WO2016004446A1 - Microchip-laser - Google Patents

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WO2016004446A1 PCT/AT2015/000090 AT2015000090W WO2016004446A1 WO 2016004446 A1 WO2016004446 A1 WO 2016004446A1 AT 2015000090 W AT2015000090 W AT 2015000090W WO 2016004446 A1 WO2016004446 A1 WO 2016004446A1
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microchip
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Daniel Kopf
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Definitions

  • the invention relates to a microchip laser with a monolithic resonator having a birefringent laser crystal, wherein a decoupled from the resonator laser beam having a laser wavelength, along a laser beam axis emerges from the resonator and related to the direction of the laser beam axis length of Resonator is less than 150 ⁇ .
  • Microchip lasers are solid state lasers with a monolithic resonator and are characterized by a particularly small structure. End mirrors of the resonator are formed by coating the active laser medium and / or an end mirror having or forming optical element, for example, a SESAM is materially connected to the active laser medium. Such connection techniques are known as "bonding.” Due to the short resonator lengths, short pulses can be easily formed with microchip lasers, such as "Q-switching" pulses with pulse lengths of less than a nanosecond or even less than 100 Picoseconds, in extreme cases less than 20 picoseconds. Such pulses are of interest, for example, for micromachining.
  • Typical resonator lengths are more than 1 m and such resonators can be accommodated by multiple convolution in a cube with an edge length of more than 10 cm.
  • a resonator of a microchip laser can be accommodated in a cube with an edge length of less than 1 mm.
  • Microchip lasers have a potentially cost-effective production because a planar laser structure can be produced in a batch process (wafer process), so that more than 100 laser resonators can be obtained from an area of 10mm x 10mm.
  • Microchip lasers of the type mentioned above with particularly short pulse durations are described in WO 201 1/147799 A1 and in Mehner E. et al. "Sub-20 pulses from a passively Q-switched microchip laser at 1 MHz repetition rate" , OPTICS LETTERS, Vol 39, NO 10 / May 15, 2014, 2940-2943 These publications cite other typefaces which disclose microchip lasers in which Q-switching achieves pulses with pulse lengths less than 100 ps become.
  • microchip lasers typically emit in a single one
  • Frequency i. the laser beam coupled out of the resonator has a defined laser wavelength.
  • the short resonator length leads to a large "free spectral rnature", ie a large distance of adjacent wavelengths, which are resonant in the resonator.
  • an active laser medium is often a laser crack formed by a vanadate, in particular Nd3 +: YVO4.
  • Nd3 +: YVO4 has as laser material advantageous properties, such as a comparatively high
  • Nd3 +: YVO4 it is a birefringent crystal, and past experience has shown that a Nd3 +: YV04 microchip laser can be lasing with a polarization corresponding to the ordinary beam or the extraordinary beam.
  • Birefringent crystals are optically anisotropic in optically uniaxial birefringent crystals except for light in the direction of the crystal-optical axis.
  • the refractive index is independent of the polarization direction of the light when incident parallel to the single crystal-optical axis.
  • the light beam is split into two linearly polarized sub-beams whose directions of polarization are at right angles to one another and which are referred to as a decent beam and an extraordinary beam.
  • Refractive indices are different for the ordinary ray and the extraordinary ray, with a direction of incidence perpendicular to the ray
  • a birefringent crystal may also have more than one crystal-optical axis.
  • the object of the invention is to provide an advantageous microchip laser of the type mentioned, which has a high stability of the polarization direction of the decoupled from the resonator laser beam. According to the invention, this is achieved by a microchip laser with the features of claim 1.
  • the laser crystal has such a thickness in the direction of the laser beam axis, that at a in the direction of
  • the birefringent laser crystal thus behaves with respect to the ordinary and the
  • the inventive construction is a polarization selection of the decoupled laser beam with a high tolerance to external
  • Influences such as the temperature, but also against manufacturing deviations, e.g. with respect to the formed length of the resonator achieved.
  • the length of the resonator in the direction of the laser beam axis is 150 ⁇ or less, preferably 100 ⁇ or less, more preferably 50 ⁇ or less.
  • Such a short resonator results in a large "free spectral rank", ie a large distance between the wavelengths which are resonant in the resonator, which is important for a stable suppression of the unwanted polarization direction
  • Resonator in a simple manner short pulse lengths can be achieved, advantageously by means of a passive Q-switching, in particular, a SESAM can be used as an end mirror.
  • a laser according to the invention can in principle be operated as a continuous wave laser.
  • training as a pulsed laser is advantageous for many applications.
  • the desired pulse duration depends on the application.
  • pulse lengths in the ns range or in the range of 100 ps-1 ns are advantageous.
  • Such pulse durations can, for example, by a
  • the pulse duration of the pulses may be less than 100 ps, preferably less than 50 ps, with pulse durations of less than 20 ps being conceivable and possible.
  • the pulse energy may be more than 10 nJ or more than 30 nJ. In particular, such short pulse durations can be achieved by the already mentioned passive Q-switching.
  • the laser crystal If pulse durations are mentioned in the present specification, these are related to the half-width of the intensity (FWHM).
  • FWHM half-width of the intensity
  • vanadates may be used to form the laser crystal, e.g. Nd3 +: GdV04 or Nd3 +: GdYV04.
  • other birefringent crystals with appropriate doping e.g. Nd having laser active properties, e.g. LSB, used as a laser crystal.
  • the layer system forming the resonator is designed such that there is a resonance for the desired polarization at the maximum of the gain of the laser crystal or only a slight deviation therefrom, preferably of less than 0.5 nm.
  • the wavelength of the decoupled laser beam for which the laser mode in the laser crystal at the maximum of the gain of the laser crystal is referred to in this document as "gain wavelength.” For Nd3 +: YV04 this is at about 1064 nm.
  • the bandwidth within which there is sufficient gain to produce a laser mode is approx 1 nm around this value.
  • the laser beam axis, along which the laser beam emerges from the resonator, coincides with the axis of the laser beam within the resonator and the laser beam axis is perpendicular to a crystal-optical axis of the laser crystal, wherein the laser crystal preferably has only one crystal-optical axis ( optically uniaxial is) and thus related to an idea in parallel to the individual crystal-optical axis is optically isotropic.
  • a light beam entering the laser crystal parallel to the laser beam axis is not spatially separated into a regular and extraordinary beam, i. the ordinary and extraordinary beams coincide but have polarization directions perpendicular to each other.
  • the resonator on both sides limiting end mirror at least if no pump radiation incident into the laser crystal, level and are
  • the laser wavelength of the decoupled laser beam advantageously has a very narrow frequency distribution, preferably with a half-width of the intensity (FWHM) of less than 1 nm, particularly preferably less than 0.3 nm.
  • FWHM half-width of the intensity
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a microchip laser according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a view of the resonator in the direction of the laser beam axis
  • FIG. Fig. 3 is a schematic representation of the E-fields for a case when the
  • Resonator at a laser wavelength corresponding to the amplification wavelength of the laser crystal for perpendicular to each other linearly polarized laser beams would be resonant, as a comparative example;
  • Fig. 4 is a schematic representation of the E-fields of the ordinary
  • 5a and 5b are schematic representations of the ordinary and extraordinary beam with a light beam incident on the laser crystal in the direction of the laser beam axis;
  • FIG. 6 shows a table for explaining a simulation calculation for a resonator-simulating layer system
  • Fig. 7 and 8 are diagrams for the resonance lines of the resonator for polarizations corresponding to the ordinary and extraordinary beam, in a
  • FIGS. 9 and 10 are diagrams corresponding to FIGS. 7 and 8 for one not
  • Fig. 1 1 is a schematic representation of a microchip laser according to the invention according to another possible embodiment.
  • FIGS. 1 and 2 A possible embodiment for a microchip laser according to the invention is shown schematically in FIGS. 1 and 2.
  • the microchip laser has one
  • Resonator 1 which is formed in the form of a monolithic block.
  • the laser-active medium of the resonator 1 is the laser crystal 2.
  • the laser crystal 2 has opposite end surfaces 3, 4. Through these opposite end surfaces, a laser laser 2 forming in the laser crystal acts
  • Laser beam ( laser mode) with end mirrors 5, 6 of the resonator 1 together.
  • the first end mirror 5 is formed here by an optical coating of the end face 3 of the laser crystal 2.
  • the second end mirror 6 is formed in the embodiment in the form of a Bragg mirror and part of a SESAM, which also has a Abosrbertik 7, which forms a saturable absorber. Between the absorber layer 7 of the SESAM and the laser crystal 2 is still a Reflection layer 8 for the pump radiation, which is at least partially transparent to the z. B. 30%.
  • the reflection layer 8 is on the resonator 1 as an optical coating
  • the SESAM comprising the absorber layer 7 and second end mirror 6 is formed on a support substrate 21 in the form of GaAs (e.g., 0.4 mm thick) in this embodiment.
  • the unit comprising the SESAM and the carrier substrate 21 is by bonding, so cohesively, with the with the
  • Reflection layer 8 coated resonator 1 connected.
