DE102005028131A1

DE102005028131A1 - Lasersystem

Info

Publication number: DE102005028131A1
Application number: DE102005028131A
Authority: DE
Inventors: Malte Dr. Kumkar
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-12-28
Also published as: US7542501B2; WO2006131385A1; US20080175296A1; EP1891718A1

Abstract

Um ein Lasersystem, umfassend eine Laserstrahlungsfeldführung, in welchem sich ein Laser-Strahlungsfeld erstreckt, mindestens einen vom Resonatorstrahlungsfeld durchsetzten laseraktiven Festkörper, eine Pumpstrahlungsführung, welche die Pumpstrahlung in ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld aufteilt und welche das ersten Teilstrahlungsfeld über die eine Endfläche und das zweite Teilstrahlungsfeld über die andere Endfläche in longitudinaler Richtung in den Festkörper einkoppelt, mit möglichst optimaler Leistungsausbeute zu erhalten, wird vorgeschlagen, daß das Laser-Strahlungsfeld mindestens zwei in Richtung seiner Strahlachse aufeinanderfolgend angeordnete laseraktive Festkörper aus identischem Material durchsetzt, daß die Pumpstrahlungsführung derart ausgebildet ist, daß diese in jeden der Festkörper das erste Teilstrahlungsfeld und das zweite Teilstrahlungsfeld einkoppelt, und daß die Pumpstrahlungsführung derart ausgebildet ist, daß eine durch die beiden Teilstrahlungsfelder in jeden der mindestens zwei Festkörper eingekoppelte Pumpleistung derart einstellbar ist, daß die Auswirkungen von durch die Pumpleistung in jedem der mindestens zwei Festkörper erzeugten thermischen Linsen auf das Laser-Strahlungsfeld im wesentlichen identisch sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem umfassend eine Laserstrahlungsfeldführung, in welcher sich ein Laser-Strahlungsfeld erstreckt, mindestens einen vom Laser-Strahlungsfeld durchsetzten laseraktiven, sich in Richtung einer Längsachse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Endflächen erstreckenden Festkörper, eine Pumpstrahlungsquelle zur Erzeugung von Pumpstrahlung zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers, eine Pumpstrahlungsführung, welche die Pumpstrahlung zum Pumpen des Festkörpers in ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld aufteilt, und welche das erste Teilstrahlungsfeld über die eine Endfläche und das zweite Teilstrahlungsfeld über die andere Endfläche in longitudinaler Richtung in den Festkörper einkoppelt.

Derartige Lasersysteme sind beispielsweise aus der DE 196 03 704 A1 bekannt.

Derartige longitudinale Pumpanordnungen erlauben es, die durch die Endfläche einkoppelbare Pumpleistung pro Endfläche unterhalb der Zerstörschwelle zu halten, allerdings ist die verfügbare Leistung bei derartigen Lasersystemen begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst stabil arbeitendes Lasersystem mit möglichst hoher Leistung zu erhalten.

Diese Aufgabe wird bei einem Lasersystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Laser-Strahlungsfeld mindestens zwei in Richtung seiner Strahlachse aufeinanderfolgend angeordnete laseraktive Festkörper aus identischem Material durchsetzt, daß die Pumpstrahlungsführung derart ausgebildet ist, daß diese in jeden der Festkörper das erste Teilstrahlungsfeld über die eine Endfläche und das zweite Teilstrahlungsfeld über die andere Endfläche einkoppelt und daß die Pumpstrahlungsführung derart ausgebildet ist, daß eine durch die beiden Teilstrahlungsfelder in jeden der mindestens zwei Festkörper eingekoppelte Pumpleistung derart einstellbar ist, daß die Auswirkungen von durch die Pumpleistung in jedem der mindestens zwei Festkörper erzeugten thermischen Linsen auf das Laser-Strahlungsfeld im wesentlichen identisch sind.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß diese eine einfache Möglichkeit der Leistungserhöhung durch die Verwendung von zwei oder mehr Festkörpern bietet, wobei gleichzeitig trotz Verwenden mehrerer Festkörper ein stabiler Betrieb des Lasersystems, insbesondere in einem Grundmode, möglich ist.

Dieser stabile Betrieb des Lasersystems wird dadurch erreicht, daß die Auswirkungen der durch die Pumpleistungen in jedem der mindestens zwei Festkörper erzeugten thermischen Linsen auf das Laser-Strahlungsfeld dadurch, daß diese im wesentlichen identisch sind, die Strahlqualität des Laser-Strahlungsfeldes und somit auch die Strahlqualität des ausgekoppelten Ausgangsstrahls nicht negativ beeinträchtigen.

Ferner ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung auch darin zu sehen, daß Veränderungen der Pumpstrahlungsquelle, hinsichtlich Wellenlänge oder Leistung mit denen insbesondere immer dann zu rechnen ist, wenn die Pumpstrahlungsquelle eine Laserdiode ist oder Laserdioden umfaßt, sich im wesentlichen nicht negativ auf die Strahlqualität des Laser-Strahlungsfeldes auswirken, da diese in jeder der mindestens zwei sich ausbildenden thermischen Linsen in gleicher Weise auftreten und somit nicht zu einer Störung der Symmetrien im Laser-Strahlungsfeld führen.

Eine besonders günstige Lösung sieht dabei vor, daß die Teilstrahlungsfelder im wesentlichen parallel zur Längsachse des jeweiligen Festkörpers in diesen eingekoppelt sind, so daß allein bedingt durch die Teilstrahlungsfelder bereits eine möglichst optimale Einkopplung der Pumpleistung erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Teilstrahlungsfelder im wesentlichen symmetrisch zur Strahlachse innerhalb des jeweiligen Festkörpers in diesen eingekoppelt sind.

Eine derartige Lösung ermöglicht es, bereits über das optische Pumpen des jeweiligen Festkörpers eine in der Rotationssymmetrie zur Strahlachse möglichst ungestörte Anregung des Festkörpers und somit eine entsprechend ungestörte Verstärkung des Laser-Strahlungsfeldes zu erreichen.

Um möglichst gleiche Anregungsbedingungen in allen Festkörpern zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die ersten Teilstrahlungsfelder in jedem der jeweiligen Festkörper eine im wesentlichen identische Strahlungsfeldform aufweisen.

Ferner ist vorgesehen, daß die zweiten Teilstrahlungsfelder in jedem der jeweiligen Festkörper eine im wesentlichen identische Strahlungsfeldform aufweisen.

Damit ist es nicht zwingend erforderlich, daß die Strahlungsfeldformen des ersten und des zweiten Teilstrahlungsfeldes identisch sind. Es ist prinzipiell ausreichend, wenn die ersten Strahlungsfeldformen und die zweiten Strahlungsfeldformen jeweils untereinander identisch sind.

Hinsichtlich der Ausbildung einer möglichst gleichen Linsenwirkung der thermischen Linse ist es besonders günstig, wenn die Summe der durch die beiden Teilstrahlungsfelder in den jeweiligen Festkörper eingekoppelten Pumpleistungen in jedem des Festkörper ungefähr gleich groß ist.

Dieses Merkmal bedeutet, daß es primär auf die Summe der Pumpleistungen ankommt, die in jedem Festkörper vorliegt, da diese in erster Näherung die thermische Linsenwirkung bestimmt. Wie sich diese Summe der Pumpleistungen zusammensetzt kann vom Prinzip her in jedem der Festkörper variieren.

Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn in jedem der Festkörper die ersten Teilstrahlungsfelder hinsichtlich ihrer Pumpleistung, insbesondere hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung der Pumpleistung im wesentlichen gleich ausgebildet sind.

Ferner ist es günstig, wenn in jedem der Festkörper die zweiten Teilstrahlungsfelder hinsichtlich ihrer Pumpleistung, insbesondere hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung der Pumpleistung im wesentlichen gleich ausgebildet sind.

Eine hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Pumpleistung zweckmäßige Lösung sieht vor, daß das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld in jedem der Festkörper zu einer ungefähr mittigen Spiegelebene des Festkörpers im wesentlichen spiegelsymmetrisch verlaufen, um eine möglichst hohe Symmetrie beim optischen Pumpen des Festkörpers zu erhalten.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß das Verhältnis der vom ersten Teilstrahlungsfeld eingekoppelten Pumpleistung zu der vom zweiten Teilstrahlungsfeld eingekoppelten Pumpleistung in jedem der Festkörper im wesentlichen gleich ist, da dann selbst bei Leistungsabfall der einen Teilstrahlungsfelder, beispielsweise durch Leistungsabfall der diese speisenden Pumpstrahlungsquelle, das Verhältnis der thermischen Linsen in den Festkörpern untereinander bestehen bleibt. Besonders günstig ist es, wenn jedes der beiden in jeden der Festkörper eintretenden Teilstrahlungsfelder in diesen näherungsweise dieselbe Pumpleistung einkoppelt, um möglichst gleichmäßige Verhältnisse beim optischen Pumpen der Festkörper zu erreichen.

Hinsichtlich der Polarisation der Teilstrahlungsfelder wurden im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine Lösung vor, daß das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld in jedem der Festkörper eine definierte relative Polarisation aufweisen.

Besonders günstig ist es, wenn in jedem der Festkörper beide Teilstrahlungsfelder dieselbe Polarisation aufweisen. Damit läßt sich insbesondere die Polarisation der Teilstrahlungsfelder an eine Vorzugsrichtung der Polarisation im Festkörper anpassen.

Hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Pumpstrahlung wurden ebenfalls keine näheren Angaben gemacht. Besonders einfach lassen sich die erfindungsgemäßen Verhältnisse erreichen, wenn das erste Teilstrahlungsfeld für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung angeordneten Festkörper aus einer Pumpstrahlungsquelle stammt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn auch das zweite Teilstrahlungsfeld für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung angeordneten Festkörper aus einer Pumpstrahlungsquelle stammt.

Prinzipiell wäre es denkbar, zwei verschiedene Pumpstrahlungsquellen für das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld vorzusehen.

Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die beiden in den jeweiligen Festkörper eintretenden Teilstrahlungsfelder aus derselben Pumpstrahlungsquelle stammen. Das heißt nicht zwingenderweise, daß die in jeden der Festkörper eintretenden Teilstrahlungsfelder aus derselben Pumpstrahlungsquelle stammen müssen, sondern daß diese Bedingung lediglich für jeden einzelnen der Festkörper erfüllt sein muß.

Beispielsweise wäre es bei einer derartigen Lösung denkbar, daß die beiden Teilstrahlungsfelder für jeweils mindestens zwei der Festkörper aus derselben Pumpstrahlungsquelle stammen und beispielsweise für weitere zwei der Festkörper eine andere Pumpstrahlungsquelle vorgesehen ist.

Eine andere Lösung sieht vor, daß das Lasersystem zwei Pumpeinheiten aufweist, von denen jede mindestens zwei Festkörper mit Teilstrahlungsfeldern aus derselben Pumpstrahlungsquelle pumpt.

Besonders günstig ist jedoch, wenn alle in die mindestens zwei Festkörper eingekoppelten Teilstrahlungsfelder aus einer einzigen Pumpstrahlungsquelle stammen.

Hinsichtlich der Erzeugung der einzelnen Teilstrahlungsfelder wurden im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. Grundsätzlich kann die Aufteilung der Pumpstrahlung in unterschiedliche Teilstrahlungsfelder beispielsweise über teildurchlässige Spiegel erfolgen.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Aufteilung der Pumpstrahlung in Teilstrahlungsfelder über Polarisatoren mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion erfolgt, da durch diese in einfacher Weise eine Aufteilung eines Pumpstrahlungsfeldes in Teilstrahlungsfelder erreichbar ist und andererseits in einfacher Weise der Grad der Aufteilung auf die einzelnen Teilstrahlungsfelder einstellbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die einstellbare Aufteilung der Pumpleistung in die Teilstrahlungsfelder über die relative Einstellung zwischen einem Polarisator mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion und einem einstellbaren polarisationsbeeinflussenden Element erfolgt.

Hinsichtlich der Art der optimalen Einkopplung der Teilstrahlungsfelder in die jeweiligen Festkörper wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß die Teilstrahlungsfelder über Faltungsspiegel des Resonators in die jeweiligen Festkörper eingekoppelt sind.

Ferner wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben über die Ausbildung der Festkörper als solche gemacht. So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß die mindestens zwei Festkörper identisch ausgebildet sind.

Da bei manchen Festkörpern die Ausbildung der thermischen Linse nicht der einzige durch das optische Pumpen auftretende Effekt ist, sondern noch ein durch die thermische Linse bedingter Astigmatismus auftreten kann, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die mindestens zwei Festkörper relativ zum Laser-Strahlungsfeld derart angeordnet sind, daß eine Kompensation eines durch die jeweilige thermische Linse bedingten Astigmatismus erfolgt. Ein Astigmatismus kann durch eine Vorzugsrichtung im Festkörper, eine bestimmte Kühlgeometrie oder ein bestimmtes Pumpprofil bedingt sein.

Die Kompensation des Astigmatismus heißt dabei lediglich, daß die Auswirkungen des Astigmatismus, insoweit als sie zu einer Abweichung des Laser- Strahlungsfeldes von einer zur Strahlachse rotationssymmetrischen Querschnittsform führen, ausgeglichen werden, so daß das Resonatorstrahlungsfeld eine im wesentlichen zur Strahlachse rotationssymmetrische Querschnittsform aufweist.

Eine derartige Kompensation des Astigmatismus kann grundsätzlich auch bei der Kopplung mehrerer Festkörper erfolgen.

Im Hinblick auf eine möglichst einfache erfindungsgemäße Lösung zur Kompensation des Astigmatismus von thermischen Linsen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn jeweils zwei der Festkörper ein Kompensationspaar bilden und wenn die beiden Festkörper relativ zum Laser-Strahlungsfeld derart angeordnet sind, daß eine Kompensation des durch deren jeweilige thermische Linse bedingten Astigmatismus erfolgt.

Besonders günstig ist es, wenn die Festkörper eines Kompensationspaares mit den Hauptachsen des Astigmatismus um 90° gegeneinander verdreht sind. Die Hauptachsen des Astigmatismus können dabei durch das Pumpprofil, die Kühlgeometrie oder die Kristallgeometrie im Festkörper bedingt sein.

Ferner ist zur optimalen optischen Anregung derartiger Festkörper vorgesehen, daß die Polarisationsrichtung des Laser-Strahlungsfeldes an eine Hauptachse der Polarisation des jeweiligen Festkörpers angepaßt ist, so daß die durch den Astigmatismus bedingten Wirkungen in gleicher Weise in den den jeweiligen Festkörper durchsetzenden Abschnitt des Laser-Strahlungsfeldes eintreten.

