WO2009049735A1 - Laser crystal - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a laser crystal having an end surface (E) that is convex to the interior of the crystal, said end surface being mirrored (3) in a highly reflective fashion for at least one laser wavelength, and said laser crystal being excitable only in a region near said end surface (E) to achieve a stimulated laser emission on at least one laser wavelength, and not being thus excitable in a region removed from the convex end surface.

Description

Laserkristall laser crystal
Die Erfindung betrifft einen Laserkristall. Laserkristalle sind im Stand der Technik allgemein bekannt und werden üblicherweise verwendet, um Laserresonatoren zur Erzeugung von Laserstrahlung oder aber auch Laserverstärker zur Verstärkung von bereits erzeugter Laserstrahlung aufzubauen.The invention relates to a laser crystal. Laser crystals are well known in the art and are commonly used to build laser resonators for generating laser radiation or even laser amplifiers for amplifying already generated laser radiation.
Laserkristalle zeichnen sich dabei dadurch aus, dass es sich um Restkörpermedien, teilweise mit zusätzlicher Dotierung handelt, in welchen eine Besetzungsinversion der Elektronen durch äußere Anregung, beispielsweise optische Anregung durch sogenanntes Pumplicht erzeugt werden kann, so dass eine stimulierte Emission von Photonen einer oder auch mehrerer Laserwellenlängen erzeugt wird. Je nach gewünschter Laserwellenlänge können dabei unterschiedliche Laserkristalle, d.h. verschiedene Festkörpermedien mit oder auch ohne eine zusätzliche Dotierung eingesetzt werden.Laser crystals are characterized in that they are residual body media, sometimes with additional doping, in which a population inversion of the electrons can be generated by external excitation, for example optical excitation by so-called pump light, so that a stimulated emission of photons of one or more Laser wavelengths is generated. Depending on the desired laser wavelength, different laser crystals, i. different solid-state media can be used with or without an additional doping.
Für einen effizienten Laserprozess, d.h. eine effiziente Durchführung der stimulierten Emission, ist es wesentlich, im Bereich oder deutlich über der Sättigungsenergieflussdichte zu arbeiten, damit die stimulierte Emission gegenüber anderen Prozessen, insbesondere der verstärkten spontanen Emission dominiert, da andernfalls der Wirkungsgrad gering ist.For an efficient laser process, i. efficient performance of the stimulated emission, it is essential to operate at or well above the saturation energy flux density, so that the stimulated emission dominates over other processes, in particular the enhanced spontaneous emission, otherwise the efficiency is low.
Je nach Auswahl des Laserkristalls und der betriebenen Laserwellenlänge kann es dabei vorkommen, dass die benötigten Sättigungsenergieflussdichten derart hoch sind, dass diese die Zerstörschwellen des Lasermaterials oder zumindest aber eventueller Beschichtungen, wie beispielsweise Antireflexbeschichtungen an den Austrittsflächen der Laserkristalle, erreichen. So wird oftmals bei einem effizienten Betrieb eines Laserkristalls beobachtet, dass dieser an den Austrittsflächen nach kurzer Zeit zerstört wird. Dieser nachteilige Effekt, der insbesondere in Verbindung mit Antireflexbeschichtungen an den Austrittsflächen von Laserkristallen beobachtet wird, ist auch deswegen nachteilig, da bei bestimmten gewünschten und von einem Laserkristall grundsätzlich bereitgestellten Emissionswellenlängen die Sättigungsflussdichte für einen effektiven Laserbetrieb nicht erreicht werden kann, da die Zerstörschwelle an den Austrittsflächen, insbesondere aufgrund von Antireflexbeschichtungen deutlich unterhalb der Zerstörschwelle des Kristallmaterials liegt und somit der praktische Laserbetrieb eines solchen Laserkristalls bei diesen Wellenlängen verhindert wird.Depending on the selection of the laser crystal and the operated laser wavelength, it may happen that the required saturation energy flux densities are so high that they reach the damage thresholds of the laser material or at least any coatings, such as antireflection coatings on the exit surfaces of the laser crystals. Thus, it is often observed during efficient operation of a laser crystal that it is destroyed at the exit surfaces after a short time. This disadvantageous effect, which is observed in particular in connection with anti-reflection coatings on the exit surfaces of laser crystals, is also disadvantageous because at certain desired emission wavelengths basically provided by a laser crystal, the saturation flux density can not be achieved for effective laser operation, since the damage threshold at the Exit surfaces, especially due to anti-reflective coatings is well below the damage threshold of the crystal material and thus the practical laser operation of such a laser crystal is prevented at these wavelengths.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laserkristall zur Verfügung zu stellen, mittels dem ein effizienter Laserbetrieb, insbesondere ein Laseroszillator- oder auch Laserverstärkerbetrieb möglich ist und mit dem im Bereich des laseraktiven Mediums ein Betrieb im Bereich oder oberhalb der Sättigungsenergieflussdichte erzielt werden kann, bei dem jedoch Zerstörungen der Austrittsflächen, insbesondere wenn diese mit einer Antireflexbeschichtung versehen sind, wirksam vermieden werden.The object of the invention is to provide a laser crystal, by means of which an efficient laser operation, in particular a laser oscillator or laser amplifier operation is possible and with which in the region of the laser-active medium, an operation in the range or above the saturation energy flux density can be achieved, in which However, destruction of the exit surfaces, especially if they are provided with an anti-reflection coating can be effectively avoided.
