WO2009144248A1 - Miniaturisierter laseroszillator-verstärker - Google Patents

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Peter Peuser
Willi Platz
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Eads Deutschland Gmbh
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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized laser amplifier arrangement with an optical pump source for emitting pump radiation, a laser oscillator which can be excited by a part of the pump radiation for emitting a laser beam, a laser amplifier which is designed both for receiving the laser beam and the pump radiation to the laser beam amplify by means of the pump radiation, and an optical deflection device for introducing pump radiation to the laser amplifier.
  • a laser amplifier arrangement is known from US Pat. No. 6,512,630 B1, which will be discussed in more detail below.
  • the invention relates to a miniaturized laser oscillator amplifier for the generation of high beam quality, high power laser radiation.
  • miniaturized lasers are desirable or even required that can produce pulsed laser radiation with pulse widths of a few nanoseconds and pulse energies in the range of several mJ.
  • Application examples are long-range laser measuring systems, lasers for fine material processing or for exciting optically non-linear processes. Diode-pumped solid-state lasers are particularly suitable for this purpose.
  • the required pulse powers typically range from about 100 kW to more than one MW.
  • the recently developed pulsed fiber laser or fiber amplifier arrangements are characterized by a very compact design and a high beam quality, but the available pulse powers are usually below 100 kW, which is no longer sufficient for many applications.
  • the fiber cross section has to be increased to such an extent that the beam quality would be considerably reduced.
  • the aforementioned US Pat. No. 6,512,630 B1 describes a miniaturized configuration in which a so-called passively Q-switched microlaser or generally miniaturized laser is coupled to an amplifier.
  • the entire pump radiation is coupled into the microlaser in a longitudinal direction to the laser axis and thereby partially absorbed in the laser crystal.
  • the trans mitted residual, not absorbed in the laser oscillator pump radiation is focused together with the laser beam generated by the microlaser by means of a lens in the amplifier crystal. But it is also mentioned an arrangement which is to get along without a lens.
  • the laser beam emerging from the oscillator is then amplified in the amplifier crystal.
  • a miniaturized laser configuration is to be provided with which ns pulses can be generated with a significant increase in performance compared to hitherto known miniature lasers.
  • This object is achieved by a miniaturized laser amplifier arrangement having the features of patent claim 1.
  • laser radiation from a high power diode laser beam source is used to excite a miniaturized solid state laser oscillator amplifier configuration in which the laser oscillator and amplifier are independently optimized and converged by means of specially arranged optical deflection systems, especially with lenses and fine mechanical elements can be tuned so that laser radiation with high beam quality, powerful laser pulses and high efficiency is generated.
  • an optical deflection device which has a
  • the laser oscillator can be optimized independently of the requirement for a high permeability for the pump radiation.
  • the optical deflection device has a collimator lens device, by means of which the pump radiation is collimated so that it runs over a defined distance substantially parallel or quasi-parallel.
  • the laser Oscillator with respect to the diameter of the guided through this route pump radiation of smaller cross-section can be arranged.
  • the optical deflection device is further designed such that the laser beam emerging from the laser oscillator is not influenced by the optical deflection device, which is provided for deflecting the pump radiation.
  • the optical deflection device which is provided for deflecting the pump radiation.
  • a focusing lens device which focuses the quasi-parallel pump radiation on the laser amplifier, provided with a passage for the uninfluenced passage of the laser beam.
  • the laser oscillator-amplifier configuration comprising the laser oscillator and the laser amplifier is preferably pumped longitudinally by the pump radiation.
  • the pump radiation from the pump source is preferably introduced in the longitudinal direction into the laser oscillator-amplifier configuration.
  • the collimator lens device preferably aligns the pump radiation substantially parallel to this longitudinal direction.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a laser amplifier arrangement
  • Fig. 1a is a schematic representation of a second embodiment of a laser amplifier arrangement
  • Fig. 1 b is a schematic representation of the beam path in the embodiment of FIG. 1;
  • Fig. 2 is a schematic representation of a third embodiment of a laser amplifier arrangement
  • 3 is a schematic representation of a fourth embodiment of a laser amplifier arrangement
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a fifth embodiment of a laser amplifier arrangement
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a sixth embodiment of a laser amplifier arrangement
  • Fig. 6 is a schematic representation of a seventh embodiment of a laser amplifier arrangement
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of an eighth embodiment of a laser amplifier arrangement
  • Fig. 8 is a schematic illustration of a ninth embodiment of a laser amplifier arrangement
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a tenth embodiment of a laser amplifier arrangement
  • FIG. 10 is a schematic representation of an eleventh embodiment of a laser amplifier arrangement.
  • a laser oscillator 6a with a laser crystal 6b In the center of the pump radiation 3 is located in an axial arrangement, a laser oscillator 6a with a laser crystal 6b, on which a small part of the diode laser radiation - ie the pump radiation 3 - impinges.