Zweckmäßigerweise ist dabei die Polarisationsrichtung des Laser-Strahlungsfeldes parallel zur Hauptachse der Polarisation des jeweiligen Festkörpers ausgerichtet.

Eine hinsichtlich der Kompensation des Astigmatismus besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, daß die Festkörper eines Kompensationspaares mit ihren Hauptachsen der Polarisation um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind, so daß sich damit in einfacher Weise die Wirkungen des Astigmatismus der thermischen Linse hinsichtlich deren Abweichung von einer zur Strahlachse des Laser-Strahlungsfelds rotationssymmetrischen Querschnittsform kompensiert werden können.

Zweckmäßigerweise wird bei einer derartigen Lösung jeder Festkörper durch ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld gepumpt, deren Polarisationsrichtung parallel zur Hauptachse der Polarisation des jeweiligen Festkörpers ausgerichtet ist.

Es gibt jedoch nicht nur Festkörper, bei denen zusätzlich zu der Wirkung der thermischen Linse noch ein Astigmatismus hinzutritt, sondern auch Festkörper, bei denen zusätzlich zur thermischen Linse noch eine durch diese bedingte Doppelbrechung auftritt.

Aus diesem Grund ist zweckmäßigerweise bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß die mindestens zwei Festkörper relativ zum Laser-Strahlungsfeld derart ausgerichtet sind, daß eine Kompensation einer durch die jeweilige thermische Linse bedingten Doppelbrechung erfolgt.

Auch in einem derartigen Fall ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß jeweils zwei der Festkörper ein Kompensationspaar bilden und daß die beiden Festkörper relativ zum Laser-Strahlungsfeld derart angeordnet sind, daß eine Kompensation der jeweiligen thermischen Linse und der Doppelbrechung erfolgt.

Auch in diesem Fall erfolgt eine Kompensation der Doppelbrechung nur in dem Maße, als die Doppelbrechung zu Abweichungen eines zur Strahlachse rotationssymmetrischen Aufbaus des Laser-Strahlungsfeldes führt und des über den Strahlquerschnitt einheitlichen Polarisationszustandes, so daß unter der Kompensation der durch die jeweilige thermische Linse bedingten Doppelbrechung zu verstehen ist, daß deren Auswirkungen auf einen zur Strahlachse rotationssymmetrischen Aufbau des Laser-Strahlungsfeldes sowie einen über den Strahlquerschnitt einheitlichen Polarisationszustand ausgeglichen werden.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Polarisationsrichtungen des Laser-Strahlungsfelds in einem der Festkörper relativ zu den Polarisationsrichtungen des Verstärkerstrahlungsfeldes in dem anderen der Festkörper um 90° gedreht sind.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Möglichkeit, daß die Laserstrahlungsfeldführung in einem Resonator integriert ist, so daß das Laser-Strahlungsfeld ein Resonatorstrahlungsfeld darstellt.