Insbesondere soll mit einem erfindungsgemäßen Laserkristall auch die Möglichkeit geschaffen werden, Wellenlängenbereiche zu erschließen, die bislang im gütegeschalteten Betrieb bei üblichen Kristallen nicht genutzt werden konnten, wie z.B. die Wellenlänge von 942,5 Nanometer bei Nd:GSAG-Kristallen sowie auch von 1030 Nanometer bei Yb:YAG-Lasem.In particular, the possibility should be created with a laser crystal according to the invention to develop wavelength ranges which could hitherto not be used in Q-switched operation with conventional crystals, such as e.g. the wavelength of 942.5 nanometers for Nd: GSAG crystals as well as 1030 nanometers for Yb: YAG Lasem.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Laserkristall eine zum Kristallinneren konvexe Endfläche aufweist, die für wenigstens eine Laserwellenlänge hoch reflektiv verspiegelt ist und der Laserkristall weiterhin nur in einem zu dieser Endfläche nahen, insbesondere an die Endfläche angrenzenden Bereich zur Erzielung einer stimulierten Laseremission auf wenigstens einer Laserwellenlänge anregbar ist, nicht jedoch in einem von der konvexen Endfläche fernen in einem Abstand angeordneten Bereich. So ist es wesentlicher Gedanke bei einem erfindungsgemäßen Laserkristall, dass die geforderte Besetzungsinversion zur Erzielung einer stimulierten Emission auf einer bestimmten und gewünschten Laserwellenlänge, gegebenenfalls auch mehreren Wellenlängen oder einem Wellenlängenbereich nur in einem Teilbereich des erfindungsgemäßen Laserkristalls erzeugt werden kann, z.B. durch optische Anregung, wobei dieser Bereich nahe der zum Kristallinneren konvexen Endfläche angeordnet ist, insbesondere unmittelbar an die konvexe Endfläche angrenzt.According to the invention, this object is achieved in that a laser crystal has a convex end face to the crystal interior, which is highly reflective mirrored for at least one laser wavelength and the laser crystal only in a near this end face, in particular adjacent to the end surface area to achieve a stimulated laser emission at least one laser wavelength is excitable, but not in a distant from the convex end surface at a spaced area. Thus, it is an essential idea in a laser crystal according to the invention that the required population inversion to achieve a stimulated emission at a certain and desired laser wavelength, possibly even multiple wavelengths or a wavelength range can be generated only in a portion of the laser crystal according to the invention, for example by optical excitation, this region is arranged near the end face which is convex toward the inside of the crystal, in particular directly adjacent to the convex end face.
Licht, insbesondere das erzeugte oder verstärke Laserlicht, welches innerhalb eines solchen Laserkristalls auf die konvexe Endfläche zupropagiert, wird demnach an der konvexen Endfläche zurückgespiegelt und verläuft somit aufgrund der konvexen Ausformung der Endfläche divergent durch den Laserkristall zurück, so dass grundsätzlich bei der Verwendung eines derartigen Laserkristalls in einem Laserresonator oder einem Laserverstärker die minimale Strahltaille innerhalb des Laserkristalls unmittelbar an der konvexen Endfläche existiert. Dies bedeutet, dass die für einen effizienten Laserprozess benötigte Energieflussdichte, die bei oder deutlich oberhalb derLight, in particular the laser light generated or amplified, which propagates to the convex end surface within such a laser crystal, is therefore reflected back at the convex end surface and thus runs divergently through the laser crystal due to the convex shape of the end surface, so that in principle when using such Laser crystal in a laser resonator or a laser amplifier, the minimum beam waist within the laser crystal directly on the convex end surface exists. This means that the energy flux density needed for an efficient laser process, at or well above the
Sättigungsenergieflussdichte liegt, nur an dieser Stelle, d.h. in dem laseraktiven der konvexen Endfläche nahen Bereich des Laserkristalls erzielt werden muss.Saturation energy flux density is only at that location, i. must be achieved in the laser-active the convex end surface near the area of the laser crystal.
In dem Bereich, der von der konvexen Endfläche fern ist, wird aufgrund der Strahlgeometrie und hier insbesondere aufgrund des divergenten Strahlverlaufs die Energieflussdichte mit fortschreitender Entfernung von der konvexen Endfläche abnehmen, so dass an einer Austrittsfläche des Laserkristalls die in dem von der konvexen Endfläche fernen Bereich angeordnet ist, die Zerstörschwellen der Austrittsfläche, insbesondere die Zerstörschwelle einer eventuellen Beschichtung dieser Austrittsfläche unterschritten bleibt und somit ein sicherer Betrieb eines solchen Laserkristalls möglich ist.In the region remote from the convex end surface, due to the beam geometry, and in particular due to the divergent beam path, the energy flux density will decrease as the distance from the convex end surface progresses, such that at an exit surface of the laser crystal the region remote from the convex end surface is arranged, the damage thresholds of the exit surface, in particular the damage threshold of a possible coating of this exit surface remains below and thus safe operation of such a laser crystal is possible.
Dabei ist es erfindungsgemäß wie eingangs erwähnt vorgesehen, dass in dem fernen Bereich der Laserkristall nicht zur stimulierten Emission auf der eingangs genannten gewünschten Wellenlänge oder den Wellenlängen oder dem Wellenlängenbereich anregbar ist, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen, so dass mit einem Laserkristall der erfindungsgemäßen Art wirksam verhindert wird, dass die in dem der konvexen Endfläche nahen Bereich erzeugte oder verstärkte Laserstrahlung nicht bereits in dem fernen Bereich wieder absorbiert wird, was bei Drei-Niveau-Lasern oder Quasi-Drei-Niveau-Lasem der Fall wäre, wenn ein Laserkristall über seine gesamte Länge anregbar ist, jedoch in dem angeregten fernen Bereich die Energieflussdichte nicht genügend hoch ist, um stimulierte Emission und somit eine Verstärkung des gewünschten Laserstrahls zu erzielen, sondern demgegenüber eine Reabsorption stattfindet oder aber verstärkte spontane Emission dominiert.It is according to the invention as mentioned above provided that in the distant region of the laser crystal not for stimulated emission on the beginning said desired wavelength or the wavelengths or the wavelength range is excitable to produce a population inversion, so that effectively prevented by a laser crystal of the type according to the invention that the laser beam generated or amplified in the near end of the convex end surface is not already in the distant area again which would be the case for three-level lasers or quasi-three-level Lasem when a laser crystal is excitable over its entire length, but in the excited far range the energy flux density is not sufficiently high to stimulate emission and thus to achieve a gain of the desired laser beam, but on the other hand reabsorption takes place or dominated by increased spontaneous emission.