  • the predominant part of the pump radiation is conducted (in contrast to the prior art according to US Pat. No. 6,512,630 B1) past the laser crystal 6b and used for the optical excitation of a laser amplifier 24, which is provided with an amplifier crystal 9.
  • the laser crystal 6b is connected to a passive Q-switch crystal 6c.
  • the laser crystal 6b with the Q-switch 6c is centrally located in a holder 6, which is designed so that as much as possible of the pump radiation 3 can pass the laser crystal 6b passing through the holder 6.
  • the laser crystal 6b may be optically contacted with the passive Q-switch crystal 6c (so-called quasi-monolithic laser), the exit surface of this crystal configuration being partially reflected for the laser wavelength, so that laser radiation 8 in the form of short laser pulses with a pulse width of typically will agree Nanoseconds is imitated.
  • the passive Q-switch crystal 6c so-called quasi-monolithic laser
  • FIGS. 1 and 1a differ by the embodiment of the pump source 20 with and without the optical fiber 2.
  • a small focusing lens 5a is preferably provided for the laser oscillator 6a. which has a smaller diameter than the cross section of the pump radiation 3 on the path 14 and is mounted in front of the coupling surface of the laser crystal 6b, so that the small part of the pump radiation 3 to be introduced into the laser oscillator 6a is focused into the laser crystal 6b.
  • Fig. 2 shows a third embodiment of the laser amplifier assembly 12, wherein a holder 5 is formed adjustable for the small focusing lens 5a. As a result, the distance of the small focusing lens 5a to the laser crystal 6b is variable.
  • the pump geometry for the laser oscillator 6a can be optimized.
  • the efficiency and the pulse energy can be determined here.
  • the time for the formation of the ns pulse can be shifted after the start of the pump pulse by setting the lens spacing and thus the pump intensity and the overlap of the pump radiation 3 with the laser mode volume.
  • FIG. 1 b which shows the beam path for the first embodiment (basic configuration)
  • the major part of the collimated pump radiation 3 is guided past the laser crystal 6b and by means of an optical lens - focusing lens 7, 7a - for optical excitation imaged in the amplifier crystal 9.
  • a perforation is provided in the center of the focusing lens 7 to form a passage for the laser radiation 8 in order to prevent the laser beam 8 emerging from the laser oscillator 6a from being influenced to direct the amplifier 9, so that the laser beam 8 is basically amplified without changing its divergence or the beam quality when passing through the amplifier crystal 9.
  • the focal length of the lens can now be chosen so that an optimal operation, ie. H. gives maximum gain and maximum efficiency.
  • an optical deflecting device for passing a large part of the pump radiation past the laser crystal 6b and towards the amplifier driver.
  • tall 9 comprises a collimator lens device, for example with a collimator lens 4, and a focusing lens device, for example with the focusing lens 7, 7a.
  • the quasi-monolithic laser can also be integrated in the collimator lens device in further exemplary embodiments, wherein an operation with or without a focusing lens 5a of the laser oscillator 6a is possible.
  • the laser oscillator 6a is accommodated in the collimator lens 4 for the pump radiation 3.
  • a compact lens block 1 1 is used, which at its entrance and exit surface is shaped like a lens.
  • this lens block 1 1 enclosing the section 14 accommodates the quasi-monolithic laser oscillator 6 a with or without a focusing lens 5 a.
  • This lens block 11 may be made of sapphire, for example.
  • This optical material, which is highly permeable to the pump radiation 3 has a high thermal conductivity and can thus dissipate the heat loss arising in the laser oscillator 6a. In the case of large average power, d. H. for high pulse repetition rates, this is beneficial.
  • the lens-shaped surfaces of the lens block 11 for the pump radiation 3 are preferably coated in an anti-reflective manner.
  • a laser resonator can be designed so that there is a large mirror spacing. As a result, the beam quality of the laser can be significantly improved.
  • the total length of the optical deflection device 22, which can also be referred to as a collimator-focusing system, is increased in such a way that an outcoupling mirror 6d of the laser oscillator 6a can be mounted in a correspondingly large distance to the laser crystal 6b.
  • the outcoupling mirror 6d is accommodated in the focusing lens 7a of the collimated pumping beam 3.
  • the corresponding optically coated Q-switch crystal is used as output mirror, which is shown in FIG. 7 correspondingly as Q-switch-out mirror 6e.
  • Q-switch-out mirror 6e the Q-switch crystal as coupling-out mirror.
  • the outcoupling mirror 6d in the collimated pump beam 3 is mounted on a separate mirror holder - adjustment holder 6f for outcoupling mirror - which can be fine-adjusted.
  • the pump radiation 3 is conducted past the outcoupling mirror 6d.