Es ist aber auch denkbar, einen Teilbereich der Laserstrahlungsfeldführung, beispielsweise umfassend einen oder zwei der mehreren Festkörper, als Resonator mit einem sich ausbildenden Resonatorstrahlungsfeld und den übrigen Teil der Laserstrahlungsfeldführung zur Verstärkung der Laserstrahlung aus dem Resonator mit einem Verstärkerstrahlungsfeld auszubilden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit der Ausbildung von thermischen Linsen in den Festkörpern;
2 eine schematische Darstellung der Auswirkungen der sich in den Festkörpern ausbildenden thermischen Linsen beim ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung ähnlich 2 einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels, umfassend ein Resonatorstrahlungsfeld und ein Verstärkerstrahlungsfeld;
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit mehr als zwei Festkörpern;
5 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit mehr als zwei Festkörpern;
6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit mehr als zwei Festkörpern;
7 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels mit zusätzlicher Darstellung einer Kompensation eines durch die thermische Linsenwirkung bedingten Astigmatismus und
8 eine schematische Darstellung ähnlich 5 des ersten Ausführungsbeispiels im Fall einer Kompensation einer durch die thermische Linse bedingte Doppelbrechung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems, dargestellt in 1, umfaßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten und eine Laserstrahlungsfeldführung darstellenden Resonator, welcher einen ersten Endspiegel 12 und einen zweiten Endspiegel 14 aufweist. Zwischen diesen Endspiegeln 12 und 14 erstreckt sich das als Ganzes mit 16 bezeichnete und ein Resonatorstrahlungsfeld darstellendes Laser-Strahlungsfeld längs einer Strahlachse 18, wobei das Resonatorstrahlungsfeld 16 mehrere, laseraktives Material umfassende und in Richtung der Strahlachse 18 aufeinanderfolgend angeordnete insbesondere aus identischem Material bestehende und identisch geformte Festkörper 20, beispielsweise die Festkörper 20₁ und 20₂ durchsetzt, die sich mit ihren Längsachsen 22₁ bzw. 22₂ ungefähr parallel zum Verlauf der Strahlachse 18 in den Festkörpern 20₁ bzw. 20₂ erstrecken.
Das Resonatorstrahlungsfeld 16 tritt dabei über Endflächen 24₁ und 26₁ bzw. 24₂ und 26₂ in die Festkörper 20₁ bzw. 20₂ ein und aus diesen aus.
Vorzugsweise ist das Resonatorstrahlungsfeld 16 so ausgebildet, daß es im Bereich der Endspiegel 12 und 14 jeweils eine Taille 28 bzw. 30 aufweist, während es zwischen den Endspiegeln 12 und 14, beispielsweise in seinen die Festkörper 20₁ bzw. 20₂ durchsetzenden Abschnitten 32₁ bzw. 32₂ jeweils einen Abschnitt 34₁ bzw. 34₂ mit maximalem Strahlungsfeldquerschnitt aufweist.
Ferner umfaßt der Resonator 10 noch für jeden der Festkörper 20₁ und 20₂ einen Faltungsspiegelsatz 36₁ und 38₁ bzw. 36₂ und 38₂ , welcher das Resonatorstrahlungsfeld 16 durch Reflexion faltet.
Vorzugsweise ist dabei das Resonatorstrahlungsfeld 16 derart gefaltet, daß die in den Festkörpern 20₁ und 20₂ verlaufenden Abschnitte 32₁ bzw. 32₂ innerhalb der Festkörper 20₁ bzw. 20₂ im wesentlichen denselben räumlichen geometrischen Verlauf aufweisen.
Zum optischen Pumpen ist eine als Ganzes mit 50 bezeichnete Pumpstrahlungsquelle vorgesehen, deren Pumpstrahlung entweder direkt oder durch einen Lichtleiter 52 einer als Ganzes mit 60 bezeichneten Pumpstrahlungsführung zugeführt wird.
Die Pumpstrahlungsführung 60 weist eine Optik 62 auf, welche aus dem Lichtleiter 52 austretende divergente Pumpstrahlung 64 in ein kollimiertes Pumpstrahlungsfeld 66 umformt, das durch einen Depolarisator 68 eine vollständige Depolarisation erfährt. Dieses kollimierte und depolarisierte Pumpstrahlungsfeld wird durch einen für eine der Polarisationsrichtungen im wesentlichen transparenten und für eine andere der Polarisationsrichtungen im wesentlichen reflektierenden Polarisator 70 in einen ersten Pumpstrahlungsfeldzweig 72 mit einer ersten Polarisation und einen zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74 mit einem zweiten zur ersten Polarisation senkrecht stehenden Polarisation aufgeteilt, wobei aus dem ersten Pumpstrahlungsfeldzweig 72 jeweils ein erstes Teilstrahlungsfeld 82₁ bzw. 82₂ für den ersten Festkörper 20₁ bzw. den zweiten Festkörper 20₂ erzeugt wird, während aus dem zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74 jeweils ein zweites Teilstrahlungsfeld 84₁ bzw. 84₂ für den ersten Festkörper 20₁ bzw. dem zweiten Festkörper 20₂ erzeugt wird.
Beispielsweise wird hierzu der erste Pumpstrahlungsfeldzweig 72 durch einen Reflektor 88 umgelenkt und über eine Teilungseinheit 90, umfassend ein polarisationsbeeinflussendes Element 92 sowie einen für eine der Polarisationsrichtungen im wesentlichen transparenten und für eine andere der Polarisationsrichtungen im wesentlichen reflektierenden Polarisator 94 das Teilstrahlungsfeld 82₁ abgeteilt.
Somit setzt sich der erste Pumpstrahlungsfeldzweig 72' nach Durchlaufen der Teilungseinheit 90 mit reduzierter Pumpleistung fort und bildet dann nach Reflexion durch einen Reflektor 96 das Teilstrahlungsfeld 82₂ .
In vergleichbarer Weise durchläuft auch der zweite Pumpstrahlungsfeldzweig 74 eine Teilungseinheit 100, umfassend einen polarisationsbeeinflussendes Element 102 und einen für eine der Polarisationsrichtungen im wesentlichen transparenten und für eine andere der Polarisationsrichtungen im wesentlichen reflektierenden Polarisator 104, der aus dem zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74 das Teilstrahlungsfeld 84₁ abzweigt, so daß der zweite Pumpstrahlungsfeldzweig 74' nach Durchlaufen der Teilungseinheit 100 eine reduzierte Pumpleistung aufweist und nach Reflexion durch einen Reflektor 106 das Teilstrahlungsfeld 84₂ bildet.
Zur Erzielung einer definierten Strahlungsfeldform der in den ersten Festkörper 20₁ eintretenden Teilstrahlungsfelder 82₁ und 84₁ bzw. der in den zweiten Festkörper 20₂ eintretenden Teilstrahlungsfelder 82₂ bzw. 84₂ ist für jedes der Teilstrahlungsfelder 82₁ und 84₁ bzw. 82₂ und 84₂ jeweils eine Abbildungsoptik 112₁ und 114₁ bzw. 112₂ und 114₂ vorgesehen, welche eine definierte Strahlungsfeldform 116₁ bzw. 118₁ der Teilstrahlungsfelder 82₁ und 84₁ in dem ersten Festkörper 20₁ und außerdem eine definierte Strahlungsfeldform 116₂ bzw. 118₂ in dem zweiten Festkörper 20₂ generiert.
Vorzugsweise sind dabei die räumlichen Strahlungsfeldformen 116₁ bzw. 116₂ der jeweils ersten Teilstrahlungsfelder 82₁ bzw. 82₂ und die räumlichen Strahlungsfeldformen 118₁ bzw. 118₂ der zweiten Teilstrahlungsfelder 84₁ bzw. 84₂ jeweils identisch.
Noch vorteilhafter ist es, wenn alle Strahlungsfeldformen 116₁ und 118₁ sowie 116₂ und 118₂ im wesentlichen identisch sind und vorzugsweise sind die Strahlungsfeldformen 116₁ und 118₁ der im ersten Festkörper 20₁ zum Pumpen des laseraktiven Materials zusammenwirkenden Teilstrahlungsfelder 82₁ und 84₁ miteinander identisch und spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene 120.
Das gleiche gilt für die Strahlungsfeldformen 116₂ und 118₂ der Teilstrahlungsfelder 82₂ und 84₂ zum optischen Pumpen des zweiten Festkörper 20₂ .