  • the second end mirror 6 is formed partially reflecting, to decouple the laser beam 9.
  • the carrier substrate 21 itself does not form part of the resonator 1.
  • an antireflection coating for the laser beam is favorably applied.
  • An embodiment with a carrier substrate 21 could be in others
  • Embodiments also omitted.
  • the first end mirror 5 is used in the embodiment for coupling the
  • Pumping radiation is designed to be as transmissive as possible for the pumping radiation 10, while it is highly reflective for light at the optical frequency of the laser radiation.
  • a laser diode or a laser diode array is used, wherein the pump radiation in the schematically illustrated
  • the resonator is supplied.
  • An arrangement of the laser diode or the laser diode array directly in front of the resonator 1 is conceivable and possible. Additional lenses for focusing the pump radiation may be provided, but are not shown in the schematic Fig. 1.
  • the diameter of the pump radiation in the laser crystal is less than 100 pm, preferably less than 50 ⁇ m, more preferably less than 30 ⁇ m, based on the half-width of the intensity (ie FWHM).
  • Diameter of the pump beam can also be adapted to the thickness D of the laser crystal 2, wherein a pumping volume can be achieved with substantially the same diameter and the same length.
  • the monolithically formed resonator 1 can have further and / or different optical elements.
  • Bonding is known for example in the form of diffusion bonding, wringing or adhesive bonding (by means of an adhesive layer).
  • the resonator 1 is a standing wave resonator. At least as long as no pump radiation is incident into the laser crystal 2, the end surfaces 3, 4 of the laser crystal 2 are flat in the microchip laser shown and lie parallel to one another. Likewise, the end mirrors 5 and 6 are flat and parallel
  • a thermal lens is formed, including a certain curvature of the end surfaces 3, 4 and thus the end mirror 5, 6.
  • the formation of laser modes of microchip lasers under consideration the thermal lens is known.
  • Microchip lasers are kept in operation mostly by means of heating and / or cooling elements in a predetermined operating temperature range, for example by means of a Peltier element. At least one such heating and / or cooling element to keep the microchip laser in operation within a predetermined temperature range is preferably provided in the laser according to the invention, but not shown in Fig. 1 for the sake of simplicity.
  • the laser beam 9 coupled out of the resonator 1 has a laser beam axis 12.
  • the laser crystal 2 in the exemplary embodiment is Nd3 +: YV04.
  • YV04 has orthogonal a-axes 35, 36 and a c-axis 37 perpendicular to the a-axes 35, 36, cf. Fig. 1 and 2.
  • YV04 is birefringent and this optically uniaxial, where it is the only crystal-optical axis, the c-axis 37th
  • YV04 is thus optically isotropic. It therefore has the same refractive index for polarization directions of the light parallel to the two a-axes 36, 36.
  • the light beam is split into sub-beams which are polarized at right angles to one another, corresponding to the ordinary and extraordinary beams.
  • Embodiment thus parallel to the c-axis 37 and parallel to the (other) a-axis 35th
  • the axis of the laser beam 9 in the laser crystal 2 of the resonator 1 is perpendicular to the crystal optical axis, in the embodiment parallel to the a-axis 36, wherein W
  • the axis of the laser beam 9 in the laser crystal 2 in a different direction perpendicular to the crystal-optical axis, in the embodiment so in the plane spanned by the a-axes 35, 36 plane, for example, parallel to the other a-axis 35 could lie.
  • the laser beam 9 can thus basically a polarization parallel to the crystal-optical axis, in the embodiment of the c-axis 37, or
  • Resonator 1 is decoupled, will be explained below.
  • the mode condition For a laser mode to form in the resonator, the mode condition must be satisfied:
  • L 1/2 * m * laser wavelength / n
  • n denotes the refractive index
  • the gain wavelength (as defined earlier) is used. A value sufficiently close to this (within the gain bandwidth of, for example, +/- 1 nm) would also become one
  • FIG. 3 shows by way of example a length L of the resonator in which resonance occurs both for standing waves with a polarization parallel to the c-axis 37 and parallel to the a-axis 35.
  • the amplification wavelength eg 1064 nm for Nd3 +: YV04, is correspondingly compressed in the resonator according to the refractive index for the respective polarization.
  • a solid line 30 is in Fig. 3, the E field for the polarization parallel to the c-axis 37, that is, the polarization corresponding to the extraordinary ray, and as a dashed line 31, the E field for the
  • the material of the laser crystal is present over the entire length of the resonator.
  • some of the length L of the resonator may be formed by layers of other materials, such as the absorber layer 7 or reflective layer 8.
  • the refractive index present in these regions should be considered for the mode condition in a more specific manner. If this additional
  • the solid line 32 corresponds to the E-field for the laser beam, in the direction of the extraordinary beam, in the exemplary embodiment in
  • Resonator is resonant for this laser beam (the mode has nodes at both ends of the resonator).
  • the mode has nodes at both ends of the resonator.
  • Embodiment parallel to the a-axis 35 the mode condition, however, is not met.
  • the E-field for an imaginary mode with the polarization corresponding to the ordinary ray would have a node at one end of the resonator, but a vibration belly at the other end.
  • the dashed line 32 in Fig. 4 illustrates this situation. Such a mode is thus suppressed and the decoupled laser beam has a polarization corresponding to
  • the extension of the laser crystal 2 is also drawn, which has this in the direction of the laser beam axis 12, ie its thickness D.
  • Laserkristalls lying region of the resonator caused phase shift is sufficiently small, in particular ⁇ / 8, preferably ⁇ / 16.
  • ⁇ / 8 preferably ⁇ / 16.
  • just half a wavelength is shown as the difference between L and D. But this is only symbolically represented. In practice, the difference in length between L and D will generally differ.
  • FIG. 5 a the light beam 16 incident on the laser crystal is drawn together with the ordinary beam 17 whose polarization is indicated by the arrow 18 at right angles to the crystal-optical axis.
  • Fig. 5b is the incident light beam 16 together with the extraordinary beam 19th
  • the E-field for the extraordinary ray corresponds to the solid line 32 over the area of the laser crystal 2 (ie over the
  • Extension corresponding to D) in FIG. 4 and the E-field of the ordinary ray corresponds to the dashed line 33 over the extent corresponding to D in FIG. 4.
  • the thickness D of the laser crystal in the direction of the laser beam axis is straight in FIG. 4 such that the phase position of the E field of the extraordinary beam 19 is opposite to that of FIG Phase position of the ordinary beam 17 at the end of the laser crystal (ie at the end of the pass through the laser crystal) to the beginning of the laser crystal (ie the beginning of the passage through the laser crystal) by a quarter
  • Wavelength i. by ⁇ / 2
  • the laser crystal 2 works for the
  • Polarization direction corresponding to the extraordinary beam in the resonator is in resonance, the laser mode with the perpendicular polarization direction, ie corresponding to the ordinary beam, "best possible" suppressed, i.e., as far as possible away from the fulfillment of the mode condition in the resonator.
  • Resonator can due to the larger "free spectral rfite" a larger
  • Deviation are allowed, as with a longer resonator.
  • a phase shift between the ordinary and the extraordinary beam in a single pass through the laser crystal can be allowed, which is in the range of +/- ⁇ / 4, but preferably deviates less from ⁇ / 2 .
  • the phase shift is favorably at least in the range of ⁇ / 2 +/- ⁇ / 6.
  • the phase shift is favorably at least in the range ⁇ / 2 +/- ⁇ / 8.
  • the resonator 1 comprises a birefringent laser crystal 2, for example Nd 3+: YVO 4.
  • a birefringent laser crystal for example Nd 3+: YVO 4.
  • On the first end surface 3 is applied as a first end mirror 5, an optical coating. This is permeable to the pump radiation and partially reflecting the laser beam.
  • the other end face 4 is with a
  • Reflective layer 8 coated which reflects the pump radiation, is transparent to the laser beam.
  • a SESAM which comprises a saturable absorber layer 7 and the second end mirror 6, is bonded to the laser crystal 2 coated with the reflection layer 8.
  • the reflective layer could be applied to the SESAM prior to bonding.
  • the SESAM is here applied to a heat sink 26, for example made of copper.
  • the coupling-out of the laser beam 9 takes place in this exemplary embodiment through the first end mirror 5.
  • the laser crystal 2 with the optical coating forming the first end mirror 5 is bonded to an undoped YVO 4 crystal 22, which lies outside the resonator.
  • the mechanical processing of the laser crystal 2 for forming the laser crystal 2 with a small thickness D is considerably simplified.
  • On the YV04 crystal 22 is still a window 27 (antireflection coated for the pump radiation and the laser beam) applied.
  • a radiation source for the pump radiation is a laser diode or a
  • the transmission can be effected by means of a light guide 1 1, of which in Fig. 1 1 is schematically shown an end. Such a light guide can also be omitted.
  • a light guide can also be omitted.
  • the length L of the resonator 1 thus corresponds to the thickness D of the laser crystal 2.