  • the tenth embodiment shown in FIG. 9 illustrates that the entire embodiment for the outcoupling mirror 6d can also be constructed as an optical part, for example a plate, which is highly transmissively coated for the pump radiation 3 and partially transmissive for the laser radiation 8 of the laser oscillator 6a.
  • the focusing lens 7 for the pumping radiation 3 at the end of the collimated beam is designed such that it is formed in the center as a partially reflecting outcoupling mirror 6d for the laser radiation 8.
  • Nd-doped crystals such as. B. Nd: YAG, Nd: YLF, Yb-doped crystals or Tm and Ho-doped crystals to use.
  • the above-described configurations can be used in principle as well as for the generation of short laser pulses as an oscillator-amplifier arrangement for the production of continuous or quasi-continuous laser radiation or single-frequency laser radiation when the Qwerterkalterkristall 6c is not used or the Laser oscillator 6a is designed as a single-frequency laser.
  • the laser oscillator 6a and the laser amplifier 24 can be optimized independently of each other;
  • the laser beam 8 generated in the laser oscillator 6a is amplified uninfluenced by optical components;

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Laserverstärkeranordnung (20) mit: einer optischen Pumpquelle (20) zum Aussenden von Pumpstrahlung (3), einem Laseroszillator (6a), der durch einen einen Teil der Pumpstrahlung (3) zum Aussenden eines Laserstrahles (8) anregbar ist, einem Laserverstärker (24), der sowohl zum Empfangen des Laserstrahls (8) als auch der Pumpstrahlung (3) ausgebildet ist, um den Laserstrahl (8) mittels der Pumpstrahlung zu verstärken, und einer optischen Umlenkeinrichtung (22) zum Leiten von Pumpstrahlung (3) zu dem Laserverstärker (24). Um bei hohem Miniaturisierungsgrad die Leistung zu erhöhen, wird vorgeschla¬ gen, dass die optische Umlenkeinrichtung (22) einen Großteil der Pumpstrahlung (3) an dem Laseroszillator (6a) vorbei zu dem Laserverstärker (24) leitet, um sie dem Laserverstärker (24) zum Verstärken des Laserstrahles (8) zur Verfügung zu stellen.

Description

Miniaturisierter Laseroszillator-Verstärker
Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Laserverstärkeranordnung mit einer optischen Pumpquelle zum Aussenden von Pumpstrahlung, einem Laseroszillator, der durch einen Teil der Pumpstrahlung zum Aussenden eines Laserstrahles anregbar ist, einem Laserverstärker, der sowohl zum Empfangen des Laserstrahls als auch der Pumpstrahlung ausgebildet ist, um den Laserstrahl mittels der Pumpstrahlung zu verstärken, und einer optischen Umlenkeinrichtung zum Einleiten von Pumpstrahlung zu dem Laserverstärker. Eine solche Laserverstärkeranordnung ist aus der US 6,512,630 B1 bekannt, auf weiche hiernach noch näher eingegangen wird.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen miniaturisierten Laseroszillator- Verstärker für die Erzeugung von Laserstrahlung hoher Strahlqualität und hoher Leistung.
Für zahlreiche Anwendungen sind miniaturisierte Laser wünschenswert oder so- gar erforderlich, die gepulste Laserstrahlung mit Pulsbreiten von wenigen Nanose- kunden und Pulsenergien im Bereich von mehreren mJ erzeugen können. Anwendungsbeispiele sind langreichweitige Laser-Messysteme, Laser für Materialfeinbearbeitung oder zur Anregung optisch nicht linearer Prozesse. Diodengepumpte Festkörperlaser sind hierfür besonders geeignet. Für nähere Einzelheiten hierzu wird auf P. Peuser, N. P. Schmitt: „Diodengepumpte Festkörperlaser", Springer Verlag, 1995, verwiesen. Die erforderlichen Pulsleistungen liegen typischerweise im Bereich von etwa 100 kW bis zu mehr als einem MW. Mittels passiver Güteschaltung lassen sich besonders kompakte oder auch miniaturisierte Pulslaser realisieren, jedoch ist derzeit ein zuverlässiger Betrieb mit hoher Strahlqualität und Amplitudenstabilität nur bei maximalen Pulsenergien von wenigen mJ möglich. Ein entsprechender Pulslaser ist in P. Peuser, W. Platz, P. Zeller, T. Brand, B. Köhler, M. Haag; Opt. Lett. 31 (2006) 1991 beschrieben. Um eine Leistungsskalierung zu erreichen, können ein oder auch mehrere Verstärker mit einem mehrfachen Strahlengang (Multipass) nachgeschaltet werden, wodurch besonders große Pulsenergien erzielt werden. Allerdings sind dann die Möglichkeiten für eine weitgehende Miniaturisierung reduziert.