Um die Teilstrahlungsfelder 82₁ und 84₁ sowie 82₂ und 84₂ beim jeweiligen Festkörper 20₁ bzw. 20₂ im wesentlichen parallel zu dem Verlauf der Strahlachse 18 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im jeweiligen Festkörper 20₁ bzw. 20₂ einkoppeln zu können, erfolgt die Einkopplung der Teilstrahlungsfelder 82₁ bzw. 84₁ und 82₂ bzw. 84₂ über den dem jeweiligen Festkörper 20₁ bzw. 20₂ zugeordneten Faltungsspiegelsatz 36₁ und 38₁ bzw. 36₂ und 38₂ , und zwar dadurch, daß die Faltungsspiegel 36, 38 für die Teilstrahlungsfelder 82 und 84 durchlässig sind.
Dadurch, daß der Grad der Aufteilung der optischen Leistung zwischen dem Teilstrahlungsfeld 82₁ und dem verbleibenden Pumpstrahlungsfeldzweig 72' durch die erste Teilungseinheit 90 oder der Grad der Aufteilung der Pumpleistung zwischen dem Teilstrahlungsfeld 84₁ und dem verbleibenden zweiten Pumpstrahlungsfeldzweig 74' einstellbar ist, besteht die Möglichkeit, die durch die beiden Teilstrahlungsfelder 82₁ und 84₁ in den ersten Festkörper 20₁ eingekoppelte Pumpleistung und die durch die Teilstrahlungsfelder 82₂ und 84₂ in den zweiten Festkörper 20₂ eingekoppelte Pumpleistung einzustellen.
Wie schematisch in 2 dargestellt, führt die in den jeweiligen Festkörper 20₁ und 20₂ eingekoppelte Pumpleistung aufgrund der Erwärmung des Materials in dem jeweiligen Festkörper 20₁ bzw. 20₂ zur Ausbildung einer thermischen Linse 130₁ bzw. 130₂ , die sich auf das Resonatorstrahlungsfeld 16 auswirkt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung besteht nun die Möglichkeit, die jeweils insgesamt in den ersten Festkörper 20₁ und in den zweiten Festkörper 20₂ eingekoppelte Pumpleistung hinsichtlich ihres Absolutwertes und ihrer räumlichen Verteilung derart einzustellen, daß die dadurch entstehenden thermischen Linsen 130₁ bzw. 130₂ identisch sind und sich somit stets in gleicher Weise auf das Resonatorstrahlungsfeld 16 auswirken, so daß das Resonatorstrahlungsfeld 16, wie in 2 dargestellt, ein symmetrisches Resonatorstrahlungsfeld 16 ist.
Durch Anpassung der Pumpleistung der einzigen Pumpstrahlungsquelle 50 können die thermischen Linsen 130₁ und 130₂ unter Beibehaltung der Verteilung variiert werden, um so den gewünschten Verlauf des Resonatorstrahlungsfeldes 16 in einfacher Weise unter Beibehaltung der Symmetrie des Resonatorstrahlungsfeldes 16 einzustellen.
Die erfindungsgemäße Pumpstrahlungsführung 60 gespeist mit Pumpstrahlung aus einer einzigen Pumpstrahlungsquelle 50 hat dabei den Vorteil, daß selbst dann, wenn sich die Pumpstrahlungsquelle 50 beispielsweise hinsichtlich der Wellenlänge der Pumpstrahlung oder der Leistung der Pumpstrahlung verändert, die in den Festkörpern 20₁ und 20₂ erzeugten thermischen Linsen 130₁ und 130₂ sich zwar ebenfalls ändern, jedoch identisch bleiben, so daß die Symmetrie des Resonatorstrahlungsfeldes 16 aufrecht erhalten werden kann und somit insgesamt der Resonator 10 bei geeigneter Bauweise nach wie vor in optimaler Abstimmung auf den eingestellten Mode, beispielsweise den Grundmode, arbeitet, so daß die Strahlqualität eines beispielsweise durch den Endspiegel 14 austretenden Nutzstrahls 132 unverändert bestehen bleibt, obwohl sich die von der Pumpstrahlungsquelle 50 abgegebene Pumpstrahlung beispielsweise hinsichtlich ihrer Wellenlänge und/oder ihrer Leistung verändert hat.
Es wäre aber auch denkbar, den ersten Pumpstrahlungsfeldzweig 72 aus einer ersten Pumpstrahlungsquelle zu speisen und den zweiten Pumpstrahlungszweig 74 aus einer zweiten Pumpstrahlungsquelle. In diesem Fall sollte dann in jedem der Festkörper 20 das Verhältnis der vom ersten Teilstrahlungsfeld 82 eingekoppelten Pumpleistung zu der vom zweiten Teilstrahlungsfeld 84 eingekoppelten Pumpleistung gleich sein.
Alternativ dazu ist es aber auch möglich, wie in 3 dargestellt, mit den beiden Festkörpern 20₁ und 20₂ eine Resonator-Verstärker-Anordnung aufzubauen, wobei der Festkörper 20₁ von dem Resonatorstrahlungsfeld 16a und der Festkörper 20₂ von dem Verstärkerstrahlungsfeld 16b durchsetzt werden, jedoch die Symmetrie der thermischen Linsen 130₁ und 130₂ bestehen bleibt und das Laserstrahlungsfeld 16 spiegelsymmetrisch zum Endspiegel 14 ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf zwei Festkörper 20₁ bis 20₂ beschränkt, sondern kann, wie in 4 dargestellt, auf eine Vielzahl von Festkörpern 20₁ bis 20₄ oder noch mehr Festkörper 20 erweitert werden.
Hierzu ist die Pumpstrahlungsführung 60' derart zu modifzieren, daß von den Pumpstrahlungsfeldzweigen 72 und 74 durch mehrfaches Vorsehen von Teilungseinheiten 90, 100, beispielsweise von Teilungseinheiten 90₁ , 90₂ und 90₃ sowie 100₁ , 100₂ und 100₃ der Pumpstrahlungsfeldzweig 72 in insgesamt vier Teilstrahlungsfelder 82₁ , 82₂ , 82₃ und 82₄ aufgeteilt wird, die vorzugsweise alle im wesentlichen dieselbe Pumpleistung aufweisen.
In gleicher Weise wird der zweite Pumpstrahlungsfeldzweig 74 durch die Teilungseinheiten 100₁ , 100₂ und 100₃ in insgesamt vier Teilstrahlungsfelder 84₁ bis 84₄ aufgeteilt, so daß diese insgesamt ebenfalls alle im wesentlichen dieselbe Pumpleistung aufweisen.
Damit lassen sich auch in den insgesamt vier Festkörpern 20₁ bis 20₄ thermische Linsen 130 erzeugen, die im wesentlichen identisch sind, so daß sich die in 2 dargestellten symmetrischen Verhältnisse für das Resonatorstrahlungsfeld 16 auch auf vier Festkörper 20₁ bis 20₄ erweitern lassen.
Sollte die Pumpleistungsabhängigkeit der insgesamt vier Festkörper 20₁ bis 20₄ nicht ideal identisch sein, so erlaubt die einstellbare Aufteilung der Pumpstrahlungsfeldzweige 72, 74 in die Teilstrahlungsfelder 82, 84 eine Anpassung mit der trotzdem in den vier Festkörpern 20₁ bis 20₄ im wesentlichen identische thermische Linsen erzielbar sind.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasersystems, dargestellt in 5, sind ebenfalls insgesamt vier Festkörper, nämlich 20_1a , 20_2a , 20_1b und 20_2b in einem Resonator 10'' vorgesehen, wobei die Festkörper 20_1a und 20_2a durch eine Pumpstrahlungsführung 60a entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel gepumpt werden, während die Festkörper 20_1b und 20_2b durch ebenfalls eine Pumpstrahlungsführung 60b gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gepumpt werden und jede der Pumpstrahlungsführungen 60a und 60b eine eigene Pumpstrahlungsquelle 50a bzw. 50b aufweist.
Mit den Pumpstrahlungsführungen 60_a und 60_b läßt sich zumindest erreichen, daß in den Festkörpern 20_1a und 20_2a die thermischen Linsen 130 identisch sind, bzw. in den Festkörpern 20_1b und 20_2b ebenfalls die thermischen Linsen im wesentlichen identisch sind, allerdings kann eine Störung der Symmetrie dadurch auftreten, daß die thermischen Linsen der Festkörper 20_1a und 20_2a relativ zu den thermischen Linsen 20_1b und 20_2b unterschiedlich sind.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 6 entsprechen die Ausbildung und Anordnung der Pumpstrahlungsführungen 60a und 60b denen des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 5.
Allerdings ist die Laserstrahlungsfeldführung 10''' nur in dem die Festkörper 20_1a und 20_2a durchsetzenden Bereich als Resonator ausgebildet, so daß auf den Endspiegel 14''' noch ein als Verstärker ausgebildeter Bereich folgt, der die Festkörper 20_1b Und 20_2b umfaßt.