Ein Laserkristall der erfindungsgemäßen Art kombiniert demnach drei erfindungswesentliche Eigenschaften, nämlich das Erzielen bzw. Überschreiten der Sättigungsenergieflussdichte im laseraktiven, der konvexen Endfläche nahen Bereich des Laserkristalls, sowie weiterhin die Verhinderung der Reabsorption und/oder die Verhinderung von verstärkter spontaner Emission in dem der konvexen Endfläche fernen Bereich, in welchem die für den Laserprozess notwendige Energieflussdichte aufgrund der Divergenz des Strahls unterschritten bleibt und das Betreiben des Laserkristalls deutlich unterhalb der Zerstörschwelle der Austrittsfläche bzw. einer Beschichtung der Austrittsfläche.A laser crystal of the type according to the invention thus combines three properties essential to the invention, namely the achievement or exceeding of the saturation energy flux density in the laser-active region of the laser crystal near the convex end surface, and furthermore the prevention of reabsorption and / or the prevention of increased spontaneous emission in that of the convex end surface Far region in which the energy flux density necessary for the laser process remains below due to the divergence of the beam and the operation of the laser crystal well below the damage threshold of the exit surface or a coating of the exit surface.
In einer möglichen Ausführung der Erfindung kann es dabei vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Laserkristall aus einem einstückigen Kristallwirt gebildet ist, der nur nahe der konvexen Endfläche eine Dotierung mit einem Material für die Erzielung der stimulierten Laseremission aufweist und der fern der konvexen Endfläche entweder eine schwächere, beispielsweise auch eine von dieser konvexen Endfläche in Richtung auf die gegenüberliegende Endfläche abnehmende Dotierung, keine Dotierung oder aber eine Dotierung mit einem anderen Material aufweist. Bei derartigen einstückigen Kristallwirten kann es sich beispielsweise um Granat- Wirte handeln, wie beispielsweise Yttrium-Aluminium-Granat, Gadolinium- Scandium-Aluminium-Granat oder auch andere Granatwirte, die bei einer Dotierung mit einem weiteren Material, wie beispielsweise Neodym-Ionen oder Ytterbium-Ionen bei bestimmten Laserwellenlängen betrieben werden können.In one possible embodiment of the invention, it may be provided that the laser crystal according to the invention is formed from a one-piece crystal host having only near the convex end surface doping with a material for achieving the stimulated laser emission and the far the convex end surface either a weaker , For example, a decreasing from this convex end surface in the direction of the opposite end surface doping, no doping or doping with another material. Such one-piece crystal hosts may, for example, be garnet hosts, such as yttrium-aluminum garnet, gadolinium-scandium-aluminum garnet or other garnet hosts that, when doped with another material, such as neodymium ions or ytterbium Ions at certain laser wavelengths can be operated.
So kann es beispielsweise erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein derartiger einstückiger Kristallwirt nach einem bekannten Verfahren, z.B. nach dem Czrochralski-Verfahren gezogen wird, wobei während des Ziehen des Kristalls die Dotierung der Kristallschmelze verändert wird, beispielsweise die Materialien zur Dotierung erst zum Ende des Ziehprozesses hinzugefügt werden und somit lediglich das Ende des gezogenen Kristalls die Dotierung aufweist, um so einen dotierten und einen undotierten oder weniger dotierten Bereich innerhalb eines einstückigen Laserkristalls zu erreichen.For example, it may be provided according to the invention that such a one-piece crystal host may be prepared by a known method, e.g. is pulled by the Czrochralski method, wherein during the pulling of the crystal, the doping of the crystal melt is changed, for example, the materials for doping are added only at the end of the drawing process and thus only the end of the pulled crystal has the doping, thus a doped and reach an undoped or less doped region within a one-piece laser crystal.
Es besteht sodann die Möglichkeit, nach weiterer Formgebungsmaßnahmen des Kristalls denjenigen Bereich dieses einstückigen Kristalls mit einer zum Kristallinneren konvexen Endfläche zu versehen, der die gewünschte und notwendige Dotierung zur Erzielung einer stimulierten Laseremission innerhalb dieses Bereichs aufweist.It is then possible, after further shaping of the crystal, to provide that region of this one-piece crystal with an end surface which is convex toward the inside of the crystal and has the desired and necessary doping for achieving a stimulated laser emission within this region.