Besonders vorteilhaft für praxistaugliche Lasersysteme ist es, wenn die Koppelung mit der Versorgungs- und Kontrollelektronik über eine mehrere Meter lange Faserverbindung hergestellt werden kann.
Die in letzter Zeit entwickelten gepulsten Faserlaser oder Faserverstärker- Anordnungen zeichnen sich durch eine sehr kompakte Bauweise und eine hohe Strahlqualität aus, jedoch liegen die verfügbaren Pulsleistungen meist unterhalb von 100 kW, was für viele Anwendungen nicht mehr ausreicht.
Hierbei begrenzen verschiedene grundlegende physikalische Prozesse die Pulsenergien auf den Bereich von typischerweise etwa 1 mJ. Diese Prozesse sind in erster Linie ASE (sog. Amplified Spontaneous Emission), Stimulierte Brillouin- Streuung, Stimulierte Raman-Streuung sowie Selbstfokussierung. Es wird in diesem Zusammenhang für weitere Einzelheiten auf F. D. Teodora et al., Opt. Lett. 27 (2002) 518 und R. L. Farrow et al., Opt. Lett. 31 (2006) 3423 verwiesen. Aufgrund des kleinen Faserquerschnitts kommen im ns-Pulsbetrieb extrem hohe Intensitäten zustande, so dass bei einer Skalierung der Pumpleistung die Faser schließlich zerstört wird. Um einige wenige mJ zu erzeugen, muss der Faserquerschnitt so weit vergrößert werden, dass die Strahlqualität erheblich reduziert wür- de. In der eingangs erwähnten US 6,512,630 B1 wird eine miniaturisierte Konfiguration beschrieben, bei der ein sogenannter passiv gütegeschalteter Mikrolaser oder allgemein miniaturisierter Laser mit einem Verstärker gekoppelt ist. Die gesamte Pumpstrahlung wird dabei in einer zur Laserachse longitudinalen Richtung in den Mikrolaser eingekoppelt und dabei teilweise im Laserkristall absorbiert. Die trans- mittierte restliche, im Laseroszillator nicht absorbierte Pumpstrahlung wird gemeinsam mit dem vom Mikrolaser erzeugten Laserstrahl mittels einer Linse in den Verstärkerkristall fokussiert. Es wird aber auch eine Anordnung erwähnt, welche ohne Linse auskommen soll. Der aus dem Oszillator austretende Laserstrahl wird dann in dem Verstärkerkristall verstärkt.
Allerdings ist eine solche Konfiguration nur für den niedrigen Leistungsbereich bzw. Pulsenergiebereich geeignet. Ein Grund hierfür ist, dass nur eine ungenügende Anpassung des Laserstrahls an die Inversionsdichteverteilung im Verstär- kerkristall stattfinden kann. Der aus dem miniaturisierten Laseroszillator austretende Laserstrahl hat weiter grundsätzlich andere Strahleigenschaften als der Pumpstrahl, wie z. B. Divergenz und Strahldurchmesser. Wenn nun eine Linse zwischen dem Oszillator und dem Verstärker verwendet wird, kann deshalb keine optimale räumliche Überlappung im Verstärker zustande kommen. Ähnliches gilt für den Fall, wenn keine Linse eingesetzt wird.
Mit der Erfindung soll eine miniaturisierte Laserkonfiguration bereitgestellt werden, mit der ns-Pulse mit einer wesentlichen Leistungssteigerung gegenüber bisher bekannten Miniaturlasern erzeugt werden können. Diese Aufgabe wird durch eine miniaturisierte Laserverstärkeranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen und/oder die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung wird erreicht, dass mit einem sehr hohen Miniaturisierungs- grad ein leistungsstarker Laser mit hoher Strahlqualität entsteht, der die Leistung von vergleichbaren miniaturisierten Anordnungen nach dem Stand der Technik um wenigstens eine Größenordnung übertrifft.
In bevorzugter Anordnung wird Laserstrahlung aus einer leistungsstarken Dioden- laser-Strahlquelle verwendet, um eine miniaturisierte Festkörperlaseroszillator- Verstärker-Konfiguration anzuregen, bei welcher der Laseroszillator und der Verstärker mittels besonders angeordneter optischer Umlenksysteme - insbesondere mit Linsen und feinmechanischen Elementen - unabhängig voneinander optimiert und aufeinander abgestimmt werden können, so dass Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität, leistungsstarken Laserpulsen und einem hohen Wirkungsgrad erzeugt wird.