Damit ist das Laser-Strahlungsfeld 16''' insgesamt aufgeteilt in einen ein Resonatorstrahlungsfeld 16'''a bildenden Bereich und einen ein Verstärkerstrahlungsfeld 16'''b bildenden Bereich.
Damit bilden den Festkörper 20_1a und 20_2a ein Paar und die Festkörper 20_1b und 20_2b ein Paar, wobei für jedes Paar die Symmetrie gemäß 2 durch Einstellung der Pumpleistung aufrechterhalten wird und wobei diese Einstellung durch den Abgleich der Pumpleistung innerhalb der Paare vereinfacht ist.
Hinsichtlich der übrigen Elemente sind das zweite Ausführungsbeispiel, das dritte und das vierte Ausführungsbeispiel in gleicher Weise ausgebildet und aufgebaut wie das erste Ausführungsbeispiel, so daß hinsichtlich der Erläuterung dieser Elemente und deren Funktion vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden lediglich die Auswirkungen der durch die Pumpleistung erzeugten thermischen Linsen beschrieben. Wie in 7 bei einem dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Lasersystem dargestellt, kann jedoch zusätzlich zu den thermischen Linsen 130 ein Astigmatismus der thermischen Linsen auftreten, das heißt, daß wie in 7 dargestellt, die im Festkörper 20₁ und im Festkörper 20₂ durch das optische Pumpen entstehende thermische Linse 130'₁ und 130'₂ nicht rotationssymmetrisch zur Strahlachse 18 ausgebildet ist.
Dies kann durch eine unsymmetrische Kühlgeometrie der Festkörper 20₁ , 20₂ oder unsymmetrische Teilstrahlungsfelder 82, 84 bedingt sein. Es gibt aber auch anisotrope Festkörpermaterialien, die astigmatische thermische Linsenwirkung auch bei symmetrischer Kühlung und symmetrischen Teilstrahlungsfeldern 82, 84 aufweisen. Derartige Materialien sind beispielsweise Nd:YLF oder Nd:YVO₄.
Wie in 7 dargestellt, weist jeder der Festkörper 20₁ und 20₂ eine Hauptachse A₁ bzw. A₂ des Astigmatismus auf, die bei einem durch die Kristallachsen bedingten Astigmatismus den Hauptachsen der Polarisation P₁, P₂ entsprechen. Diese Hauptachse A₁, A₂ des Astigmatismus führt dazu, daß die in Richtung dieser Hauptachse A₁ bzw. A₂ auftretende fokussierende Wirkung der thermischen Linse 130'₁ bzw. 130'₂ größer ist als senkrecht zu dieser jeweiligen Hauptachse A₁ bzw. A₂. Ausgehend von einem runden Querschnitt 140 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Bereich des Endspiegels 12 führt dies beim Durchlaufen des Festkörpers 20₁ , wie in 7 dargestellt dazu, daß das Resonatorstrahlungsfeld 16 in Richtung der Hauptachse A₁ stärker fokussiert wird, wie in 7 gestrichelt dargestellt, so daß das Resonatorstrahlungsfeld 16 in der Hauptachse A₁ eine erste Strahltaille 142 bildet und in der Richtung senkrecht zur Hauptachse A₁ in größerem Abstand von dem ersten Festkörper 20₁ eine zweite Strahltaille 144 ausbildet.
Aufgrund des Astigmatismus der thermischen Linse 130'₁ weist das Resonatorstrahlungsfeld 16 bezogen auf die Strahlachse 18 insgesamt nach Durchlaufen des Festkörpers 20₁ eine nicht mehr rotationssymmetrische Querschnittsform aufweist, wie sich beispielsweise an der Querschnittsform 146 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 nach Durchlaufen des Festkörpers 20₁ und an der Querschnittsform der Strahltaillen 142 und 144 und an deren Abstand voneinander in Richtung der Strahlachse 18 zeigt.
Ferner ist, um eine für die Kompensation des Astigmatismus optimale Abbildung des Abschnitts 32₁ des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im ersten Festkörper 20₁ in den Abschnitt 32₂ des Resonatorstrahlungsfeldes 16 in den Festkörper 20₂ zu erhalten, zwischen den ein Kompensationspaar bildenden Festkörpern 20₁ und 20₂ eine Abbildungsoptik 134 vorgesehen, welche zwei Abbildungsoptiken 136 und 138 umfaßt, die eine Ebene M₁ welche senkrecht zur Strahlachse 18 im ersten Festkörper 20₁ verläuft, in eine Ebene M₂ des Festkörpers 20₂ abbildet, welche ebenfalls in diesem senkrecht zur Strahlachse 18 verläuft, und umgekehrt.
Um diese nicht mehr rotationssymmetrische Deformation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 zu kompensieren, werden die Festkörper 20₁ und 20₂ mit ihren Hauptachsen des Astigmatismus A₁, A₂ derart angeordnet, daß diese um 90° gegeneinander verdreht sind, wie in 7 dargestellt.
Diese Anordnung der Festkörper 20₁ und 20₂ führt dazu, daß das Resonatorstrahlungsfeld 16 nach Durchlaufen des ersten Festkörpers 20₁ beim Durchlaufen des zweiten Festkörpers 20₂ wiederum einen Astigmatismus "sieht", der allerdings um 90° verkippt ist, da die Hauptachse A₂ des Astigmatismus im zweiten Festkörper 20₂ gedreht ist.
Ist nun die Wirkung der thermischen Linse 130'₁ gleich der Wirkung der thermischen Linse 130'₂ , allerdings mit einem Astigmatismus, der um 90° zwischen den thermischen Linsen 130'₁ und 130'₂ verdreht ist, so kompensieren sich die Wirkungen des Astigmatismus der thermischen Linsen 130'₁ und 130'₂ derart, daß das Resonatorstrahlungsfeld 16 am Endspiegel 14 wiederum eine im wesentlichen runde Querschnittsform 148 aufweist.
Bei der bisherigen Erläuterung der Kompensation des durch die thermische Linsenwirkung bedingten Astigmatismus wurde nicht näher auf die Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 selbst eingegangen.
Ist der Astigmatismus der thermischen Linse 130 unabhängig von der eingestrahlten Polarisation und wird die Polarisation nicht durch die thermische Linsen 130 beeinflusst, so kann durch den Polarisator 150 die eine lineare Polarisation unabhängig von den Hauptachsen A₁, A₂ des Astigmatismus gewählt werden.
Häufig ist der Astigmatismus der thermischen Linse 130 mit einer Vorzugsrichtung der Polarisation P₁, P₂ im Festkörper verknüpft. In 7 ist beispielsweise angenommen, daß der Polarisator 150 eine Polarisationsrichtung PR des Resonatorstrahlungsfeldes am Auskoppelspiegel 14 bevorzugt, die sowohl zur Vorzugsrichtung der Polarisation P₂ des Festkörpers 20₂ als auch zu einer mit dieser Polarisationsrichtung verknüpften Hauptachse des Astigmatismus A₂ übereinstimmt.
Wie in 7 dargestellt, führt der Polarisator 150 dazu, daß der aus dem Resonatorstrahlungsfeld 16 ausgekoppelte Ausgangsstrahl 132 derart polarisiert ist, daß eine über den Querschnitt desselben konstante Phasenbeziehung zwischen senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten vorliegt.
Im einfachsten Fall wird dies durch eine lineare Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 erreicht.
Zur Kompensation des Astigmatismus bei Verwendung von Festkörpern 20 mit einer Vorzugsrichtung der Polarisation P₁, P₂, die mit einer Hauptachse des Astigmatismus A₁, A₂ der thermischen Linse 130 zusammenfällt, ist die Polarisationsrichtung PR des Resonatorstrahlungsfeldes 16 so auszurichten, daß diese mit der Hauptachse P der Polarisation in dem jeweiligen Festkörper 20₁ bzw. 20₂ zusammenfällt (7).
Aus diesem Grund ist die Polarisation PR₁ des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im ersten Festkörper 20₁ so auszurichten, daß diese parallel zur Hauptachse P₁ und A₁ verläuft und im zweiten Festkörper 20₂ ist die Polarisation PR₂ des Resonatorstrahlungsfeldes 16 so auszurichten, daß diese parallel zur Hauptachse P₂ und A₂ verläuft.