Allgemein wird unter einem Laserkristall im Sinne der Erfindung auch ein solcher laseraktiver Festkörper verstanden, der nach strenger kristallografischer Betrachtung keinen Kristall darstellt, sondern ggfs. ein amorphes Material oder auch eine Keramik. Auch diese Laserfestkörpermedien werden im Sinne der Erfindung unter dem Begriff des Laserkristalls verstanden, auch wenn diese Bezeichnung kristallografisch nicht korrekt ist. Es erschließen sich demnach gerade auch andere als das vorgenannte Verfahren zur Herstellung eines Laserkristalls der erfindungsgemäßen Art mit einem der konvexen Endfläche nahen und laseraktiven Bereich und einem der konvexen Endfläche fernen und nicht laseraktiven Bereich. Beispielsweise ist es in letzter Zeit bekannt geworden, dass Laserkristalle grundsätzlich nicht nur durch kristallografische Zuchtverfahren hergestellt werden können, sondern auch durch Sinterverfahren, wenn es sich um laseraktive Keramiken handelt. Auch diese werden im Sinne der Erfindung zu den genannten Laserkristallen hinzugezählt, ebenso wie dotierte Gläser, die amorph sind.In general, a laser crystal in the sense of the invention is also understood as meaning a laser-active solid which, according to strict crystallographic observation, does not represent a crystal, but optionally an amorphous material or also a ceramic. These laser solid-state media are understood in the context of the invention by the term of the laser crystal, even if this name is crystallographically incorrect. Accordingly, other than the above-mentioned method for producing a laser crystal of the type according to the invention with a region near the convex end surface and a laser active region and a region remote from the convex end surface and not a laser-active region are also apparent. For example, it has recently become known that laser crystals can basically not only be produced by crystallographic breeding methods, but also by sintering methods, if they are laser-active ceramics. These are also added in the sense of the invention to the said laser crystals, as well as doped glasses which are amorphous.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass ein erfindungsgemäßer Laserkristall als ein Kompositkristall ausgebildet ist mit einem ersten Kristall, der die konvexe Endfläche aufweist und den nahen Bereich bildet, der also laseraktiv ist und in dem durch Anregung, insbesondere optische Anregung, eine geforderte Besetzungsinversion erzeugt werden kann und der einen zweiten Kristall aufweist, der den fernen Bereich bildet und der nicht zu einer stimulierten Laseremission auf derselben gewünschten Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen wie in dem ersten Kristall angeregt werden kann, wobei beide Kristalle aneinander optisch angekoppelt sind. Für den Begriff des Kristalls gilt hier die gleich Definition wir zuvor genannt.According to another embodiment of the invention, it can also be provided that a laser crystal according to the invention is formed as a composite crystal having a first crystal which has the convex end surface and forms the near region, which is thus laser active and in which by excitation, in particular optical excitation , a required population inversion can be generated and having a second crystal forming the far region and which can not be excited to a stimulated laser emission at the same desired wavelength or multiple wavelengths as in the first crystal, both crystals being optically coupled to each other. For the concept of crystal here the same definition as we mentioned before.
Hierdurch wird wie eingangs erwähnt ebenso erreicht, dass in dem ersten Kristall mit der konvexen Endfläche die Energieflussdichte genügend hoch gewählt werden kann zur Erzielung eines effizienten Laserprozesses, hingegen der Strahl nach der Aufweitung vor einer Auskopplung aus der Austrittsfläche des erfindungsgemäßen Komposit-Laserkristalls durch den zweiten optisch angekoppelten Kristall propagieren muss, bevor er die Auskopplungsfläche erreicht, auf der jedoch der Durchmesser aufgrund des divergenten Strahlverhaltens von der konvexen Endfläche zur gegenüberliegenden Austrittsfläche genügend groß ist, um die Zerstörschwelle dieser Endfläche bzw. der dort angeordneten Antireflexbeschichtung deutlich zu unterschreiten.As a result, as already mentioned, the energy flux density in the first crystal with the convex end surface can be selected to be sufficiently high to achieve an efficient laser process, whereas the beam, after being widened, precludes outcoupling from the exit surface of the composite laser crystal according to the invention optically coupled crystal must propagate before it reaches the coupling surface on which, however, the diameter due to the divergent beam behavior from the convex end surface to the opposite exit surface is sufficiently large to significantly lower the damage threshold of this end face or disposed there antireflection coating.
Im Wesentlichen hat bei einem derartigen erfindungsgemäßen Laserkristall der zweite optisch angekoppelte Kristall bzw. allgemein der ferne Bereich lediglich die Aufgabe, genügend Propagationsweg innerhalb des erfindungsgemäßen Laserkristalls bereitzustellen, um aufgrund der Divergenz einen genügend großen Querschnitt auf der Austrittsfläche zu erzeugen.Essentially, with such a laser crystal according to the invention, the second optically coupled crystal or, more generally, the far region has merely the task of providing sufficient propagation path within the invention To provide laser crystal to produce due to the divergence a sufficiently large cross-section on the exit surface.
Hierbei kann es erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, dass der zweite Kristall, der optisch an den ersten Kristall angekoppelt ist, einen bevorzugt identischen, zumindest jedoch ähnlichen Brechungsindex aufweist wie der erste Kristall, der Brechungsindexunterschied zwischen den Kristallen demnach genügend klein ist, um interne Reflexionseffekte an der Ankopplungsebene beider Kristalle in ausreichendem Maße zu verhindern. Bevorzugt werden die beiden aneinander anzukoppelnden Kristalle demnach derart ausgewählt, dass sich deren Brechungsindizes vorzugsweise erst in der zweiten, besonders bevorzugt erst in der dritten oder späteren Nachkommastellen unterscheiden.In this case, it may be preferred according to the invention for the second crystal, which is optically coupled to the first crystal, to have a preferably identical, but at least similar refractive index to that of the first crystal, the refractive index difference between the crystals being therefore sufficiently small, for internal reflection effects to prevent the coupling plane of both crystals sufficiently. Accordingly, the two crystals to be coupled to each other are preferably selected such that their refractive indices preferably differ only in the second, and more preferably only in the third or later decimal places.
Für die optische Ankopplung der beiden Kristalle aneinander kann dabei auf übliche Techniken zurückgegriffen werden, die nicht den Gegenstand dieser Erfindung betreffen. Beispielsweise kann die optische Ankopplung durch das thermische Diffusionsbonden erfolgen, oder durch optisches Ansprengen. Es handelt sich hierbei um in den Fachkreisen bekannte Verfahren, um Kristalle miteinander zu verbinden, ohne ein Verbindungsmaterial zwischen den Kristallen einsetzen zu müssen, insbesondere so, dass die beiden Kristalle stoffschlüssig miteinander verbunden sind.For the optical coupling of the two crystals to each other can be made of conventional techniques that do not relate to the subject of this invention. For example, the optical coupling can be effected by the thermal diffusion bonding, or by optical wringing. These are known in the art methods to connect crystals together without having to use a bonding material between the crystals, in particular so that the two crystals are firmly bonded together.