Vorteilhafte Anwendungen sind:
a) Roboter - getragene Laser b) Miniaturisierter Transmitter für flugzeuggetragene Lidar-Systeme c) Lasertransmitter für Weltraumanwendungen d) Laserzündung in Motoren
Erfindungsgemäß ist eine optische Umlenkeinrichtung vorgesehen, die einen
Großteil der Pumpstrahlung an dem Laseroszillator vorbei zu dem Laserverstärker leitet, wo sie dem Laserverstärker zum Verstärken des Laserstrahles zur Verfügung steht. Hierdurch wird zunächst eine Beeinflussung und Absorption der Pumpstrahlung durch den Laseroszillator vermieden. Der Laseroszillator kann un- abhängig von der Forderung einer hohen Durchlässigkeit für die Pumpstrahlung optimiert werden.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen weist die optische Umlenkeinrichtung eine Kollimator-Linseneinrichtung auf, mittels der die Pumpstrahlung so kollimierbar ist, dass sie über eine definierte Strecke im wesentlichen parallel oder quasi-parallel verläuft. Innerhalb oder zu Beginn oder Ende dieser Strecke kann dann der Laser- Oszillator mit gegenüber dem Durchmesser der durch diese Strecke geleiteten Pumpstrahlung kleinerem Querschnitt angeordnet werden.
Vorzugsweise ist die optische Umlenkeinrichtung weiter derart ausgebildet, dass der aus dem Laseroszillator austretende Laserstrahl nicht durch die optische Umlenkeinrichtung, welche zum Umlenken der Pumpstrahlung vorgesehen ist, beein- flusst wird. Hierzu ist beispielsweise eine Fokussier-Linseneinrichtung, welche die quasi-parallele Pumpstrahlung auf den Laserverstärker fokussiert, mit einem Durchlass zum unbeeinflussten Durchlassen des Laserstrahles versehen.
Die den Laseroszillator und den Laserverstärker aufweisende Laseroszillator- Verstärker-Konfiguration wird durch die Pumpstrahlung vorzugsweise longitudinal gepumpt. Die Pumpstrahlung aus der Pumpquelle wird vorzugsweise in Längsrichtung in die Laseroszillator-Verstärker-Konfiguration eingeleitet. Die Kollimator- Linseneinrichtung richtet die Pumpstrahlung vorzugsweise im wesentlichen parallel zu dieser Längsrichtung aus.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 1a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 1 b eine schematische Darstellung des Strahlenganges bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform einer Laserverstärkeranordnung.
In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer insgesamt mit 12 bezeichneten Laserverstärkeranordnung dargestellt. Dabei wird Pumpstrahlung 3 aus einer Pumpquelle 20, die einen leistungsstarken Diodenlaser 1 aufweist, welcher vorzugsweise mit einer optischen Faser 2 gekoppelt ist, mit einer optischen Umlenkeinrichtung 22 - insbesondere einer geeigneten Linsenanordnung - zu- nächst kollimiert, d. h. dass die Pumpstrahlung 3 über eine Wegstrecke 14 von mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern quasi-parallel verläuft. Im Zentrum der Pumpstrahlung 3 befindet sich in einer axialen Anordnung ein Laseroszillator 6a mit einem Laserkristall 6b, auf den ein kleiner Teil der Diodenla- serstrahlung - d. h. der Pumpstrahlung 3 - auftrifft. Der überwiegende Teil der Pumpstrahlung wird (im Gegensatz zum Stand der Technik nach der US 6,512,630 B1) am Laserkristall 6b vorbei geleitet und zur optischen Anregung eines Laserverstärkers 24, welcher mit einem Verstärkerkristall 9 versehen ist, verwendet.
Bei einer in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform und einer in Fig. 1 a dar- gestellten zweiten Ausführungsform, welche Grundkonfigurationen repräsentieren, ist der Laserkristall 6b mit einem passiven Güteschalter-Kristall 6c verbunden. Der Laserkristall 6b mit dem Güteschalter 6c befindet sich zentral in einer Halterung 6, welche so gestaltet ist, dass möglichst viel der Pumpstrahlung 3 am Laserkristall 6b vorbei durch die Halterung 6 hindurchtreten kann.
Der Laserkristall 6b kann mit dem passiven Güteschalterkristall 6c optisch kontaktiert sein (sog. quasi-monolithischer Laser), wobei die Austrittsfläche dieser Kristallkonfiguration für die Laserwellenlänge partiell reflektiert beschichtet ist, so dass Laserstrahlung 8 in Form kurzer Laserpulse mit einer Pulsbreite von typischerwei- se einigen Nanosekunden imitiert wird. Es wird für nähere Einzelheiten und zu den Grundlagen der physikalischen Vorgänge auf P. Peuser, N. P. Schmitt: „Diodengepumpte Festkörperlaser", Springer Verlag 1995 verwiesen.