Zur Drehung oder Spiegelung der Polarisation PR des Resonatorstrahlungsfeldes 16 auf eine senkrecht dazu stehende Richtung, ist zwischen den Festkörpern 20₁ und 20₂ ein polarisationsbeeinflussendes Element 152 vorzusehen, welches die Polarisation PR₁ des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Bereich des ersten Festkörpers 20₁ in die Polarisationsrichtung PR₂ überführt, bevor das Resonatorstrahlungsfeld 16 den zweiten Festkörper 20₂ durchsetzt und umgekehrt.
Bezüglich der optischen Anregung der Festkörper 20₁ und 20₂ wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So erfolgt zweckmäßigerweise die optische Anregung des ersten Festkörpers 20₁ mit einer Polarisation OP₁, welche zur Vorzugsrichtung der Polarisation P₁. P₂ gleich ausgerichtet ist. Eine zweckmäßige Ausrichtung sieht vor, daß die Polarisation OP₁ parallel zur Hauptachse P₁ verläuft, wobei beide Teilstrahlungsfelder 82₁ und 84₁ parallel zu der der Richtung OP₁ polarisiert sind.
Im Gegensatz dazu erfolgt eine Anregung des Festkörpers 20₂ mit einer Polarisation OP₂, welche zur Vorzugsrichtung der Polarisation gleich ausgerichtet ist, insbesondere parallel zur Hauptachse P₂ verläuft, wobei auch in diesem Fall die Teilstrahlungsfelder 82₂ und 84₂ parallel zur Polarisation OP₂.polarisiert sind.
Bei einer anderen Art von Festkörpern 20 liegt entlang der Richtung des Resonatorstrahlungsfeldes 16 keine Vorzugsrichtung der Polarisation vor. Bei solchen Festkörpern umfaßt die thermische Linse 130''₁ und 130''₂ noch zusätzlich eine Doppelbrechung, beispielsweise eine rotationssymmetrische Spannungsdoppelbrechung, bei welcher eine radiale Polarisationskomponente RP und eine azimutale Polarisationskomponente AP unterschiedlich groß sind.
Wie in 8 bei einem dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Lasersystem dargestellt, weist die thermische Linse 130₁ des Festkörpers 20₁ eine Hauptachse der Doppelbrechung in Richtung der radialen Polarisation RP₁ und eine weitere Hauptachse der Doppelbrechung in Richtung der azimutalen Polarisation AP₁ auf. Die Ausrichtung dieser Hauptachsen ist in einem Zylinderkoordinatensystem einheitlich, bezogen auf ein kartesischen Koordinatensystem ortsabhängig. Ein Festkörpermaterial das ein derartiges Verhalten zeigt, ist beispielsweise Nd:YAG.
Die Brechkraft der thermischen Linse ist für die Polarisationskomponente RP₁ und AP₁ somit unterschiedlich groß. Weiterhin ändert sich im Allgemeinen der Polarisationszustand eines Laser-Strahlungsfeldes 16 bei Durchgang durch den jeweiligen Festkörper 20 mit der geschilderten Doppelbrechung, da eine Phasenverschiebung zwischen den beiden entlang der Hauptachsen der Doppelbrechung orientierten Polarisationskomponenten auftritt. Das bedeutet in diesem Beispiel, daß für jedes Laser-Strahlungsfeld 16, dessen Polarisation nicht über den Strahlquerschnitt rein azimutal oder rein radial ausgerichtet ist, eine Änderung des Polarisationszustandes bei Durchgang durch den Festkörper 20 erfolgt, wobei diese Änderung über den Querschnitt nicht einheitlich ist.
Beispielsweise wird die radiale Polarisationskomponente RP₁ aufgrund der Spannungsdoppelbrechung stärker fokussiert als die azimutale Polarisationskomponente AP₁.
Damit verknüpft ist eine vergrößerte Phasengeschwindigkeit der radialen Polarisationskomponente verglichen mit der azimutalen Polarisationskomponente, die in einer Änderung der Phasenbeziehung zwischen den Polarisationskomponenten bei Durchlauf durch den Festkörper resultiert.
Die unterschiedliche Fokussierung der radialen und azimutalen Polarisationskomponente führt dazu, daß deren Strahltaillen in Richtung der Strahlachse 18 an unterschiedlichen Stellen TR und TA angeordnet sind.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Ausgangsstrahl 132 mit rotationssymmetrischer Querschnittsform mit einer festen Phasenbeziehung zwischen senkrecht zueinander stehenden Polarisationskomponenten angestrebt, wobei hier durch den Polarisator 150 eine lineare Polarisation gewährleistet wird.
Wird eine lineare Polarisation PR₁ und PR₂ und eine rotationssymmetrische Querschnittsform 160 und 168 des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Bereich der Endspielgel 12 bzw. 14 des Resonators 10 angenommen, so führt die Doppelbrechung der thermischen Linse 130''₁ im Festkörper 20₁ zu einer elliptischen Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 außerhalb der mit der Polarisationsrichtung PR₁ zusammenfallenden Hauptachse, wie durch die Querschnittsform 162 dargestellt.
Diese elliptische Polarisation des Resonatorstrahlungsfeldes 16 außerhalb der mit der Polarisationsrichtung PR₁ zusammenfallenden Hauptachse RP₁ und AP₁ ist daher neben der unterschiedlichen Fokussierung, die sich für die unterschiedlichen Polarisationskomponenten RP₁ und AP₁ ergeben, zu kompensieren.
Aus diesem Grund ist im Bereich der aus denselben Gründen wie bei der Korrektur des Astigmatismus vorhandenen Abbildungsoptik 134 das polarisationsdrehende Element 152 vorgesehen, das jede Polarisationskomponente RP und AP des Resonatorstrahlungsfeldes 16 um 90° dreht, so daß eine radiale Polarisationskomponente RP₁ des Resonatorstrahlungsfeldes 16, die im Festkörper 20₁ stärker fokussiert wird und eine höhere Phasengeschwindigkeit aufweist als die azimutale Polarisation AP₁, im Festkörper 20₂ als Polarisationskomponente AP₂ die schwächere Fokussierung und geringere Phasengeschwindigkeit erfährt, während eine azimutale Polarisationskomponente AP₁ des Resonatorstrahlungsfeldes 16 im Festkörper 20₁ geringer fokussiert wird und eine höhere Phasengeschwindigkeit aufweist als die radiale Polarisation RP₁, im Festkörper 20₂ als Polarisationskomponente RP₂ die stärkere Fokussierung und höhere Phasengeschwindigkeit erfährt.
Nun setzt sich das Resonatorstrahlungsfeld 16 aus den Komponenten AP und RP zusammen und dadurch wird jeder Anteil des Resonatorstrahlungsfeldes 16 in einem Festkörper 20 der Wirkung für die Polarisationskomponente AP unterworfen und im anderen Festkörper 20 der Wirkung für die Polarisationskomponente RP. Zusammengefaßt läßt sich die Auswirkung der Doppelbrechung in allen Teilen über den gesamten Strahlquerschnitt aufheben, und somit eine weitgehende Kompensation der Doppelbrechung erzielen. Die erfindungsgemäße Ausführungsform erlaubt die Kompensation der Doppelbrechung dadurch, daß die durch die thermische Linse 130 bedingte Doppelbrechung durch geeignete Aufteilung der Pumpleistung auf die Festkörper 20₁ und 20₂ in den beiden Festkörpern weitgehend identisch eingestellt wird.
Derartige Festkörper, bei denen die mit der thermischen Linse 130'' verbundenen Spannungsdoppelbrechung die Doppelbrechung domiert, sind unter Vernachlässigung thermisch oder mechanisch induzierter Effekte optisch weitgehend isotrop, so daß die Polarisationsrichtung beim optischen Pumpen der Festkörper 20₁ und 20₂ ohne Bedeutung ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist daher ein optisches Pumpen der Festkörper 20₁ und 20₂ mit jeder Polarisationsrichtung möglich ist, allerdings sollte auch das optische Pumpen bei diesem Ausführungsbeispiel derart sein, daß die thermischen Linsen 130''₁ und 130''₂ gleich groß sind, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bezugszeichenliste

