DE102010008170A1 - Optical oscillator/amplifier arrangement has amplification medium that includes strengthening elements provided with different optical properties such that amplification spectrums of elements overlap with each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Kernidee dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Verstärkungsmedium so beschaffen wird, dass es mindestens aus zwei Verstärkungselementen besteht, die unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen und deren Verstärkungsspektren/linien sich zumindest teilweise überlappen. Dadurch wird z. B. Pulsenergie im Wesentlichen durch das Verstärkungselement bestimmt, das eine höhere Energiespeicherkapazität hat und die Pulslänge hauptsächlich durch das Verstärkungselement, das eine höhere Verstärkung aufweist. Die spektrale Eigenschaft der emittierten Strahlung wird durch das Verstärkungselement definiert, das eine höhere Verstärkung hat.The core idea of this present invention is that the gain medium is made to consist of at least two gain elements that have different optical properties and whose gain spectra / lines at least partially overlap. This z. For example, pulse energy is substantially determined by the gain element, which has a higher energy storage capacity and the pulse length mainly by the gain element having a higher gain. The spectral property of the emitted radiation is defined by the gain element, which has a higher gain.
Als Verstärkungselemente bezeichnet man z. B. Atome, Ionen und/oder Molekülen, die durch Zufuhr von Energie angeregt werden können und dadurch verstärkend wirken.As reinforcing elements called z. As atoms, ions and / or molecules that can be excited by the supply of energy and thereby amplifying.
Die Verstärkungselemente können in einem Gasgemisch und/oder in einer gemischten Flüssigkeit und/oder in einem gemeinsamen Festkörper koexistieren bzw. dotiert sind. Festkörper sind u. a. Kristalle, Keramik, Glas oder Halbleiter, etc.The reinforcing elements can coexist or be doped in a gas mixture and / or in a mixed liquid and / or in a common solid. Solid bodies are u. a. Crystals, ceramics, glass or semiconductors, etc.
Im Folgenden werden die Grundzüge dieser vorliegenden Erfindung am Beispiel von diodengepumpten Festkörperlasern erläutert, deren Verstärkungsmedien aus mit Nd dotierten und/oder Yb dotierten Kristallen besteht.The basic features of this present invention are explained below using the example of diode-pumped solid-state lasers whose amplification media consist of Nd-doped and / or Yb-doped crystals.
Das Verstärkungselement stellt die Gesamteffekte von Ionen in einem gegebenen Wirtskristall dar.The reinforcing element represents the total effects of ions in a given host crystal.
Bei Nd-Ionen dotierten Verstärkungsmedien handelt es sich um vier Niveau-System, während sich bei Yb-Ionen dotierten Verstärkungsmedien um quasi drei Niveau-System handelt. Bei einem Verstärkungsmedium mit drei Niveau-System ist der erreichbare Wirkungsgrad höher als bei einem Verstärkungsmedium mit einem vier Niveau-System. Bei einem vier Niveau-System wird jedes angeregte Element zur Verstärkung beigetragen, während bei einem drei Niveau-System eine Anregungsschwelle überschreiten muss, erst dann tragen die angeregten Elemente zur Verstärkung bei. Yb-Ionen hat deutliche geringe Verstärkung im Vergleich zu Nd-Ionen in z. B. einem YAG-Kristall. Desweiteren ist das Verstärkungsspektrum von Yb-Ionen viel breiter als das von Nd-Ionen. Die Energiespeicherkapazität bei Yb-Ionen viel größer als die von Nd-Ionen.Nd ion doped gain media is a four level system, while Yb ion doped gain media is a quasi three level system. In a three-level system gain medium, the achievable efficiency is higher than that of a four-level system gain medium. In a four-level system, each excited element contributes to amplification, whereas in a three-level system, it must exceed one excitation threshold, only then do the excited elements contribute to amplification. Yb ions have markedly low amplification compared to Nd ions in z. As a YAG crystal. Furthermore, the gain spectrum of Yb ions is much wider than that of Nd ions. The energy storage capacity of Yb ions is much larger than that of Nd ions.