In einer besonders bevorzugten Ausführung kann es dabei vorgesehen sein, dass beide Kristalle des erfindungsgemäßen Komposit-Kristalls denselben Kristallwirt aufweisen, beispielsweise einen Granatwirten. Es kann dann vorgesehen sein, dass der Kristall mit der konvexen Endfläche mit einem Material für die Erzielung der stimulierten Laseremission dotiert ist und der andere Kristall keine oder aber eine Dotierung mit einem anderen Material aufweist. Die Verwendung desselben Kristallwirten für beide Kristalle hat dabei den besonderen Vorteil, dass der Brechungsindex der beiden Kristalle nahezu identisch ist und allenfalls nur abweichend ist aufgrund der Dotierung der Materialien, die den einzigen Unterschied zwischen den beiden Kristallen darstellt. So ist demnach ein erfindungsgemäßer Kompositkristall dieser Art besonders bevorzugt, zumal diese sich auch gut aneinander optisch, beispielsweise aufgrund des Diffusionsbondens ankoppeln lassen.In a particularly preferred embodiment, it may be provided that both crystals of the composite crystal according to the invention have the same crystal host, for example a garnet host. It may then be provided that the crystal with the convex end surface is doped with a material for the purpose of obtaining the stimulated laser emission and the other crystal has no doping or with a different material. The use of the same crystal host for both crystals has the particular advantage that the refractive index of the two crystals is almost identical and at most only deviating due to the doping of the materials, which is the only difference between the two crystals. So that's one Compound crystal of this type according to the invention is particularly preferred, especially since they can also be optically coupled to one another optically, for example due to diffusion bonding.
Neben der Ausführung, bei der der Kristall mit der konvexen Endfläche eine bestimmte Dotierung zur Erzielung der stimulierten Laseremission aufweist und der andere keine Dotierung aufweist, um eine Reabsorption in dem der konvexen Endfläche fernen Bereich zu verhindern, kann es ebenso auch vorgesehen sein, dass der Kristall fern der konvexen Endfläche mit einem anderen Material dotiert ist. So kann eine Dotierung beispielsweise derart ausgewählt sein, dass der ferne Bereich eine Absorption aufweist für ungewünschte parasitäre Moden oder verstärkte spontane Emission einer anderen möglichen Laserwellenlänge des Kristalls mit der konvexen Endflächen.Besides the embodiment in which the crystal having the convex end surface has a certain doping to obtain the stimulated laser emission and the other has no doping to prevent reabsorption in the region distant from the convex end surface, it may also be provided that the crystal Crystal far from the convex end surface is doped with another material. For example, doping may be selected such that the far region has absorption for unwanted parasitic modes or increased spontaneous emission of another possible laser wavelength of the crystal having the convex end faces.
So kann bei Einsatz eines bestimmten dotierten Lasermaterials im ersten Kristall, d.h. dem mit der konvexen Endfläche ein dotiertes Kristallmaterial verwendet werden, welches nicht nur auf einer Laserwellenlänge, sondern gegebenenfalls auch auf mehreren Laserwellenlängen oder auf einem Wellenlängenband zu stimulierter Emission anregbar ist.Thus, using a particular doped laser material in the first crystal, i. a doped crystal material can be used with the convex end surface, which can be stimulated not only on a laser wavelength, but optionally also on a plurality of laser wavelengths or on a wavelength band to stimulated emission.
Ist es jedoch nur gewünscht, eine der möglichen Laserwellenlängen oder einen Teilbereich eines Laserwellenlängenbandes auszuwählen, so kann die Dotierung des zweiten Kristalls derart gewählt werden, dass sich eine Absorption ergibt, um diese ungewünschten Wellenlängenanteile in dem zweiten Kristall und somit dem der konvexen Endfläche entfernten Bereich, in dem nur geringe Flussdichten auftreten, absorbiert werden.However, if it is only desired to select one of the possible laser wavelengths or a portion of a laser wavelength band, the doping of the second crystal may be chosen to result in absorption around those unwanted wavelength portions in the second crystal and thus the region remote from the convex end surface , in which only low flux densities occur, are absorbed.
Insbesondere bei einem Laserresonatorbetrieb, bei dem die Absorption signifikante Resonatorverluste darstellt, kann demnach das Lasen auf ungewünschten Wellenlängen wirksam verhindert werden und so eine Modenselektion betrieben werden. In einer weiteren Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass beide Kristalle des Kompositkristalls unterschiedliche Kristallwirte aufweisen und der Kristall mit der konvexen Endfläche mit einem Material für die Erzielung der stimulierten Laseremission dotiert ist und der andere Kristall keine oder eine Dotierung mit einem anderen Material aufweist.In particular, in a laser resonator operation in which the absorption represents significant resonator losses, therefore, the lasing at undesired wavelengths can be effectively prevented and thus a mode selection can be operated. In a further embodiment it can also be provided that both crystals of the composite crystal have different crystal hosts and the crystal with the convex end face is doped with a material for the achievement of the stimulated laser emission and the other crystal has no doping or with a different material.
Auch bei dieser Ausführung kann es, wie bei der vorherigen Ausführung erwähnt, vorgesehen sein, dass eine Dotierung im zweiten Kristallbereich fern der konvexen Endfläche ausgewählt ist, um ungewünschte parasitäre Moden oder verstärkte spontane Emission einer anderen möglichen Laserwellenlänge absorbiert wird. Auch diese Kristalle mit unterschiedlichen Wirten sind bevorzugt derart gewählt, dass die Brechungsindizes annähernd gleich sind im oben genannten Sinne.Also in this embodiment, as mentioned in the previous embodiment, it may be provided that doping in the second crystal region is selected far from the convex end surface in order to absorb unwanted parasitic modes or amplified spontaneous emission of another possible laser wavelength. Also, these crystals with different hosts are preferably selected such that the refractive indices are approximately equal in the above sense.