  • the table of FIG. 6 describes the system for which the calculations were actually performed.
  • the first column designates the number associated with each layer.
  • Column d denotes the thickness of the respective layer in nm.
  • Column t denotes the "optical thickness", which is the thickness t times the refractive index
  • the column QWOT denotes the optical thickness with respect to the number of pixels
  • Layers 1 to 10 represent a Bragg mirror, that of five
  • Quarter wavelength pairs is formed (based on the wavelength 1064 nm).
  • the reflectivity of these ten layers at 1064 nm is about 98%, so close to a high reflector.
  • An increase in the number of layers of the Bragg mirror could increase the reflectivity even further.
  • Layer 1 1 represents the laser crystal, in the present case Nd 3+: YVO 4. Initially, a thickness of 33.25 pm was considered.
  • the refractive index ne was used for the polarization in the direction of the extraordinary ray (symbolized by Nd3 +: YV04 IIc, that is, for the case of Nd3 +: YV04 2,16 Reflectance of the resonator for a light beam having a polarization corresponding to extraordinary ray.
  • the refractive index of the laser crystal no that is to say for the case of Nd3 +: YV04 1, 96, is used.
  • the layers 12 to 20 represent the first end mirror 5, which in the
  • Embodiment at the wavelength 808 nm of the pump radiation is almost completely transmissive and at the laser wavelength of im
  • Embodiment 1064 nm has 95% reflectivity.
  • the layer 20 would be arranged on YV04 as a carrier substrate.
  • the layer materials used here are TiO 2 and SiO 2, although other materials customary in coating technology are also possible, e.g. Ta205.
  • Wavelengths for the polarization parallel to the ordinary ray and parallel to the extraordinary ray are shown in FIGS. 7 and 8. From Fig. 7 it can be seen that there is a collapse of the reflectivity of the system in a
  • Wavelength of about 1064 nm so the gain wavelength of the material of the laser crystal comes. This corresponds to a resonance in the resonator for a laser beam coupled out with this wavelength.
  • the adjacent resonances occur at wavelengths of about 1056 nm and 1072 nm.
  • the "free spectral rank" is thus about 8 nm.
  • FIG. 8 shows the resonances for the polarization in the direction of the extraordinary
  • the resonances closest to the amplification wavelength of 1064 nm are approximately 1060 nm and 1068 nm, ie have the maximum possible distance of 1064 nm.
  • the thickness D of the laser crystal 2 which in the observed layer system corresponds to the length L of the resonator 1, of 33.25 ⁇ m, the polarization in FIG.
  • Laser crystal 2 is a phase shift between the ordinary ray and the extraordinary ray of ⁇ / 2.
  • Figs. 9 and 10 are diagrams corresponding to Figs. 7 and 8 for a
  • Polarization direction corresponding to the extraordinary or ordinary beam has a resonance at the laser wavelength corresponding to the amplification wavelength.
  • the condition must be met that the
  • the polarization was selected according to the extraordinary ray and the polarization was suppressed at right angles thereto.
  • Nd3 +: YV04 this is advantageous because there is a higher gain for the polarization direction corresponding to the extraordinary ray than for the perpendicular polarization direction.
  • a polarization direction corresponding to the ordinary ray is selected and the polarization direction corresponding to the extraordinary ray is suppressed.
  • Different modifications of the embodiments shown are conceivable and possible without departing from the scope of the invention, for example as regards the layer structure of the resonator and with respect to the
  • Laser crystal and the laser beam axis of the decoupled laser beam could be perpendicular to one of the crystal-optical axes.
  • Reflection layer 26 heat sink

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Abstract

Ein Microchip-Laser umfasst einen monolithischen Resonator (1), der einen doppelbrechenden Laserkristall (2) aufweist, wobei ein aus dem Resonator (1) ausgekoppelter Laserstrahl (9), der eine Laserwellenlange aufweist, entlang einer Laserstrahlachse (12) aus dem Resonator (1) austritt und die auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Lange (L) des Resonators (1) kleiner als 150 μm ist. Der Laserkristall (2) weist eine derartige auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Dicke (D) auf, dass bei einem in Richtung der Laserstrahlachse (12) erfolgenden Einfall eines die Laserwellenlange aufweisenden Lichtstrahls (16) auf den Laserkristall (2) zwischen dem ordentlichen und dem auBerordentlichen Strahl (17, 19), in welche der Lichtstrahl (16) im Laserkristall (2) aufgeteilt wird, bei einem einzeinen Durchlauf durch den Laserkristall (2) eine Phasenverschiebung im Bereich von TT/2 +/- π/4 auftritt.

Description

Microchip-Laser
Die Erfindung bezieht sich auf einen Microchip-Laser mit einem monolithischen Resonator, der einen doppelbrechenden Laserkristall aufweist, wobei ein aus dem Resonator ausgekoppelter Laserstrahl, der eine Laserwellenlänge aufweist, entlang einer Laserstrahlachse aus dem Resonator austritt und die auf die Richtung der Laserstrahlachse bezogene Länge des Resonators kleiner als 150 μιτι ist.
Microchip-Laser sind Festkörperlaser mit einem monolithischen Resonator und zeichnen sich durch einen besonders kleinen Aufbau auf. Endspiegel des Resonators werden durch Beschichtung des aktiven Lasermediums gebildet und/oder ein einen Endspiegel aufweisendes oder bildendes optisches Element, beispielsweise ein SESAM, wird stoffschlüssig mit dem aktiven Lasermedium verbunden. Solche Verbindungstechniken sind als„bonding" bekannt. Aufgrund der kurzen Resonatorlängen können mit Microchip-Lasern in einfacher Weise kurze Pulse gebildet werden. So können mittels Güteschaltung („Q- switching") Pulse mit Pulslängen von weniger als einer Nanosekunde oder auch weniger als 100 Pikosekunden, im Extremfall weniger als 20 Pikosekunden, erreicht werden. Solche Pulse sind beispielsweise für die Mikromaterialbearbeitung von Interesse.
Bestehende modengekoppelte Laser, mit welchen so kurze Pulse erzeugt werden können, sind wesentlich größer ausgebildet. Typische Resonatorlängen sind mehr als 1 m und solche Resonatoren können durch mehrfache Faltung in einem Würfel mit einer Kantenlänge von mehr als 10cm untergebracht werden. Ein Resonator eines Microchip-Lasers lässt sich dagegen in einem Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 1 mm unterbringen. Auch eine Verstärkungsschaltung (="gain-switching") kann für einen Microchip-Laser durchgeführt werden, wobei Pulse mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich oder auch darunter erzeugt werden können. Grundsätzlich kann ein Microchip-Laser auch kontinuierlich (=im cw-Modus) betrieben werden.
Microchip-Laser besitzen eine potentiell kostengünstige Produktion, weil ein flächenhafter Laseraufbau in einem Batch-Prozess (Wafer-Prozess) hergestellt werden kann, sodass aus einer Fläche von 10mm x 10mm durchaus mehr als 100 Laserresonatoren gewonnen werden können.
Durch den monolithischen Aufbau wird eine besondere Stabilität eines Microchip- Lasers ermöglicht. Microchip-Laser der eingangs genannten Art mit besonders kurzen Pulsdauern gehen aus der WO 201 1 /147799 A1 und aus Mehner E. et.al.„Sub-20-ps pulses from a passively Q-switched microchip laser at 1 MHz repetition rate", OPTICS LETTERS, Vol. 39, NO. 10/May 15, 2014, 2940-2943 hervor. In diesen Veröffentlichungen sind weitere Schriften genannt, in denen Microchip-Laser offenbart sind, bei denen mit einer Güteschaltung Pulse mit Pulslängen unter 100 ps erreicht werden.
Bei kurzen Resonatorlängen und geringen Verstärkungsbandbreiten des aktiven Lasermaterials emittieren Microchip-Laser üblicherweise bei einer einzigen
Frequenz, d.h. der aus dem Resonator ausgekoppelte Laserstrahl besitzt eine definierte Laserwellenlänge. Die kurze Resonatorlänge führt zu einem großen„free spectral ränge", also einem großen Abstand benachbarter Wellenlängen, die im Resonator resonant sind.
Für Microchip-Laser wird als aktives Lasermedium häufig ein von einem Vanadat gebildeter Laserkritstall eingesetzt, insbesondere Nd3+:YVO4 . Nd3+:YVO4 weist als Lasermaterial vorteilhafte Eigenschaften, wie eine vergleichsweise hohe
Kleinsignalverstärkung und gute Absorption der Pumpstrahlung auf. Bei Nd3+:YVO4 handelt es sich um einen doppelbrechenden Kristall, wobei die bisherige Erfahrung gezeigt hat, dass ein Microchip-Laser mit Nd3+:YV04 als Laserkristall mit einer Polarisation entsprechend dem ordentlichen Strahl oder entsprechend dem außerordentlichen Strahl lasern kann.