Die Ausführungsformen von Fig. 1 und Fig. 1a unterscheiden sich durch die Aus- bildung der Pumpquelle 20 mit und ohne die optische Faser 2. Um die Pumpgeometrie dieses Laseroszillators 6a optimal zu gestalten, ist vorzugsweise eine kleine Fokussierlinse 5a für den Laseroszillator 6a vorgesehen, die einen kleineren Durchmesser als der Querschnitt der Pumpstrahlung 3 auf der Strecke 14 hat und vor der Einkoppelfläche des Laserkristalls 6b angebracht ist, so dass der in den Laseroszillator 6a einzuleitende kleine Teil der Pumpstrahlung 3 in den Laserkristall 6b fokussiert wird. Fig. 2 zeigt eine dritte Ausführungsform der Laserverstärkeranordnung 12, wobei eine Halterung 5 für die kleine Fokussierlinse 5a einstellbar ausgebildet ist. Hierdurch ist der Abstand der kleinen Fokussierlinse 5a zum Laserkristall 6b variabel. Dadurch wird bewirkt, dass einerseits die Pumpgeometrie für den Laseroszillator 6a optimiert werden kann. In erster Linie können hier der Wirkungsgrad und die Pulsenergie bestimmt werden. Andererseits kann bei einer konstanten Pumpleistung der Zeitpunkt für die Entstehung des ns-Pulses nach dem Start des Pumppulses verschoben werden, indem der Linsenabstand und damit die Pumpintensität und die Überlappung der Pumpstrahlung 3 mit dem Lasermodenvolumen ein- gestellt werden. Dies hat Vorteile, wenn ein Verstärker - Verstärkerkristall 9 des Laserverstärkers 24 - nachgeschaltet wird, da die maximale Verstärkung bzw. der maximale Wirkungsgrad nur dann erreicht werden, wenn der Laserpuls kurz vor dem Ende des Pumplichtpulses auftritt. Auf diese Weise kann auch erreicht werden, dass bei einer konstanten Pumpleistung wahlweise ein oder mehrere Pulse entstehen.
Wie aus Fig. 1 b, die den Strahlengang für die erste Ausführungsform (Grundkonfiguration) zeigt, ersichtlich ist, wird der überwiegende Teil der kollimierten Pumpstrahlung 3 am Laserkristall 6b vorbei geleitet und mit Hilfe einer optischen Linse - Fokussierlinse 7, 7a - zur optischen Anregung in der Verstärkerkristall 9 abgebildet. Bei den in den Abbildungen 1 , 1a, 1b, 2, 3, 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen ist zum Bilden eines Durchlasses für die Laserstrahlung 8 im Zentrum der Fokussierlinse 7 eine Durchbohrung vorgesehen, um den aus dem Laseroszillator 6a austretenden Laserstrahl 8 ohne Beeinflussung in den Verstärkerkris- tall 9 zu leiten, so dass der Laserstrahl 8 grundsätzlich ohne eine Änderung seiner Divergenz bzw. der Strahlqualität beim Durchlaufen des Verstärkerkristalls 9 verstärkt wird. Die Brennweite der Linse kann aufgrund der Durchleitung oder Umleitung der Laserstrahlung nun so gewählt werden, dass sich ein optimaler Betrieb, d. h. eine maximale Verstärkung und ein maximaler Wirkungsgrad ergibt.
Demnach weist eine optische Umlenkeinrichtung zum Vorbeileiten eines Großteils der Pumpstrahlung vorbei an dem Laserkristall 6b und hin zu dem Verstärkerkris- tall 9 eine Kollimator-Linseneinrichtung, beispielsweise mit einer Kollimatorlinse 4, und eine Fokussier-Linseneinrichtung, beispielsweise mit der Fokussierlinse 7, 7a auf.
Der quasi-monolithische Laser kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch in der Kollimator-Linseneinrichtung integriert sein, wobei ein Betrieb mit oder ohne Fokussierlinse 5a des Laseroszillators 6a möglich ist.
Bei einer in Fig. 3 dargestellten vierten Ausführungsform ist der Laseroszillator 6a in der Kollimatorlinse 4 für die Pumpstrahlung 3 untergebracht.
Bei den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen - fünfte und sechste Ausführungsform - wird anstelle der getrennten Kollimatorlinse 4 und Fokussierlinse 7, 7a für die Kollimation und Fokussierung der Pumpstrahlung 3 ein kompak- ter Linsenblock 1 1 verwendet, der an seiner Eintritts- und Austrittsfläche entsprechend linsenartig geformt ist. Bei der dargestellten Ausgestaltung nimmt dieser die Strecke 14 einschließende Linsenblock 1 1 den quasi-monolithischen Laseroszillator 6a mit oder ohne Fokussierungslinse 5a auf. Dieser Linsenblock 11 kann beispielsweise aus Saphir gefertigt sein. Dieses für die Pumpstrahlung 3 hochdurch- lässige optische Material hat eine große Wärmeleitfähigkeit und kann somit die im Laseroszillator 6a entstehende Verlustwärme ableiten. Für den Fall großer mittlerer Leistungen, d. h. für hohe Pulsrepetitionsraten, ist dies vorteilhaft. Bevorzugt sind die linsenförmigen Flächen des Linsenblocks 11 für die Pumpstrahlung 3 anti- reflektierend beschichtet.