Bei sämtlichen Ausführungen der eingangs genannten Art kann es vorgesehen sein, dass die der konvexen Endfläche gegenüberliegende Endfläche des fernen Bereichs für die gewünschte Laserwellenlänge entweder im Brewsterwinkel angeordnet ist und/oder aber eine Antireflexbeschichtung aufweist, wobei dann bevorzugt die der konvexen Endfläche gegenüberliegende Endfläche senkrecht zum Ausbreitungsvektor des Laserstrahls angeordnet ist.In all embodiments of the aforementioned type, it may be provided that the end face of the distal region opposite the convex end face is arranged either at Brewster's angle for the desired laser wavelength and / or has an antireflection coating, in which case the end face opposite the convex end face is perpendicular to the end face Spreading vector of the laser beam is arranged.
Der erfindungsgemäße Laserkristall wird dabei besonders bevorzugt bei Ausführungen mit einer Antireflexbeschichtung eingesetzt, da es gerade wesentlicher Nachteil einer Antireflexbeschichtung ist, dass die Zerstörschwelle der Endfläche, auf weicher diese Antireflexbeschichtung angeordnet ist, signifikant heruntergesetzt wird.The laser crystal according to the invention is particularly preferably used in embodiments with an antireflection coating, since it is precisely the essential disadvantage of an antireflection coating that the damage threshold of the end surface on which this antireflection coating is arranged is significantly reduced.
Durch die Divergenz des Laserstrahls im der konvexen Endfläche fernen Bereich und somit der erzeugten Aufweitung an der Austrittsfläche werden diese geringen Zerstörschwellen der möglichen Antireflexbeschichtungen jedoch unterschritten, so dass das damit einhergehende Problem wirksam verhindert wird. Durch die weitere Tatsache, dass in diesem der konvexen Endfläche entfernten Bereich keine Lasertätigkeit auf derjenigen Wellenlänge möglich ist, mit welcher der erste der konvexen Endfläche nahe Bereich betrieben wird, wird dabei eine Strahlabsorption auf der gewünschten Laserwellenlänge weiterhin verhindert.Due to the divergence of the laser beam in the convex end surface distal region and thus the generated expansion at the exit surface, these low damage thresholds of the possible antireflection coatings are exceeded, so that the associated problem is effectively prevented. By the further fact that in this the convex end face remote area No laser action is possible at the wavelength with which the first of the convex end surface is operated near range, while still preventing beam absorption at the desired laser wavelength.
Es erschließen sich damit mit einem Kristall der erfindungsgemäßen Art auch Lasersysteme, die bei z.B. 942,5 Nanometer arbeiten, wie beispielsweise von Neodym-dotierten Gadolinium-Scandium-Aluminium-Granat oder aber auch der Betrieb von Ytterbium-dotierten Yttrium-Aluminium-Granatlasern bei einer Wellenlänge von 1030 Nanometern, bei denen die Sättigungsenergieflussdichte zur Erzielung einer optimalen Lasertätigkeit oberhalb der Zerstörschwellen insbesondere von Antireflexschichten auf den Laserkristallen liegt.Thus, with a crystal of the type according to the invention, laser systems which are used at e.g. 942.5 nanometers work, such as neodymium-doped gadolinium-scandium-aluminum garnet or even the operation of ytterbium-doped yttrium-aluminum garnet lasers at a wavelength of 1030 nanometers, where the saturation energy flux density for optimum laser action above the damage thresholds in particular of antireflection coatings on the laser crystals.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Figur dargestellt.An embodiment of the invention is shown in the following figure.
Die Figur 1 zeigt hier einen Komposit-Laserkristall gemäß der Erfindung, der aus zwei Kristallen 1 und 2 zusammengesetzt ist. Hier weist der Kristall 1 , bezogen auf die Figur linksseitig eine zum Kristallinneren konvexe linke Endfläche E auf, die ergänzend von außen mit einer hochreflektiven Beschichtung 3 versehen ist, um für die gewünschte Laserwellenlänge, ggfs. auch für die Pumpwellenlänge eine Reflexion zu erzielen. Der Kristall 1 mit der konvexen linken Endfläche E ist dabei derart gewählt, dass in diesem durch Anregung der Elektronen, z.B. durch optisches Pumpen, eine Besetzungsinversion erzielt werden kann und somit eine Lasertätigkeit auf einer gewünschten Wellenlänge ermöglicht, die das gewählte Material des Kristalls 1 zur Verfügung stellt.FIG. 1 shows here a composite laser crystal according to the invention, which is composed of two crystals 1 and 2. Here, the crystal 1, based on the figure on the left side to a crystal interior convex left end surface E, which is additionally provided from the outside with a highly reflective coating 3 in order to achieve for the desired laser wavelength, if necessary. Also for the pump wavelength reflection. The crystal 1 with the convex left end face E is chosen such that in this by excitation of the electrons, e.g. by optical pumping, a population inversion can be achieved, thus enabling laser action at a desired wavelength that provides the selected material of the crystal 1.
Der Kristall 2 mit Bezug auf diese Ausführungsform weist an seiner rechtsseitigen Austrittsfläche A eine Antireflexbeschichtung 4 auf und ist mit seiner linksseitigen planen Endfläche in der Verbindungsebene VE optisch angekoppelt an die rechtsseitige plane Endfläche des Kristalls 1.The crystal 2 relating to this embodiment has an antireflection coating 4 on its right-side exit surface A and is optically coupled with its left-side planar end surface in the connection plane VE to the right-side planar end surface of the crystal 1.
Diese optische Ankopplung erfolgt bevorzugt ohne Zwischenschaltung eines weiteren Mediums, beispielsweise durch die Technik des thermischen Diffusionsbondens und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kristallen 1 und 2 ermöglicht.This optical coupling is preferably carried out without interposition of a further medium, for example by the technique of thermal Diffusion bonding and a cohesive connection between the crystals 1 and 2 allows.
Der Kristall 2 kann dabei aus einem Material gewählt sein, welches keinen Laserübergang mit derselben Laserwellenlänge des Kristalls 1 bereitstellt und demnach bei einem Quasi-Drei-Niveau-Laser mangels eines entsprechenden Laserübergangs für die in dem Kristall 1 erzeugte und/oder verstärkte Laserstrahlung demnach auch nicht absorbierend wirkt.The crystal 2 may be selected from a material which does not provide a laser transition with the same laser wavelength of the crystal 1 and accordingly in a quasi-three-level laser for lack of a corresponding laser transition for the generated and / or amplified laser radiation in the crystal 1 also non-absorbent.