Doppelbrechende Kristalle sind optisch anisotrop, bei optisch einachsigen doppelbrechenden Kristallen mit Ausnahme für einen Lichteinfall in Richtung der kristalloptischen Achse. Bei optisch einachsigen doppelbrechenden Kristallen ist bei einem Einfall parallel zur einzigen kristalloptischen Achse der Brechungsindex unabhängig von der Polarisationsrichtung des Lichts. Für einen Lichteinfall winkelig zur kristalloptischen Achse wird der Lichtstrahl in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt, deren Polarisationsrichtungen rechtwinkelig zueinander sind und die als ordentlicher Strahl und außerordentlicher Strahl bezeichnet werden. Die
Brechungsindices sind für den ordentlichen Strahl und außerordentlichen Strahl unterschiedlich, wobei bei einer Lichteinfallsrichtung rechtwinkelig zur
kristalloptischen Achse die Differenz der Brechungsindices ihren maximalen Wert annimmt. Bei einem solchen Lichteinfall rechtwinkelig zur kristalloptischen Achse und auf eine rechtwinkelig zur Lichteinfallsrichtung stehenden Eintrittsfläche des doppelbrechenden Kristalls kommt es hierbei zu keiner räumlichen Trennung der rechtwinkelig zueinander polarisierten ordentlichen und außerordentlichen Strahlen.
Ein doppelbrechender Kristall kann auch mehr als eine kristalloptische Achse aufweisen. Aufgabe der Erfindung ist es einen vorteilhaften Microchip-Laser der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine hohe Stabilität der Polarisationsrichtung des aus dem Resonator ausgekoppelten Laserstrahls aufweist. Erfindungsgemäß gelingt dies durch einen Microchip-Laser mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Beim Microchip-Laser gemäß der Erfindung weist der Laserkristall eine derartige Dicke in Richtung der Laserstrahlachse auf, dass bei einem in Richtung der
Laserstrahlachse erfolgenden Einfall eines die Laserwellenlänge aufweisenden Lichtstrahls auf den Laserkristall zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl, in welche der Lichtstrahl im Laserkristall aufgeteilt wird, bei einem einzelnen Durchgang durch den Laserkristall eine Phasenverschiebung im Bereich von ττ/2 +/- ττ/4, vorzugsweise ττ/2 +/- ττ/8, auftritt. Der doppelbrechende Laserkristall verhält sich also bezüglich dem ordentlichen und dem
außerordentlichen Strahl wie ein Lambda/4-Plättchen, wobei eine Abweichung hiervon im zuvor genannten Bereich möglich ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird eine Polarisationsselektion des ausgekoppelten Laserstrahls mit einer hohen Toleranz gegenüber äußeren
Einflüssen, wie der Temperatur, aber auch gegenüber Herstellungsabweichungen, z.B. hinsichtlich der ausgebildeten Länge des Resonators, erreicht.
Die Länge des Resonators in Richtung der Laserstrahlachse beträgt 150 μιτι oder weniger, vorzugsweise 100 μιτι oder weniger, besonders bevorzugt 50 μιτι oder weniger. Durch einen derartig kurzen Resonator kommt es zu einem großen„free spectral ränge", also einem großen Abstand zwischen den Wellenlängen, die im Resonator resonant sind, was für eine stabile Unterdrückung der unerwünschten Polarisationsrichtung wichtig ist. Außerdem können bei einem derart kurzen
Resonator in einfacher Weise kurze Pulslängen erreicht werden, vorteilhafterweise mittels einer passiven Güteschaltung, wobei als ein Endspiegel insbesondere ein SESAM verwendet werden kann.
Ein erfindungsgemäßer Laser kann grundsätzlich als Dauerstrichlaser betrieben werden. Für viele Anwendungen ist aber eine Ausbildung als Pulslaser vorteilhaft. Die gewünschte Pulsdauer hängt vom Anwendungsfall ab. Es bestehen
Anwendungsfälle, in denen Pulslängen im ns-Bereich oder auch im Bereich 100 ps - 1 ns vorteilhaft sind. Solche Pulsdauern können beispielsweise durch eine
Verstärkungsschaltung der optischen Pumpanordnung (=gain-switching") erreicht werden. In vorteilhaften Ausbildungsformen kann die Pulsdauer der Pulse weniger als 100 ps, vorzugsweise weniger als 50 ps betragen, wobei Pulsdauern von weniger als 20 ps denkbar und möglich sind. Die Pulsenergie kann hierbei mehr als 10 nJ oder auch mehr als 30 nJ betragen. Insbesondere können solche kurze Pulsdauern durch die bereits genannte passive Güteschaltung erreicht werden.
Wenn in der vorliegenden Schrift von Pulsdauern die Rede ist, so sind diese auf die Halbwertsbreite der Intensität bezogen (FWHM). In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Laserkristall
Nd3+:YV04.
Anstelle von YV04 kommen zur Ausbildung des Laserkristalls auch andere Vanadate in Betracht, z.B. Nd3+:GdV04 oder Nd3+:GdYV04. Anstelle von Vanadaten können auch andere doppelbrechende Kristalle mit entsprechender Dotierung, z.B. Nd, welche laseraktive Eigenschaften besitzen, z.B. LSB, als Laserkristall eingesetzt werden.
Das den Resonator bildende Schichtsystem wird so ausgebildet, dass eine Resonanz für die gewünschte Polarisation beim Maximum der Verstärkung des Laserkristalls liegt oder hiervon eine nur geringe Abweichung aufweist, vorzugsweise von weniger als 0,5 nm. Die Wellenlänge des ausgekoppelten Laserstrahls, für welche der Lasermode im Laserkristall beim Maximum der Verstärkung des Laserkristalls liegt, wird in dieser Schrift als„Verstärkungswellenlänge" bezeichnet. Für Nd3+:YV04 liegt diese bei ca. 1064 nm. Die Bandbreite, innerhalb welcher eine ausreichende Verstärkung vorliegt, um einen Lasermode zu erzeugen, liegt ca. 1 nm um diesen Wert.
Vorteil afterweise stimmt die Laserstrahlachse, entlang von der der Laserstrahl aus dem Resonator austritt, mit der Achse des Laserstrahls innerhalb des Resonators überein und die Laserstrahlachse steht rechtwinkelig zu einer kristalloptischen Achse des Laserkristalls, wobei der Laserkristall vorzugsweise nur eine kristalloptische Achse aufweist (= optisch einachsig ist) und damit bezogen auf einen Einfall parallel zur einzelnen kristalloptischen Achse optisch isotrop ist. Die Differenz der
Brechungsindices für Strahlen mit rechtwinkelig zueinander stehenden
Polarisationen, entsprechend dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl, besitzt in einer solchen Konfiguration, bei der die Achse des Laserstrahls
rechtwinklig zur kristalloptischen Achse steht, ein Maximum. Hierbei wird ein parallel zur Laserstrahlachse in den Laserkristall eintretender Lichtstrahl nicht in einen ordentlichen und außerordentlichen Strahl räumlich getrennt, d.h. der ordentliche und außerordentliche Strahl fallen zusammen, weisen aber rechtwinkelig zueinander stehende Polarisationsrichtungen auf.
Insbesondere sind den Resonator beidseitig begrenzende Endspiegel, zumindest wenn keine Pumpstrahlung in den Laserkristall einfällt, eben und stehen
rechtwinkelig zur Laserstrahlachse. Hierbei sind auch die Endflächen des
Laserkristalls, durch welche der Laserstrahl mit den Endspiegeln zusammenwirkt, zumindest wenn keine Pumpstrahlung auf den Laserkristall einfällt, eben und stehen rechtwinkelig zur Laserstrahlachse.