Claims

Lasersystem umfassend eine Laserstrahlungsfeldführung (10), in welchem sich ein Laser-Strahlungsfeld (16) erstreckt, mindestens einen vom Resonatorstrahlungsfeld (16) durchsetzten laseraktiven, sich in Richtung einer Längsachse (22) zwischen zwei einander gegenüberliegenden Endflächen (24, 26) erstreckenden Festkörper (20), eine Pumpstrahlungsquelle (50) zur Erzeugung von Pumpstrahlung zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers (20), eine Pumpstrahlungsführung (60), welche die Pumpstrahlung zum Pumpen des Festkörpers (20) in ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld (82, 84) aufteilt und welche das erste Teilstrahlungsfeld (82) über die eine Endfläche (24) und das zweite Teilstrahlungsfeld (84) über die andere Endfläche (26) in longitudinaler Richtung in den Festkörper (20) einkoppelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-Strahlungsfeld (16) mindestens zwei in Richtung seiner Strahlachse (18) aufeinanderfolgend angeordnete laseraktive Festkörper (20) aus identischem Material durchsetzt, daß die Pumpstrahlungsführung (60) derart ausgebildet ist, daß diese in jeden der Festkörper das erste Teilstrahlungsfeld (82) über die eine Endfläche (24) und das zweite Teilstrahlungsfeld (84) über die andere Endfläche (26) einkoppelt und daß die Pumpstrahlungsführung (60) derart ausgebildet ist, daß eine durch die beiden Teilstrahlungsfelder (82, 84) in jeden der mindestens zwei Festkörper (20) eingekoppelte Pumpleistung derart einstellbar ist, daß die Auswirkungen von durch die Pumpleistung in jedem der mindestens zwei Festkörper (20) erzeugten thermischen Linsen (130) auf das Laser-Strahlungsfeld (16) im wesentlichen identisch sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlungsfelder (82, 84) im wesentlichen parallel zur Längsachse (22) des jeweiligen Festkörpers (20) in diesen eingekoppelt sind.
Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlungsfelder (82, 84) im wesentlichen symmetrisch zur Strahlachse (18) innerhalb des jeweiligen Festkörpers (20) in diesen eingekoppelt sind.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teilstrahlungsfelder (82) in jedem der jeweiligen Festkörper (20) eine im wesentlichen identische Strahlungsfeldform (116) aufweisen.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Teilstrahlungsfelder (84) in jedem der jeweiligen Festkörper (20) eine im wesentlichen identische Strahlungsfeldform (118) aufweisen.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der durch durch die beiden Teilstrahlungsfelder (82, 84) in den jeweiligen Festkörper (20) eingekoppelten Pumpleistungen in jedem der Festkörper (20) ungefähr gleich groß ist.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Festkörper (20) die ersten Teilstrahlungsfelder (82) hinsichtlich ihrer Pumpleistung im wesentlichen gleich ausgebildet sind.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Festkörper (20) die zweiten Teilstrahlungsfelder (84) hinsichtlich ihrer Pumpleistung im wesentlichen gleich ausgebildet sind.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld (82, 84) in jedem der Festkörper (20) zu einer ungefähr mittigen Spiegelebene (120) des Festkörpers (20) im wesentlichen spiegelsymmetrisch verlaufen.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der vom ersten Teilstrahlungsfeld (82) eingekoppelten Pumpleistung zu der vom zweiten Teilstrahlungsfeld (84) eingekoppelten Pumpleistung in jedem der Festkörper (20) im wesentlichen gleich ist.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Teilstrahlungsfeld (82, 84) in jedem der Festkörper (20) eine definierte relative Polarisation (OP) aufweisen.
Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Festkörper (20) beide Teilstrahlungsfelder (82, 84) dieselbe Polarisation (OP) aufweisen.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teilstrahlungsfeld (82) für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung (10) angeordneten Festkörper (20) aus einer Pumpstrahlungsquelle (50) stammt.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teilstrahlungsfeld (84) für jeden in der Laserstrahlungsfeldführung (10) angeordneten Festkörper (20) aus einer Pumpstrahlungsquelle (50) stammt.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in den jeweiligen Festkörper (20) eintretenden Teilstrahlungsfelder (82, 84) aus derselben Pumpstrahlungsquelle (50) stammen.
Lasersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilstrahlungsfelder (82, 84) für jeweils mindestens zwei der Festkörper (20) aus derselben Pumpstrahlungsquelle (50) stammen.
Lasersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dieses zwei Pumpeinheiten (50a, 50b) aufweist von denen jede mindestens zwei Festkörper mit Teilstrahlungsfeldern (82, 84) aus derselben Pumpstrahlungsquelle (50a, b) pumpt.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß alle in die mindestens zwei Festkörper (20) eingekoppelten Teilstrahlungsfelder (82, 84) aus einer einzigen Pumpstrahlungsquelle (50) stammen.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Pumpstrahlung in Teilstrahlungsfelder (82, 84) über Polarisatoren (70, 94, 104) mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion erfolgt.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Aufteilung der Pumpleistung in die Teilstrahlungsfelder (82, 84) über die relative Einstellung zwischen einem Polarisator (94, 104) mit polarisationsabhängiger Transmission und Reflexion und einem einstellbaren polarisationsbeeinflussenden Element (92, 102) erfolgt.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlungsfelder (82, 84) über Faltungsspiegel (36, 38) des Resonators (10) in die jeweiligen Festkörper (20) eingekoppelt sind.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Festkörper (20) identisch ausgebildet sind.
Lasersystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16), derart angeordnet sind, daß eine Kompensation eines durch die jeweilige thermische Linse (130') bedingten Astigmatismus erfolgt.
Lasersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei der Festkörper (20) ein Kompensationspaar bilden und daß die beiden Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16) derart angeordnet sind, daß eine Kompensation des durch deren jeweilige thermische Linse (130) bedingten Astigmatismus erfolgt.
Lasersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörper (20) eines Kompensationspaares mit Hauptachsen (A) des Astigmatismus um 90° gegeneinander verdreht sind.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 23 oder 25, dadurch gekennzeichnet, die Polarisationsrichtung (PR) des Verstärkerstrahlungsfeldes (16) an eine Hauptachse (P) der Polarisation des jeweiligen Festkörpers (20) angepaßt ist.
Lasersystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, die Polarisationsrichtung (PR) des Laser-Strahlungsfeldes (16) parallel zur Hauptachse (P) der Polarisation des jeweiligen Festkörpers (20) ausgerichtet ist.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, die Festkörper (20), eines Kompensationspaares mit ihren Hauptachsen (P) der Polarisation um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Festkörper (20) durch ein erstes und ein zweites Teilstrahlungsfeld (82, 84) gepumpt ist, deren Polarisationsrichtung (OP) parallel einer Hauptachse (P) der Polarisation des jeweiligen Festkörpers (20) ausgerichtet ist.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16) derart ausgerichtet sind, daß eine Kompensation einer durch die jeweilige thermische Linse (130'') bedingten Doppelbrechung erfolgt.
Lasersystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei der Festkörper (20) ein Kompensationspaar bilden und daß die beiden Festkörper (20) relativ zum Laser-Strahlungsfeld (16) derart angeordnet sind, daß eine Kompensation der jeweiligen thermischen Linse (130'') und der Doppelbrechung erfolgt.
Lasersystem nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen (PR₁) des Laser-Strahlungsfeldes (16) in einem der Festkörper (20) relativ zu den Polarisationsrichtungen (PR₂) des Laser-Strahlungsfeldes (16) in dem anderen der Festkörper (20) und 90° gedreht sind.