Die Strahlgeometrie ist in der gesamten Anordnung des erfindungsgemäßen Kristalls aus den beiden Teilkristallen 1 und 2 bevorzugt derart, dass die Strahltaille der Laserstrahlung 5 und ggfs. auch der Pumpstrahlung direkt auf der konvexen Endfläche im Kristall 1 die geringste Strahltaille aufweist und demnach dort derart gebündelt sein kann, dass die Sättigungsenergieflussdichte erreicht oder sogar bei weitem überschritten wird, was jedoch vorliegend keine Konsequenzen aufweist, da diese Energieflussdichte noch unterhalb der Zerstörschwelle der hochreflektiven Beschichtung 3 und unterhalb der Zerstörschwelle des Mediums des Kristalls 1 liegt.The beam geometry is in the entire arrangement of the crystal according to the invention of the two partial crystals 1 and 2 preferably such that the beam waist of the laser radiation 5 and, if necessary. Also the pump radiation directly on the convex end surface in the crystal 1 has the lowest beam waist and therefore be bundled there can, that the saturation energy flux density is reached or even far exceeded, but this has no consequences, since this energy flux density is still below the damage threshold of the highly reflective coating 3 and below the damage threshold of the medium of the crystal 1.
Aufgrund der konvexen Ausformung der linken Endfläche des Kristalls 1 propagiert der Laserstrahl von links nach rechts divergierend, d.h. sein Durchmesser vergrößert sich kontinuierlich, so dass im Bereich des Kristalls 2, der fern der konvexen Endfläche des Kristalls 1 angeordnet ist und hier insbesondere an der Austrittsfläche A im Bereich der Antireflexbeschichtung 4 die gegenüber der hoch reflektierenden Schicht 3 deutlich geringe Zerstörschwelle aufgrund der Aufweitung des Strahls unterschritten wird.Due to the convexity of the left end surface of the crystal 1, the laser beam propagates divergently from left to right, i. its diameter increases continuously, so that in the region of the crystal 2, which is located far away from the convex end surface of the crystal 1 and here in particular at the exit surface A in the region of the antireflection coating 4, the damage threshold, which is significantly lower than that of the highly reflective layer 3, due to the expansion of the Falls below beam.
Es kann demnach mit einem derartigen erfindungsgemäßen Laserkristall im Bereich des Kristalls 1 ein effektiver Laserbetrieb im Bereich der Sättigungsenergieflussdichte und auch im Bereich der Zerstörschwellen erzielt werden, wohingegen die Austrittsfläche mit der Antireflexbeschichtung 4 in einem Bereich der Strahlung mit deutlich verringerter Energieflussdichte liegt, so dass ein Zerstörungsrisiko ausgeschlossen ist. Hierbei wird durch die spezielle Auswahl des Kristalls 2 weiterhin erzielt, dass eine Reabsorption der erzeugten oder verstärkten Strahlung des Kristalls 1 verhindert wird, da dieser Kristall keinen Laserübergang bereitstellt wie der Kristall 1.Accordingly, with such a laser crystal according to the invention in the region of the crystal 1, an effective laser operation in the region of the saturation energy flux density and also in the area of the damage thresholds can be achieved, whereas the exit surface with the antireflection coating 4 is in a region of the radiation with a significantly reduced energy flux density, so that a Destruction risk is excluded. In this case, it is further achieved by the special selection of the crystal 2 that a reabsorption of the generated or amplified radiation of the crystal 1 is prevented, since this crystal does not provide a laser transition like the crystal 1.
Allenfalls kann es hier in einer speziellen Ausgestaltung des Laserkristalls vorgesehen sein, dass auch der Kristall 2 eine Dotierung aufweist, diese jedoch nicht vorgesehen ist, um einen Laserbetrieb zu erzielen durch optisches Pumpen, sondern vielmehr dafür ausgewählt ist, um eine gewünschte Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge oder auch mehrerer bestimmter Wellenlängen bereitzustellen, z.B. um in dem Laserkristall der Erfindung hohe Verluste für eine nicht gewünschte, aber in dem Medium des Kristalls 1 grundsätzlich mögliche Laserwellenlänge hervorzurufen.In any case, it may be provided here in a special embodiment of the laser crystal, that the crystal 2 has a doping, but this is not intended to achieve laser operation by optical pumping, but rather is selected to a desired absorption at a certain To provide wavelength or even several specific wavelengths, eg In order to cause high losses in the laser crystal of the invention for a non-desired, but in the medium of the crystal 1 basically possible laser wavelength.
So können parasitäre Moden auf nicht gewünschten Wellenlängen sowie auch spontane verstärkte Emission auf diesen nicht gewünschten Wellenlängen verhindert werden, wodurch die Effizienz des Laserkristalls auf der gewünschten Wellenlänge gesteigert wird.Thus, parasitic modes at unwanted wavelengths as well as spontaneous amplified emission at these unwanted wavelengths can be prevented, thereby increasing the efficiency of the laser crystal at the desired wavelength.
In einer Ausführung kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Kristall 1 gebildet ist aus einem Neodym-dotierten Gadolinium-Scandium-Aluminium- Granat, wohingegen der Kristall 2 aus demselben Kristallwirt GSAG, jedoch ohne Dotierung gebildet ist.For example, in an embodiment it may be provided that the crystal 1 is formed from a neodymium-doped gadolinium-scandium-aluminum garnet, whereas the crystal 2 is formed from the same crystal host GSAG, but without doping.