Die Laserwellenlänge des ausgekoppelten Laserstrahls weist vorteilhafterweise eine sehr schmale Frequenzverteilung auf, vorzugsweise mit einer Halbwertsbreite der Intensität (FWHM) von weniger als 1 nm, besonders bevorzugt weniger als 0,3 nm. Die Effekte der Frequenzverteilung bezüglich der Intensitätsunterdrückung der unerwünschten Polarisationsrichtung können damit vernachlässigt werden. Wenn in dieser Schrift von der Laserwellenlänge die Rede ist, so bezieht sich diese streng genommen auf das Maximum der Frequenzverteilung des ausgekoppelten
Laserstrahls.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Microchip-Lasers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Ansicht des Resonators in Richtung der Laserstrahlachse; Fig. 3 eine schematische Darstellung der E-Felder für einen Fall, wenn der
Resonator bei einer Laserwellenlänge entsprechend der Verstärkungswellenlänge des Laserkristalls für senkrecht zueinander linear polarisierte Laserstrahlen resonant wäre, als Vergleichsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der E-Felder des ordentlichen und
außerordentlichen Strahls für einen in Richtung der Laserstrahlachse auf den Laserkristall einfallenden Lichtstrahl mit der Laserwellenlänge;
Fig. 5a und 5b schematische Darstellungen des ordentlichen und außerordentlichen Strahls bei einem in Richtung der Laserstrahlachse auf den Laserkristall einfallenden Lichtstrahl;
Fig. 6 eine Tabelle zur Erläuterung einer Simulationsberechnung für ein einen Resonator simulierendes Schichtsystem;
Fig. 7 und 8 Diagramme für die Resonanzlinien des Resonators für Polarisationen entsprechend dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl, bei einer
erfindungsgemäßen Dicke des Laserkristalls;
Fig. 9 und 10 Diagramme entsprechend Fig. 7 und 8 für eine nicht
erfindungsgemäße Dicke des Laserkristalls, als Vergleichsbeispiel;
Fig. 1 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Microchip-Lasers entsprechend einer weiteren möglichen Ausführungsform.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel für einen Microchip-Laser gemäß der Erfindung ist schematisch in Fig. 1 und 2 dargestellt. Der Microchip-Laser besitzt einen
Resonator 1 , der in Form eines monolithischen Blocks ausgebildet ist. Das laseraktive Medium des Resonators 1 ist der Laserkristall 2. Der Laserkristall 2 besitzt gegenüberliegende Endflächen 3, 4. Durch diese gegenüberliegenden Endflächen hindurch wirkt ein im Betrieb des Lasers im Laserkristall 2 sich ausbildender
Laserstrahl (=Lasermode) mit Endspiegeln 5, 6 des Resonators 1 zusammen. Der erste Endspiegel 5 wird hier von einer optischen Beschichtung der Endfläche 3 des Laserkristalls 2 gebildet. Der zweite Endspiegel 6 ist im Ausführungsbeispiel in Form eines Bragg-Spiegels ausgebildet und Teil eines SESAM, welcher außerdem eine Abosrberschicht 7 aufweist, die einen sättigbaren Absorber bildet. Zwischen der Absorberschicht 7 des SESAM und dem Laserkristall 2 befindet sich noch eine Reflexionsschicht 8 für die Pumpstrahlung, welche für den zumindest teildurchlässig ist, z. B. 30%.
Die Reflexionsschicht 8 ist als optische Beschichtung auf den Resonator 1
aufgebracht. Der die Absorberschicht 7 und zweiten Endspiegel 6 umfassende SESAM ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einem Trägersubstrat 21 in Form von GaAs (z.B. 0,4mm dick) ausgebildet. Die Einheit umfassend den SESAM und das Trägersubstrat 21 wird durch Bonding, also stoffschlüssig, mit dem mit der
Reflexionsschicht 8 beschichteten Resonator 1 verbunden.
Der zweite Endspiegel 6 ist teilreflektierend ausgebildet, um den Laserstrahl 9 auszukoppeln.
Das Trägersubstrat 21 selbst stellt keinen Teil des Resonators 1 dar. Auf der vom Laserkristall 2 abgewandten Seite des Trägersubstrats 21 ist günstigerweise eine Antireflexionsschicht für den Laserstrahl aufgebracht.
Eine Ausbildung mit einem Trägersubstrat 21 könnte in anderen
Ausführungsbeispielen auch entfallen.
Der erste Endspiegel 5 dient im Ausführungsbeispiel zur Einkopplung der
Pumpstrahlung und ist hierzu für die Pumpstrahlung 10 möglichst transmittierend ausgebildet, während er für Licht mit der optischen Frequenz der Laserstrahlung hochreflektierend ist.
Zur Emission der Pumpstrahlung wird eine Laserdiode oder ein Laserdioden-Array eingesetzt, wobei die Pumpstrahlung im schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel durch einen Lichtleiter 1 1 , von dem in Fig. 1 schematisch ein Ende dargestellt ist, dem Resonator zugeführt wird. Auch eine Anordnung der Laserdiode oder des Laserdioden-Arrays direkt vor dem Resonator 1 ist denkbar und möglich. Zusätzliche Linsen zum Fokussieren der Pumpstrahlung können vorgesehen sein, sind in der schematischen Fig. 1 aber nicht dargestellt. Vorteilhafterweise beträgt der Durchmesser der Pumpstrahlung im Laserkristall weniger als 100 pm, vorzugsweise weniger als 50 μητι, besonders bevorzugt weniger als 30 μιτη, bezogen auf die Halbwertsbreite der Intensität (also FWHM). Der
Durchmesser des Pumpstrahls kann hierbei auch an die Dicke D des Laserkristalls 2 angepasst werden, wobei ein Pumpvolumen mit weitgehend gleichem Durchmesser und gleicher Länge erreicht werden kann.
Der monolithisch ausgebildete Resonator 1 kann weitere und/oder andere optische Elemente aufweisen.
„Monolithisch" bedeutet hierbei, dass die den Resonator bildenden Elemente stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere mittels eines
herkömmlichen Bondings. Bonding ist beispielsweise in Form von Diffusion- Bonding, Ansprengen oder Adhäsiv-Bonding (mittels einer Klebstoffschicht) bekannt.
Beim Resonator 1 handelt es sich um einen Stehende-Wellen-Resonator. Zumindest solange keine Pumpstrahlung in den Laserkristall 2 einfällt, sind im gezeigten Microchip-Laser die Endflächen 3, 4 des Laserkristalls 2 eben und liegen parallel zueinander. Ebenso sind die Endspiegel 5 und 6 eben und liegen parallel
zueinander. Im Betrieb des Lasers, wenn die Pumpstrahlung 10 in den Laserkristall 2 einfällt, kommt es zur Ausbildung einer thermischen Linse, inklusive einer gewissen Wölbung der Endflächen 3, 4 und damit der Endspiegel 5, 6. Die Ausbildung von Lasermodes von Microchip-Lasern unter Berücksichtigung der thermischen Linse ist bekannt.
Microchip-Laser werden im Betrieb meist mittels Heiz- und/oder Kühlelementen in einem vorgegebenen Betriebstemperaturbereich gehalten, beispielsweise mittels eines Peltier-Elements. Mindestens ein solches Heiz- und/oder Kühlelement, um den Microchip-Laser im Betrieb in einem vorgegebenen Temperaturbereich zu halten, ist beim erfindungsgemäßen Laser vorzugsweise vorgesehen, in Fig. 1 der Einfachheit halber aber nicht dargestellt.
Der aus dem Resonator 1 ausgekoppelte Laserstrahl 9 besitzt eine Laserstrahlachse 12. Im Resonator 1 entspricht die Achse des Laserstrahls (= des Lasermodes) ebenfalls der Laserstrahlachse 12.
Beim Laserkristall 2 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Nd3+:YV04 . Ein solcher Laserkristall ist doppelbrechend. YV04 weist rechtwinkelig zueinander stehende a-Achsen 35, 36 und eine rechtwinkelig zu den a-Achsen 35, 36 stehende c-Achse 37 auf, vgl. Fig. 1 und 2. YV04 ist doppelbrechend und hierbei optisch einachsig, wobei es als einzige kristalloptische Achse die c-Achse 37
besitzt. Bezüglich der c-Achse 37 ist YV04 somit optisch isotrop. Es weist also für Polarisationsrichtungen des Lichts parallel zu den beiden a-Achsen 36, 36 den gleichen Brechungsindex auf.
Für einen Einfall eines unpolarisierten Lichtstrahls winkelig zur kristalloptischen Achse, im Ausführungsbeispiel also zur c-Achse 37, erfolgt eine Aufspaltung des Lichtstrahls in rechtwinkelig zueinander polarisierte Teilstrahlen, entsprechend dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl. Bei einem Einfall eines unpolarisierten Lichtstrahls rechtwinkelig zur kristalloptischen Achse, im Ausführungsbeispiel also in der Ebene der a-Achsen 35, 36, beispielsweise parallel zu einer der a-Achsen 35, 36, wobei die Eintrittsfläche rechtwinkelig zur Einfallsrichtung des Lichtstrahls steht, kommt es zu keiner räumlichen Trennung des ordentlichen und außerordentlichen Strahls, diese fallen also zusammen, wobei sie aber parallel zur kristalloptischen Achse (für den außerordentlichen Strahl) und rechtwinkelig hierzu (für den ordentlichen Strahl) liegende Polarisationsrichtungen aufweisen, im
Ausführungsbeispiel also parallel zur c-Achse 37 und parallel zur (anderen) a-Achse 35.