Durch die Kollimation der Pumpstrahlung ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik nach US 6,512,630 B1 noch ein weiterer Vorteil. Ein Laserresonator kann so ausgebildet werden, dass sich ein großer Spiegelabstand ergibt. Dadurch lässt sich die Strahlqualität des Lasers erheblich verbessern. Dabei wird die Gesamt- länge der optischen Umlenkeinrichtung 22, die auch als Kollimator-Fokussier- System bezeichnet werden kann, so vergrößert, dass ein Auskoppelspiegel 6d des Laseroszillators 6a in einem entsprechend großen Abstand zum Laserkristall 6b angebracht werden kann.
Bei der in Fig. 6 dargestellten siebten Ausführungsform ist der Auskoppelspiegel 6d in der Fokussierlinse 7a des kollimierten Pumpstrahles 3 untergebracht.
Bei der in Fig. 7 dargestellten achten Ausführungsform wird als Auskoppelspiegel der entsprechend optisch beschichtete Güteschalterkristall verwendet, welcher in Fig. 7 entsprechend als Güteschalter-Auskoppelspiegel 6e gezeigt ist. Für nähere Einzelheiten zum Nutzen des Güteschalterkristalls als Auskoppelspiegel wird auf P. Peuser, N. P. Schmitt: Diodengepumpte Festkörperlaser, Springer Verlag 1995 verwiesen.
Bei der in Fig. 8 dargestellten neunten Ausführungsform ist der Auskoppelspiegel 6d im kollimierten Pumpstrahl 3 auf einem separaten Spiegelhalter - Justierhalte- rung 6f für Auskoppelspiegel - angebracht, der feinmechanisch justierbar ist. Die Pumpstrahlung 3 wird an dem Auskoppelspiegel 6d vorbei geleitet.
Die in Fig. 9 dargestellte zehnte Ausführungsform stellt dar, dass die gesamte Ausführung für den Auskoppelspiegel 6d auch als optisches Teil, beispielsweise eine Platte konstruiert sein kann, welcher hochtransmittierend für die Pumpstrahlung 3 und partiell transmittierend für die Laserstrahlung 8 des Laseroszillators 6a beschichtet ist.
Bei der in Fig. 10 dargestellten elften Ausführungsform ist die Fokussierlinse 7 für die Pumpstrahlung 3 am Ende des kollimierten Strahls so gestaltet, dass diese im Zentrum als partiell reflektierender Auskoppelspiegel 6d für die Laserstrahlung 8 ausgebildet ist.
Die vorgenannten Ausführungsbeispiele stellen lediglich beispielhafte Anordnungen für miniaturisierte Laserverstärkeranordnungen 12 mit entsprechenden optischen Umlenkeinrichtungen oder Linsensystemen dar. Als laseraktive Materialien sind vorzugsweise Nd-dotierte Kristalle, wie z. B. Nd: YAG, Nd: YLF, Yb-dotierte Kristalle oder auch Tm- und Ho-dotierte Kristalle zu verwenden.
Die voranstehend beschriebenen Konfigurationen können außer für die Erzeugung von kurzen Laserpulsen prinzipiell auch als Oszillator-Verstärker-Anordnung für die Erzeugung kontinuierlicher oder quasi-kontinuierlicher Laserstrahlung oder auch Single-Frequency-Laserstrahlung verwendet werden, wenn der Güteschal- terkristall 6c nicht eingesetzt wird oder der Laseroszillator 6a als Single- Frequency-Laser ausgebildet ist.