Die Länge des Kristalls 2 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls kann allgemein mit Bezug zu allem Ausführungen der Erfindung derart angepasst sein, dass ein gewünschter Strahlquerschnitt auf der Austrittsfläche mit der Antireflexbeschichtung 4 erzielt wird, d.h. dass hier die Zerstörschwelle der Antireflexbeschichtung oder allgemein der Austrittsfläche des erfindungsgemäßen Laserkristalls deutlich unterschritten wird, wohingegen die Sättigungsflussdichte innerhalb des Kristalls 1 und auch im Grenzbereich des Übergangs zwischen den Kristallen 1 und 2 oberhalb der Zerstörschwelle der Antireflexbeschichtung liegt, jedoch unterhalb der Zerstörschwelle der jeweiligen Kristallmaterialien. Die Länge des Kristall 1 mit der konvexen Endfläche wird dabei bevorzugt geringer sein, als die des Kristalls 2 fern der konvexen Endfläche.The length of the crystal 2 in the direction of propagation of the laser beam can generally be adapted with respect to all embodiments of the invention such that a desired beam cross-section is achieved on the exit surface with the antireflection coating 4, ie here the damage threshold of the antireflection coating or generally the exit surface of the laser crystal according to the invention whereas the saturation flux density within crystal 1 and also at the boundary of the transition between crystals 1 and 2 is above the damage threshold of the antireflection coating, but below the damage threshold of the respective crystal materials. The length of the crystal 1 with the convex end face will preferably be less than that of the crystal 2 away from the convex end face.
Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar. With regard to all embodiments, it should be noted that the technical features mentioned in connection with one embodiment can be used not only in the specific embodiment, but also in the other embodiments. All disclosed technical features of this invention description are to be classified as essential to the invention and arbitrarily combined or used alone.

Claims

Patentansprüche claims
1. Laserkristall, dadurch gekennzeichnet, dass er eine zum Kristallinneren konvexe Endfläche (E ) aufweist, die für wenigstens eine Laserwellenlänge hochreflektiv verspiegelt (3) ist und der Laserkristall nur in einem zu dieser Endfläche (E) nahen Bereich zur Erzielung einer stimulierten Laseremission auf wenigstens einer Laser-Wellenlänge anregbar ist, nicht jedoch in einem von der konvexen Endfläche fernen Bereich.1. Laser crystal, characterized in that it has a convex end face to the inside of the crystal (E), which is highly reflective mirrored for at least one laser wavelength (3) and the laser crystal only in a near this end face (E) near range to achieve a stimulated laser emission at least one laser wavelength is excitable, but not in a distant from the convex end surface area.
2. Laserkristall nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er einen einstückigen Kristallwirt, insbesondere einen Granat-Wirt aufweist, der nur nahe der konvexen Endfläche eine Dotierung mit einem Material für die Erzielung der stimulierten Laseremission aufweist und fern der konvexen Endfläche eine schwächere, insbesondere von dieser Endfläche abnehmende, keine, oder eine Dotierung mit einem anderen Material aufweist.2. Laser crystal according to claim 1, characterized in that it comprises a one-piece crystal host, in particular a garnet host having only near the convex end surface doping with a material for achieving the stimulated laser emission and far from the convex end surface a weaker, in particular from this end face decreasing, none, or doping with another material.
3. Laserkristall nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als ein3. Laser crystal according to claim 1, characterized in that it as a
Komposit-Kristall ausgebildet ist mit einem ersten Kristall (1), der die konvexe Endfläche (E) aufweist und den nahen Bereich bildet, und einen zweiten Kristall (2), der den fernen Bereich bildet, wobei beide Kristalle (1 ,2) aneinander optisch angekoppelt sind, insbesondere durch Diffusionsbonden.Composite crystal is formed with a first crystal (1) having the convex end surface (E) and forming the near region, and a second crystal (2) forming the distal region, wherein both crystals (1, 2) to each other are optically coupled, in particular by diffusion bonding.
4. Laserkristall nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kristalle (1 ,2) des Komposit-Kristalls denselben Kristall-Wirt, insbesondere einen Granat, aufweisen und der Kristall (1) mit der konvexen Endfläche (E) mit einem Material für die Erzielung der stimulierten Laseremission dotiert ist und der andere Kristall (2) keine oder eine Dotierung mit einem anderen Material aufweist.4. Laser crystal according to claim 3, characterized in that both crystals (1, 2) of the composite crystal have the same crystal host, in particular a garnet, and the crystal (1) with the convex end face (E) with a material for the Achieving the stimulated laser emission doped and the other crystal (2) has no or doping with another material.
5. Laserkristall nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kristalle (1 ,2) des Komposit-Kristalls unterschiedliche Kristall-Wirte, insbesondere einen Granat, aufweisen und der Kristall (1) mit der konvexen Endfläche (E) mit einem Material für die Erzielung der stimulierten Laseremission dotiert ist und der andere Kristall (2) keine oder eine Dotierung mit einem anderen Material aufweist.5. Laser crystal according to claim 3, characterized in that both crystals (1, 2) of the composite crystal different crystal hosts, in particular a garnet, and the crystal (1) with the convex end face (E) with a material for the Achieving the stimulated laser emission is doped and the other crystal (2) has no or a doping with another material.
6. Laserkristall nach Anspruch 2,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dotierung mit einem anderen Material derart ausgewählt ist, dass der ferne Bereich eine Absorption aufweist für ungewünschte parasitäre Moden oder verstärke spontane Emission einer anderen möglichen Laserwellenlänge des nahen Bereichs.A laser crystal according to claim 2, 4 or 5, characterized in that doping with another material is selected such that the far region has an absorption for undesired parasitic modes or enhances spontaneous emission of another possible near wavelength laser wavelength.
7. Laserkristall nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der konvexen Endfläche (E) gegenüberliegende Endfläche (A) des fernen Bereiches für die gewünschte Laserwellenlänge im Brewsterwinkel angeordnet ist oder eine Antireflex-Beschichtung aufweist. 7. Laser crystal according to one of the preceding claims, characterized in that the convex end face (E) opposite end face (A) of the distal region is arranged for the desired laser wavelength in the Brewster angle or has an antireflection coating.
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