Die Achse des Laserstrahls 9 im Laserkristall 2 des Resonators 1 liegt rechtwinkelig zur kristalloptischen Achse, im Ausführungsbeispiel parallel zur a-Achse 36, wobei W
1 1 die Achse des Laserstrahls 9 im Laserkristall 2 auch in einer anderen Richtung rechtwinklig zur kristalloptischen Achse, im Ausführungsbeispiel also in der von den a-Achsen 35, 36 aufgespannten Ebene, beispielsweise parallel zur anderen a-Achse 35, liegen könnte. Der Laserstrahl 9 kann also grundsätzlich eine Polarisation parallel zur kristalloptischen Achse, im Ausführungsbeispiel der c-Achse 37, oder
rechtwinkelig hierzu, im Ausführungsbeispiel parallel zur a-Achse 35, einnehmen. Für welche dieser Polarisationen ein Laserstrahl (Lasermode) auftritt und aus dem
Resonator 1 ausgekoppelt wird, wird weiter unten erläutert. Damit sich ein Lasermode im Resonator ausbilden kann, muss die Modenbedingung erfüllt sein:
L=1 /2 * m * Laserwellenlänge/n wobei L die Resonatorlänge bezeichnet, m ein ganzzahliger Wert ist und die
Modenzahl und n den Brechungsindex bezeichnet. Da der Laserkristall
doppelbrechend ist, sind die Brechungsindices no, ne für die dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl entsprechenden Polarisationen unterschiedlich. Für die Laserwellenlänge wird die Verstärkungswellenlänge (entsprechend der Definition weiter vorne) eingesetzt. Ein ausreichend nahe bei dieser liegender Wert (innerhalb der Verstärkungsbandbreite von z.B. +/- 1 nm) würde auch noch zu einem
Lasermode führen. Das Intensitätsmaximum wird aber beim Maximum der
Verstärkung erreicht. Für YV04 ist der Brechungsindex ne für eine Polarisation parallel zur c-Achse 2,16 und der Brechungsindex no für eine Polarisation parallel zur a-Achse 1 ,96 (bezogen auf die Verstärkungswellenlänge von 1064 nm). Der Brechungsindexunterschied beträgt in diesem Fall also ca. 0,2, somit etwa 10%. In Fig. 3 ist beispielhaft eine Länge L des Resonators dargestellt, bei welcher sowohl für stehende Wellen mit einer Polarisation parallel zur c-Achse 37 als auch parallel zur a-Achse 35 Resonanz auftritt. Die Verstärkungswellenlänge, z.b. 1064 nm für Nd3+:YV04 , ist im Resonator entsprechend dem Brechungsindex für die jeweilige Polarisation entsprechend gestaucht. Als durchgezogene Linie 30 ist in Fig. 3 das E- Feld für die Polarisation parallel zur c-Achse 37, also die Polarisation entsprechend dem außerordentlichen Strahl, und als strichlierte Linie 31 das E-Feld für die
Polarisation parallel zur a-Achse 35, also für die Polarisation entsprechend dem ordentlichen Strahl, jeweils entlang der Laserstrahlachse 12, dargestellt. Aufgrund des höheren Brechungsindex ist die Wellenlänge für die Polarisation des
außerordentlichen Strahls gegenüber derjenigen des ordentlichen Strahls gestaucht. In der Situation entsprechend Fig. 3 ist somit für beide Polarisationen grundsätzlich die Ausbildung eines Modes möglich. Dies führt zu Instabilitäten. Welcher Mode sich tatsächlich ausbilden wird, hängt von kleinen Änderungen in den Parametern ab, beispielsweise der Temperatur. In Fig. 3, ebenso wie in der zuvor angegebenen Modenbedingung, wurde der
Einfachheit halber und zur Veranschaulichung angenommen, dass über die gesamte Länge des Resonators das Material des Laserkristalls vorliegt. Tatsächlich kann ein gewisser Teil der Länge L des Resonators von Schichten anderer Materialien gebildet sein, beispielsweise der Absorberschicht 7 oder Reflexionsschicht 8. Der in diesen Bereichen vorliegende Brechungsindex ist für die Modenbedingung in einer genaueren Betrachtungsweise zu berücksichtigen. Wenn diese zusätzlichen
Schichten nicht doppelbrechend sind, sind die Wellenlängen für beide
Polarisationsrichtungen in diesen Bereichen gleich. Die Situation für einen in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten Laser geht aus
Fig. 4 hervor. Die durchgezogene Linie 32 entspricht dem E-Feld für den Laserstrahl, der in Richtung des außerordentlichen Strahls, im Ausführungsbeispiel also in
Richtung der c-Achse 37, polarisiert ist, entlang der Laserstrahlachse 12. Der
Resonator ist für diesen Laserstrahl resonant (der Mode besitzt Knoten an den beiden Enden des Resonators). Mit anderen Worten ist für diesen Laserstrahl, der nach seiner Auskopplung die Laserwellenlänge entsprechend der Verstärkungswellenlänge aufweist, für Nd3+:YV04 also ca. 1064 nm, die
Modenbedingung erfüllt.
Für die Polarisation entsprechend dem ordentlichen Strahl, also im
Ausführungsbeispiel parallel zur a-Achse 35, ist die Modenbedingung dagegen nicht erfüllt. Das E-Feld für einen gedachten Mode mit der Polarisation entsprechend dem ordentlichen Strahl würde einen Knoten an einem Ende des Resonators, aber einen Schwingungsbauch am anderen Ende besitzen. Die strichlierte Linie 32 in Fig. 4 veranschaulicht diese Situation. Ein solcher Mode wird somit unterdrückt und der ausgekoppelte Laserstrahl besitzt eine Polarisation entsprechend dem
außerordentlichen Strahl.
In Fig. 4 ist auch die Ausdehnung des Laserkristalls 2 eingezeichnet, welche dieser in Richtung der Laserstrahlachse 12 aufweist, also seine Dicke D. Im Laserkristall 2 ist die Wellenlänge für die Polarisation entsprechend dem ordentlichen Strahl Lambda II o und die Wellenlänge entsprechend dem außerordentlichen Strahl Lambda II e, konkret für den Fall von Nd3+:YV04 :
Lambda II o = Lambda/no = 1064 nm/1 ,96 = 542,85 nm
Lambda II e = Lambda/ne = 1064 nm/2,16 = 492,59 nm ("gestaucht")
Lambda ist hierbei die Laserwellenlänge des ausgekoppelten Laserstrahls 9, die der Verstärkungswellenlänge entspricht. Wenn im Bereich des Resonators, der außerhalb des Laserkristalls liegt, kein doppelbrechendes Material vorliegt, so ist in diesem Bereich Lambda II o = Lambda II e. Die Phasenrelation zwischen den E-Feldern der senkrecht zueinander
polarisierten Moden bleibt hier also bestehen. Selbst wenn die Brechungsindices im Bereich außerhalb des Laserkristalls für die beiden Polarisationen unterschiedlich sein sollten, so kann der Effekt vernachlässigt werden, wenn die im außerhalb des
Laserkristalls liegenden Bereich des Resonators hervorgerufene Phasenverschiebung ausreichend klein ist, insbesondere <π/8, vorzugsweise <ττ/16 ist. In Fig. 4 ist als Unterschied zwischen L und D der Einfachheit halber gerade eine halbe Wellenlänge eingezeichnet. Dies ist aber nur symbolisch so dargestellt. In der Praxis wird sich der Längenunterschied zwischen L und D hiervon im Allgemeinen unterscheiden.
Wenn man für den Laserkristall mit der Dicke D davon ausgeht, dass ein
unpolarisierter Lichtstrahl, der die Laserwellenlänge aufweist, in Richtung der Laserstrahlachse 12 auf den Laserkristall 2 einfällt, so wird der Lichtstrahl im
Laserkristall in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl aufgeteilt, da der Laserkristall 2 doppelbrechend ist. Wenn der Einfall rechtwinkelig zur
kristalloptischen Achse, für Nd3+:YV04 rechtwinkelig zur c-Achse, und auf eine Einfallfläche erfolgt, die rechtwinkelig zum einfallenden Lichtfall steht, so werden der außerordentliche und der ordentliche Strahl in diesem Fall nicht räumlich
voneinander getrennt, sind aber rechtwinkelig zueinander polarisiert, und zwar ist der außerordentliche Strahl in Richtung der kristalloptischen Achse, für Nd3+:YV04 also in Richtung der c-Achse, und der ordentliche Strahl rechtwinkelig hierzu, also für Nd3+:YV04 in der von den a-Achsen aufgespannten Ebene, beispielsweise parallel zu einer der a-Achsen, polarisiert.
In Fig. 5a ist der auf den Laserkristall einfallende Lichtstrahl 16 zusammen mit dem ordentlichen Strahl 17 eingezeichnet, dessen Polarisation rechtwinkelig zur kristalloptischen Achse durch den Pfeil 18 angedeutet ist. In Fig. 5b ist der einfallende Lichtstrahl 16 zusammen mit dem außerordentlichen Strahl 19
dargestellt, dessen Polarisation parallel zur kristalloptischen Achse durch das Kreuz 20 angedeutet ist. Das E-Feld für den außerordentlichen Strahl entspricht der durchgezogenen Linie 32 über den Bereich des Laserkristalls 2 (also über die
Ausdehnung entsprechend D) in Fig. 4 und das E-Feld des ordentlichen Strahls entspricht der strichlierten Linie 33 über die Ausdehnung entsprechend D in Fig. 4.