So ist z. B. Yb:YAG nur für gütegeschaltete Laser mit hoher Pulsenergie und langer Pulslänge geeignet, während Nd:YAG für Laser mit relativ geringer Pulsenergie und kurzer Pulsdauer besser geeignet. Wird ein Kristall mit Nd-Ionen und Yb-Ionen kodotiert, so können in einem gütegeschalteten Betrieb hohe Pulsenergie mit kurzer Pulsdauer erzielt und moderate Pulsenergie mit kurzer Pulsdauer bei hoher Pulswiederholrate erreicht werden.So z. Yb: YAG are only suitable for Q-switched lasers with high pulse energy and long pulse length, whereas Nd: YAG are more suitable for lasers with relatively low pulse energy and short pulse duration. If a crystal is codoped with Nd ions and Yb ions, then in a Q-switched operation, high pulse energy can be achieved with a short pulse duration and moderate pulse energy with a short pulse duration can be achieved at a high pulse repetition rate.
Eine weitere Ausführung der optischen Oszillator/Verstärker-Anordnung entsteht, indem die Verstärkungselemente diskrete Kristalle darstellen. Dabei kann es sich um gleichartiges Wirtskristall mit unterschiedlichen Dotierungen wie zum Beispiel Nd:YAG und Yb:YAG oder unterschiedliche Wirtskristalle mit gleicher Dotierung wie Nd:YAG und Nd:YVO4 oder unterschiedliche Wirtskristalle mit unterschiedlichen Dotierungen wie Nd:YLF und Yb:YAG.Another embodiment of the optical oscillator / amplifier arrangement arises in that the amplification elements represent discrete crystals. It can be similar host crystal with different dopants such as Nd: YAG and Yb: YAG or different host crystals with the same doping as Nd: YAG and Nd: YVO 4 or different host crystals with different dopants such as Nd: YLF and Yb: YAG.
Der Einfachheit halber können die diskreten Kristalle an einander gebündelt werden. Die Verstärkungselemente werden vorzugsweise optisch gepumpt. Ein effektives ?? kann erreicht werden, indem die Verstärkungselemente mittels Diodenlaser gepumpt werden, deren Pumpwellenlänge optimal zur Absorption der Verstärkungselemente passt. So zum Beispiel 880 nm für Nd:YVO4 und 940 nm für Yb:YAG.For the sake of simplicity, the discrete crystals can be bundled together. The reinforcing elements are preferably optically pumped. An effective ?? can be achieved by pumping the reinforcing elements by means of diode lasers whose pump wavelength optimally matches the absorption of the reinforcing elements. For example, 880 nm for Nd: YVO 4 and 940 nm for Yb: YAG.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der optischen Oszillator/Verstärker-Anordnungen gemäß dieser vorliegenden Erfindung unter Hilfestellung von Bildern erläutert.In the following, some embodiments of the optical oscillator / amplifier arrangements according to this present invention will be explained with the help of pictures.
Bild 1: einen optischen Oszillator bestehend aus zwei Resonatorspiegel (
Bild 2: Emissionsspektren zwei unterschiedlicher Verstärkungselementen (
Bild 3: ein Verstärkungsmedium (
Bild 4: ein Verstärkungsmedium (
Bild 5: ein Verstärkungsmedium (
Bild 6: ein Verstärkungsmedium (
Aus einem großen stimulierten Emissionsquerschnitt, einer spektral schmalen Verstärkungslinie ergibt sich hohe Verstärkung. Medien mit hoher Verstärkung sind insbesondere geeignet für Laser mit hoher Pulswiederholrate und mit kurzer Pulslänge. Ein kleiner spontaner Emissionsquerschnitt und eine lange Lebensdauer führen zu hoher Energiespeicherkapazität. Solche Verstärkungsmedien sind bevorzugt für Laser mit hoher Pulsenergie. From a large stimulated emission cross section, a spectrally narrow reinforcement line results in high gain. High gain media are particularly suitable for lasers with high pulse repetition rate and short pulse length. A small spontaneous emission cross section and a long service life lead to high energy storage capacity. Such amplification media are preferred for high pulse energy lasers.
