens zwei voneinander unterscheidbare Brechkräfte D|0 und Dhigh einnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass längs der wenigstens einen optischen Achse beidseitig zum Laserkristall jeweils wenigstens eine Modenblende vorgesehen ist, von denen eine erste Modenblende Mi eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft D igh im Strahlquerschnitt begrenzende Apertur aufweist und von denen die zweite Modenblende M2 eine den innerhalb des Resonators ausbildenden Laserstrahl bei der Brechkraft Dιo im Strahfquerschnitt begrenzende Apertur aufweist.
2. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Modenblenden innerhalb des Resonators angeordnet sind.
3. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturen der Modenblenden derart bemessen sind, dass wenigstens eine Modenblende den Laserstrahl im Strahiquerschnitt begrenzt.
4. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Resonator emittierte Laserstrahl eine Strahlqualität M2 aufweist, die sowohl im Falle Dιo als auch im Falle Dhjgh in etwa gleich ist und Werte kleiner 3 annimmt.
5. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der als thermische Linse wirkende Laserkristall zwei Hauptebenen vorsieht, und dass folgende Stabilitätskriterien für den Resonator gelten:
0 < Gi • G2 < 1
mit G-, = 1 - L*/Rι - D- d2
G2 = 1 - L*/R2- D- dι und L* = dι + d2 - D-dι-d2 di, d2: Abstände der Resonatorspiegel von den Hauptebenen der thermischen Linse
R-i, R2 Krümmungsradius der Resonatorspiegel und dass die Größen di, d2, Ri und R2 derart gewählt sind, dass bei folgenden kritischen Brechkräften Dj, Du, Dm und Di , für die gilt
Dj = , Du = , Dm = , DIV = — + —
Rγ — d j R2 -- d 2 d2 R^ — u j dl R2 — d2 d^ d2 folgende Beziehungen erfüllt sind:
DlI -DI =DI¥ -Dm ≤ θ dptr.
Figure imgf000016_0001
≤ 2 dptr.
6. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Güteschalter ein intrakavitärer akustooptischer oder elektrooptischer Q-Switch-Schalter ist.
7. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der asymmetrische optische Resonator einen konvex-planen, konvex-konkaven oder konvex-konvexen Resonatoraufbau ausweist.
8. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall mit einem oder mehreren der folgenden Dotierstoffen dotiert ist: Nd, Yb, Cr, Tm, Ho oder Er.
9. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall aus folgenden dotierten Kristallen besteht: Nd:YAG, Nd:YV04, Nd:YLF, Nd:GVO4, Nd:YP04, Nd:BEL, Nd.ΥALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, CπLiSAF, CπLiCAF, Cr.LiSGAF, CπYAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er.YLF oder Er.GSGG.
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