Die Dicke D des Laserkristalls in Richtung der Laserstrahlachse ist in Fig. 4 gerade so, dass die Phasenlage des E-Feldes des außerordentlichen Strahls 19 gegenüber der Phasenlage des ordentlichen Strahls 17 am Ende des Laserkristalls (also am Ende des Durchlaufs durch den Laserkristall) gegenüber dem Anfang des Laserkristalls (also dem Beginn des Durchlaufs durch den Laserkristall) um eine viertel
Wellenlänge, d.h. um ττ/2, verzögert ist. Der Laserkristall 2 wirkt für den
außerordentlichen Strahl also als Lambda/4-Plättchen gegenüber dem ordentlichen Strahl.
Für diese Dicke D des Laserkristalls wird somit, wenn der Lasermode der
Polarisationsrichtung entsprechend dem außerordentlichen Strahl im Resonator in Resonanz ist, der Lasermode mit der hierzu rechtwinkeligen Polarisationsrichtung, also entsprechend dem ordentlichen Strahl,„bestmöglich" unterdrückt, d.h. ist weitestmöglich von der Erfüllung der Modenbedingung im Resonator entfernt.
Wie bereits erwähnt, wird hierbei davon ausgegangen, dass es außerhalb des Laserkristalls zu keinen weiteren Phasenverschiebungen zwischen den Moden kommt oder falls doch, diese ausreichend gering sind (vorzugsweise weniger als ττ/8, besonders bevorzugt weniger als ττ/16, betragen), so dass diese nicht ins Gewicht fallen. Auch bei einer Abweichung von der genannten Ausbildung des Laserkristalls 2 als Lambda/4-Plättchen wird noch eine ausreichende Unterdrückung der nicht gewünschten Polarisation erreicht, so lange die Abweichung nicht zu groß ist. Die Größe der zulässigen Abweichung hängt auch von der Länge des Resonators und dem hiermit verbundenen„free spectral ränge" ab. Bei einem relativ kurzen
Resonator kann aufgrund des größeren„free spectral ränge" eine größere
Abweichung erlaubt werden, als bei einem längeren Resonator. So kann für eine Resonatorlänge von 50 μιτι oder weniger eine Phasenverschiebung zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl bei einem einzelnen Durchlauf durch den Laserkristall zugelassen werden, die im Bereich von +/- π/4 liegt, vorzugsweise aber demgegenüber weniger von π/2 abweicht. Bei einer Länge des Resonators 1 , die zumindest 50 pm aber weniger als 100 μηη beträgt, liegt die Phasenverschiebung günstigerweise zumindest im Bereich von ττ/2 +/- ττ/6. Beträgt die Länge des Resonators 1 mindestens 100 μηι aber weniger als 150 μητι, so liegt die Phasenverschiebung günstigerweise zumindest im Bereich ττ/2 +/- ττ/8.
Im Weiteren werden zur Veranschaulichung Ergebnisse von numerischen
Berechnungen der Resonanzlinien eines Resonators bei zwei unterschiedlichen Dicken des Laserkristalls 2 und entsprechenden unterschiedlichen Längen des Resonators 1 (der Resonator 1 ist ansonsten gleich ausgebildet) gezeigt. Die Berechnungen wurden für einen Resonator gemäß einer modifizierten
Ausführungsform eines Microchip-Lasers durchgeführt, welche in Fig. 1 1
schematisch dargestellt ist:
Der Resonator 1 umfasst einen doppelbrechenden Laserkristall 2, beispielsweise Nd3+:YV04 . Auf die erste Endfläche 3 ist als erster Endspiegel 5 eine optische Beschichtung aufgebracht. Diese ist durchlässig für die Pumpstrahlung und teilreflektierend für den Laserstrahl. Die andere Endfläche 4 ist mit einer
Reflexionsschicht 8 beschichtet, welche die Pumpstrahlung reflektiert, für den Laserstrahl durchlässig ist. An den mit der Reflexionsschicht 8 beschichteten Laserkristall 2 ist ein SESAM gebondet, der eine sättigbare Absorberschicht 7 und den zweiten Endspiegel 6 umfasst. Die Reflexionsschicht könnte vor dem Bonden auf den SESAM aufgebracht werden. Der SESAM ist hier auf einen Kühlkörper 26, beispielsweise aus Kupfer aufgebracht.
Die Auskopplung des Laserstrahls 9 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch den ersten Endspiegel 5. Der Laserkristall 2 mit der den ersten Endspiegel 5 bildenden optischen Beschichtung ist an einen undotierten YV04-Kristall 22 gebondet, welcher außerhalb des Resonators liegt. Durch die stoffschlüssige Verbindung des Laserkristalls 2 mit dem YV04- Kristall 22 wird die mechanische Bearbeitung des Laserkristalls 2 zur Ausbildung des Laserkristalls 2 mit einer kleinen Dicke D wesentlich vereinfacht. Auf den YV04-Kristall 22 ist noch ein Fenster 27 (antireflexionsbeschichtet für die Pumpstrahlung und den Laserstrahl) aufgebracht. Als Strahlungsquelle für die Pumpstrahlung dient eine Laserdiode oder ein
Laserdioden-Array. Die Übertragung kann mittels eines Lichtleiters 1 1 erfolgen, von dem in Fig. 1 1 schematisch ein Ende dargestellt ist. Ein solcher Lichtleiter kann auch entfallen. In Fig. 1 1 sind außerdem Linsen 23, 24 zur Fokussierung der
Pumpstrahlung angedeutet. Für die Trennung des Laserstrahls von der
Pumpstrahlung dient in diesem Ausführungsbeispiel ein dichroitischer Strahlteiler 25.
Für ein Schichtsystem entsprechend dem Resonator 1 von Fig. 1 1 wurden
numerische Berechnungen durchgeführt. Zur Vereinfachung wurden aber die
Reflexionsschicht 8 und die Absorberschicht 7 weggelassen. Die Länge L des Resonators 1 entspricht somit der Dicke D des Laserkristalls 2. Die Tabelle von Fig. 6 beschreibt das System, für welches die Berechnungen konkret durchgeführt wurden. In der Tabelle bezeichnet die erste Spalte die der jeweiligen Schicht zugeordnete Nummer. Die Spalte d bezeichnet die Dicke der jeweiligen Schicht in nm. Die Spalte t bezeichnet die„optische Dicke", dies ist die Dicke t mal dem Brechungsindex. Die Spalte QWOT bezeichnet die optische Dicke bezogen auf die Anzahl der
Viertelwellenlängen. Die letzte Spalte M bezeichnet schließlich das Material der jeweiligen Schicht.
Die Schichten 1 bis 10 stellen einen Bragg-Spiegel dar, der von fünf
Viertelwellenlängen-Paaren gebildet wird (bezogen auf die Wellenlänge 1064 nm). Die Reflektivität dieser zehn Schichten bei 1064 nm liegt bei ca. 98%, also nahe bei einem Hochreflektor. Eine Erhöhung der Anzahl der Schichten des Bragg-Spiegels könnte die Reflektivität noch weiter erhöhen.
Schicht 1 1 stellt den Laserkristall dar, im vorliegenden Fall Nd3+:YV04 . Zunächst wurde eine Dicke von 33,25 pm betrachtet. Für den Laserkristall 2 wurde in der Tabelle von Fig. 6 der Brechungsindex ne für die Polarisation in Richtung des außerordentlichen Strahls eingesetzt (symbolisiert durch Nd3+:YV04 II c, also für den Fall von Nd3+:YV04 2,16. Damit erfolgt die Berechnung der Reflektivität des Resonators für einen Lichtstrahl mit einer Polarisation entsprechend dem außerordentlichen Strahl. Für die Berechnung der Reflektivität für einen Strahl mit einer Polarisation entsprechend dem ordentlichen Strahl wird als Brechungsindex des Laserkristalls no, also für den Fall von Nd3+:YV04 1 ,96, herangezogen. Die Schichten 12 bis 20 stellen den ersten Endspiegel 5 dar, der im
Ausführungsbeispiel bei der Wellenlänge 808 nm der Pumpstrahlung nahezu vollständig transmittierend ist und bei der Laserwellenlänge von im
Ausführungsbeispiel 1064 nm 95% Reflektivität aufweist. Beim Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 1 würde die Schicht 20 auf YV04 als Trägersubstrat angeordnet sein.