Durch die beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass mit einem hohen Minia- turisierungsgrad ein leistungsstarker Laser mit hoher Strahlqualität entsteht, der die Leistung von vergleichbaren miniaturisierten Anordnungen nach dem Stand der Technik um wenigstens eine Größenordnung übertrifft. Weitere besondere Merkmale, insbesondere im Vergleich zu der Anordnung nach der US 6,512,630 B1 , sind:
• Der Laseroszillator 6a und der Laserverstärker 24 können unabhängig voneinander optimiert werden; • Der im Laseroszillator 6a erzeugte Laserstrahl 8 wird unbeeinflusst von optischen Komponenten verstärkt;
» Die Zahl der pro Pumppuls emittierten Laserpulse kann unabhängig von der Verstärkerleistung eingestellt werden; β Durch eine separate Anordnung des Auskoppelspiegels 6d kann der Resonator so verlängert werden, dass eine hohe Strahlqualität erreichbar wird. Bezugszeichenliste:
1 Hochleistungsdiodenlaser
2 Optische Faser 3 Pumpstrahlung
4 Kollimatorlinse
5 Halterung für kleine Fokussierlinse
5a kleine Fokussierlinse für den Laseroszillator
6 Halterung für Laseroszillator 6a Laseroszillator
6b Laserkristall
6c Güteschalter(-kristall)
6d Auskoppelspiegel
6e Güteschalter-Auskoppelspiegel 6f Justierhalterung für Auskoppelspiegel
6g Rückseite des Auskoppelspiegels mit AR-Beschichtung
7 Fokussierlinse mit Durchbohrung 7a Fokussierlinse mit Auskoppelspiegel
8 Laserstrahl 9 Verstärkerkristall
10 verstärkter Laserstrahl
1 1 Linsenblock
12 Laserverstärkeranordnung 14 Strecke 20 Pumpquelle
22 optische Umlenkeinrichtung
24 Laserverstärker

Claims

Patentansprüche
1. Miniaturisierte Laserverstärkeranordnung (20) mit: einer optischen Pumpquelle (20) zum Aussenden von Pumpstrahlung (3), einem Laseroszillator (6a), der durch einen Teil der Pumpstrahlung (3) zum Aussenden eines Laserstrahles (8) anregbar ist, einem Laserverstärker (24), der sowohl zum Empfangen des Laserstrahls (8) als auch der Pumpstrahlung (3) ausgebildet ist, um den Laserstrahl (8) mittels der Pumpstrahlung zu verstärken, und einer optischen Umlenkeinrichtung (22) zum Leiten von Pumpstrahlung (3) zu dem Laserverstärker (24), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (22) einen Großteil der Pumpstrahlung (3) an dem Laseroszillator (6a) vorbei zu dem Laserverstärker (24) leitet, um sie dem Laserverstärker (24) zum Verstärken des Laserstrahles (8) zur Verfügung zu stellen.
2. Laserverstärkeranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (22) eine Kollimator-Linseneinrichtung zum Kollimieren der Pumpstrahlung (3) derart aufweist, dass die Pumpstrahlung über eine definierte Strecke (14) im wesentlichen parallel oder quasi parallel verläuft.
3. Laserverstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (6a) innerhalb oder an der definierten Strecke (14) angeordnet ist und einen Querschnitt aufweist, der wesentlich kleiner ist als der Querschnitt der durch die Umlenkeinrichtung (22) über die Strecke (14) geleiteten Pumpstrahlung (3).
4. Laserverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimator-Linseneinrichtung eine Kollimatorlinse (4) oder eine als KoIIi- matorlinse wirkende Eintrittsfläche eines Linsenblocks (1 1) aufweist.
5. Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (6a) zentrisch zu der Pumpstrahlung (3) angeordnet ist.
6. Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (6a) einen Laserkristall (9) aufweist.
7. Laserverstärkeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall (9) mit einem passiven Güteschalterkristall (6c) verbunden ist.
8. Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (6a) an einer Halterung (6) angeordnet ist, durch die ein Großteil der Pumpstrahlung (3) am Laseroszillator (6a) vorbei hindurchtreten kann.
9. Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussierlinse (5a) mit kleinerem Durchmesser als der Durchmesser der Pumpstrahlung (3) vor einer Einkoppelfläche des Laseroszillators (6a) ange- bracht ist, um einen Teil der Pumpstrahlung (3) in den Laseroszillator (6a) zu fo- kussieren.
10. Laserverstärkeranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Fokussierlinse mit kleinerem Durchmesser zu der Einkoppelfläche einstellbar und/oder variabel ist.
11. Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Umlenkeinrichtung (22) eine Fokussier-Linseneinrichtung aufweist, um einen an dem Laseroszillator (6a) vorbei geleiteten Teil der Pumpstrah- lung (3) auf den Laserverstärker (24) zu fokussieren.
12. Laserverstärkeranordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussier-Linseneinrichtung einen Durchlass zum durch die Fokussier- Linseneinrichtung unbeeinflussten Durchlass des Laserstrahles (8)von dem Laseroszillator (6a) zu dem Laserverstärker (24) hat.
13. Laserverstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussier-Linseneinrichtung eine Fokussierlinse (7, 7a) oder eine als Fokussierlinse wirkende Austrittsfläche eines Linsenblocks (1 1) hat.
14. Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle (20) eine einzige Diodenlaser-Strahlquelle (1) aufweist.
15. Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle (20) eine optische Faser (2) zum Einkoppeln der Pumpstrah- lung aufweist.
16. Verwendung einer Laserverstärkeranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche:
» als Basislaser für Roboter - getragene Lasersysteme, β als miniaturisierter Transmitter für LIDAR-Systeme, insbesondere an Luftfahrzeugen,
• als Lasertransmitter für Weltraumanwendungen oder β zur Laserzündung in Motoren.
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