Die hier verwendeten Schichtmaterialien sind Ti02 und Si02, wobei auch andere in der Beschichtungstechnik üblichen Materialien möglich sind, z.B. Ta205. Das Ergebnis der Berechnung der Reflektivität in % in Abhängigkeit von der
Wellenlänge für die Polarisation parallel zum ordentlichen Strahl und parallel zum außerordentlichen Strahl sind in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass es zu einem Einbruch der Reflektivität des Systems bei einer
Wellenlänge von ca. 1064 nm, also der Verstärkungswellenlänge des Materials des Laserkristalls kommt. Dies entspricht einer Resonanz im Resonator für einen mit dieser Wellenlänge ausgekoppelten Laserstrahl. Die benachbarten Resonanzen treten bei Wellenlängen von ca. 1056 nm und 1072 nm auf. Der„free spectral ränge" beträgt also ca. 8 nm. Fig. 8 zeigt die Resonanzen für die Polarisation in Richtung des außerordentlichen
Strahls. Die der Verstärkungswellenlänge von 1064 nm nächstgelegenen Resonanzen liegen bei ca. 1060 nm und 1068 nm, weisen also den maximal möglichen Abstand von 1064 nm auf. Bei der Dicke D des Laserkristalls 2, die beim betrachteten Schichtsystem der Länge L des Resonators 1 entspricht, von 33,25 μηη ergibt sich für die Polarisation in
Richtung des außerordentlichen Strahls L/(Lambda/ne) = 67,5, d.h. die Wellenlänge passt 67, 5-mal in den Laserkristall (entsprechend der Modenzahl von m=135). Für die Polarisation in Richtung des ordentlichen Strahls ergibt sich L/(Lambda/no) = 61 ,25, d.h. die Modenzahl m würde 122,5 betragen, was keine ganzzahlige Modenzahl ist, da es keinen gültigen Mode für die Polarisation in Richtung des ordentlichen Strahls bei der Verstärkerwellenlänge gibt, wie dies erwünscht ist. Für eine Dicke D des Laserkristalls von 33,25 μηη ergibt sich also bei einem Durchlauf durch den
Laserkristall 2 eine Phasenverschiebung zwischen dem ordentlichen Strahl und dem außerordentlichen Strahl von π/2. Die Fig. 9 und 10 zeigen Diagramme entsprechend Fig. 7 und 8 für ein
Vergleichsbeispiel, bei welchem der Laserkristall eine Dicke von 49,998 μιτι aufweist. Für die Polarisation in Richtung des außerordentlichen Strahls kommt es wiederum wie gewünscht zur Resonanz bei 1064 nm. Für die Polarisation in Richtung des ordentlichen Strahls liegt die hierzu nächste Resonanz in diesem Fall bei ca. 1065 nm. Der Abstand ist bei dieser Dicke D des Laserkristalls somit zu gering, als dass sich ein stabiler Betrieb des Lasers mit der gewünschten Polarisation parallel zum außerordentlichen Strahl einstellt.
Zur Bestimmung einer geeigneten Dicke des Laserkristalls für einen stabilen Betrieb des Lasers bei einer der Polarisationsrichtungen muss somit einerseits die
Bedingung erfüllt werden, dass der Resonator für die gewünschte
Polarisationsrichtung entsprechend dem außerordentlichen oder ordentlichen Strahl eine Resonanz bei der Laserwellenlänge aufweist, die der Verstärkungswellenlänge entspricht. Außerdem muss die Bedingung erfüllt werden, dass die
Phasenverschiebung für die Polarisationsrichtungen entsprechend dem
außerordentlichen und ordentlichen Strahl im zuvor beschriebenen Bereich liegt.
Im konkret beschriebenen Beispiel wurde die Polarisation entsprechend dem außerordentlichen Strahl ausgewählt und die Polarisation rechtwinkelig hierzu unterdrückt. Für Nd3+:YV04 ist dies vorteilhaft, da für die Polarisationsrichtung entsprechend dem außerordentlichen Strahl eine höhere Verstärkung als für die rechtwinkelig hierzu stehende Polarisationsrichtung vorliegt. In analoger Weise kann aber eine Polarisationsrichtung entsprechend dem ordentlichen Strahl ausgewählt werden und die Polarisationsrichtung entsprechend dem außerordentlichen Strahl unterdrückt werden. Unterschiedliche Modifikationen der gezeigten Ausführungsbeispiele sind denkbar und möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, beispielsweise hinsichtlich des Schichtaufbaus des Resonators und hinsichtlich des
doppelbrechenden Materials des Laserkristalls. In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung weist das doppelbrechende Material des Laserkristalls nur eine kristalloptische Achse auf (= optisch einachsiger Kristall), könnte aber auch mehr als eine kristalloptische Achse aufweisen, wobei die Achse des Laserstrahls im
Laserkristall und die Laserstrahlachse des ausgekoppelten Laserstrahls rechtwinklig zu einer der kristalloptischen Achsen liegen könnten.
L e g e n d e
zu den Hinweisziffern:
Resonator 20 19 außerordentlicher Strah
Laserkristali 20 Kreuz
Endfläche 21 Trägersubstrat
Endfläche 22 YV04- Kristall erster Endspiegel 23 Linse
zweiter Endspiegel 25 24 Linse
Absorberschicht 25 Strahlteiler
Reflexionsschicht 26 Kühlkörper
Laserstrahl 27 Fenster
Pumpstrahlung 30 Linie
Lichtleiter 30 31 Linie
Laserstrahlachse 32 Linie
Lichtstrahl 35 a-Achse
ordentlicher Strahl 36 a-Achse
Pfeil 37 c-Achse

Claims

Patentansprüche
Microchip-Laser mit einem monolithischen Resonator (1 ), der einen
doppelbrechenden Laserkristall (2) aufweist, wobei ein aus dem Resonator (1 ) ausgekoppelter Laserstrahl (9), der eine Laserwellenlänge aufweist, entlang einer Laserstrahlachse (12) aus dem Resonator (1 ) austritt und die auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Länge (L) des Resonators (1 ) kleiner als 150 μηη ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall (2) eine derartige auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Dicke (D) aufweist, dass bei einem in Richtung der Laserstrahlachse (12) erfolgenden Einfall eines die Laserwellenlänge aufweisenden Lichtstrahls (16) auf den Laserkristall (2) zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl (17, 19), in welche der Lichtstrahl (16) im Laserkristall (2) aufgeteilt wird, bei einem einzelnen Durchlauf durch den Laserkristall (2) eine Phasenverschiebung auftritt, die im Bereich von ττ/2 +/- ττ/4 liegt.
Microchip-Laser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Phasenverschiebung im Bereich von ττ/2 +/- ττ/8 liegt.
Microchip-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Länge (L) des Resonators (1 ) <=100 μιτι, vorzugsweise <=50 μιτη ist.
Microchip-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Microchip-Laser passiv gütegeschaltet ist, wobei die Pulslänge vorzugsweise weniger als 100 ps, besonders bevorzugt weniger als 50 ps, nochmals besonders bevorzugt weniger als 20 ps beträgt. 5. Microchip-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Resonator (1 ) beidseitig begrenzende Endspiegel (5, 6) zumindest ohne eine auf den Resonator einfallende Pumpstrahlung (10) eben sind und parallel zueinander und rechtwinkelig zur Laserstrahlachse (12) liegen.
6. Microchip-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlachse (12) rechtwinkelig zu einer kristalloptischen Achse des Laserkristalls (2) steht, wobei der Laserkristall vorzugsweise nur eine
kristalloptische Achse aufweist, bezüglich welcher der Laserkristall (2) optisch isotrop ist.
7. Microchip-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall (2) ein Vanadat, vorzugsweise Nd3+:YV04 ist.
8. Microchip-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Länge (L) des Resonators weniger als 30%, vorzgusweise weniger als 15%, größer als die auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Dicke (D) des Laserkristalls (2) ist.
9. Microchip-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen einem die Laserwellenlänge aufweisenden, in Richtung des ordentlichen Strahls (17) polarisierten Lichtstrahl und einem die
Laserwellenlänge aufweisenden, in Richtung des außerordentlichen Strahls (19) polarisierten Lichtstrahl bei einem einzelnen Durchgang durch zusätzlich zum Laserkristall (2) vorhandene Schichten im Resonator (1 ) zu einer
Phasenverschiebung von weniger als π/8, vorzugsweise weniger als ττ/16 kommt.
10. Verfahren zur Ausbildung eines Microchip-Lasers mit einem monolithischen Resonator (1 ), der einen doppelbrechenden Laserkristall (2) aufweist, wobei ein aus dem Resonator (1 ) ausgekoppelter Laserstrahl (9), der eine Laserwellenlänge aufweist, entlang einer Laserstrahlachse (1 2) aus dem
Resonator (1 ) austritt und die auf die Richtung der Laserstrahlachse (12) bezogene Länge (L) des Resonators (1 ) kleiner als 150 μιτι ist, wobei die Bedingung erfüllt wird, dass der Resonator (1 ) für eine gewünschte
Polarisationsrichtung entsprechend einem außerordentlichen oder
ordentlichen Strahl im Laserkristall eine Resonanz bei der Laserwellenlänge aufweist, bei der ein Maximum der Verstärkung des Laserkristalls vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass für einen in Richtung der Laserstrahlachse (12) erfolgenden Einfall eines die Laserwellenlänge aufweisenden Lichtstrahls auf den Laserkristall (2) eine Phasenverschiebung zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl (17, 19), in welche der Lichtstrahl im Laserkristall aufgeteilt wird, für einen einzelnen Durchlauf durch den Laserkristall (2) berechnet wird und die auf die Laserstrahlachse (12) bezogene Dicke (D) des Laserkristalls (2) so gewählt wird, dass die Phasenverschiebung im Bereich von TT/2 +/- TT/4, vorzugsweise ττ/2 +/- ττ/8 liegt.
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