Je nach Erfordernissen an Pulswiederholrate, Pulslänge und Pulsenergie, spektraler Eigenschaften, etc. werden in der Tat unterschiedliche Verstärkungsmedien verwendet. So z. B. wird Nd:YVO4 aufgrund dessen hoher Verstärkung zur Erzeugung von Laser hoher Pulswiederrate und kurzer Pulsdauer eingesetzt. Aufgrund der relativ geringen Verstärkung wird Nd:YLF überwiegend zur Erzeugung hoher Pulsenergie bei einer geringer Pulswiederholrate benutzt.Depending on the requirements of pulse repetition rate, pulse length and pulse energy, spectral properties, etc., different amplification media are indeed used. So z. For example, because of its high gain, Nd: YVO4 is used to generate high pulse repetition rate, short pulse duration lasers. Due to the relatively low gain, Nd: YLF is used predominantly to generate high pulse energy at a low pulse repetition rate.
Im Fall von cw gepumpten Festkörperslablasern wird Nd:YAG effektiv für Pulswiederholrate von 5 kHz bis 12 kHz mit hoher Pulsenergie verwendet. Nd:YVO4 wird effektiv verwendet, wenn eine Pulswiederholrate von über 20 kHz mit kurzer Pulsdauer gefordert.In the case of cw pumped solid state lasers, Nd: YAG is effectively used for pulse repetition rate of 5 kHz to 12 kHz with high pulse energy. Nd: YVO4 is effectively used when a pulse repetition rate of over 20 kHz with short pulse duration is required.
Daraus ergibt sich eine Lücke von 12 bis 20 kHz, wo mit Nd:YAG die Pulse zu lange und instabil wird und mit Nd:YVO4 die erzielbare Pulsenergie limitiert ist.This results in a gap of 12 to 20 kHz, where with Nd: YAG the pulse becomes too long and unstable and with Nd: YVO4 the achievable pulse energy is limited.
Yb dotierte Verstärkungsmedien haben sehr kleinen stimulierten Emissionsquerschnitt und in einem q-switch-Betrieb nur für eine geringe Pulswiederholrate und lange Pulsdauer geeignet sind. So am Beispiel von einem Scheibenlaser mit Yb:YAG liegt die Pulswiederholrate unter 3 kHz bei einer Pulslänge von einigen 100 ns. Auf der anderen Seite weist Yb dotierten Verstärkungsmedien hohe Energiespeicherkapazität auf.Yb-doped gain media have very small stimulated emission cross-section and in a q-switch operation are only suitable for a low pulse repetition rate and long pulse duration. For example, using a disk laser with Yb: YAG, the pulse repetition rate is below 3 kHz with a pulse length of several 100 ns. On the other hand, Yb doped gain media has high energy storage capacity.
Um eine höhere Pulsrate, kürze Pulslänge und hohe Pulsenergie zu erzielen, können Yb dotierten Lasermedien wie Yb:YAG mit Nd dotierten Verstärkungsmedien wie Nd:YLF oder Nd:YAG oder Nd:YVO4, etc. kombiniert werden.To achieve higher pulse rate, short pulse length and high pulse energy, Yb doped laser media such as Yb: YAG can be combined with Nd doped gain media such as Nd: YLF or Nd: YAG or Nd: YVO4, etc.
Yb:YAG hat eine breite Emissionslinien. Im Fall nichtlinearer Frequenzkonversion führt die breite Emissionslinie zur geringen Effizienz. Die Linienbereite kann durch Kombination mit z. B. Nd dotierten Verstärkungsmedien reduziert. In diesem Fall wird die Emission durch die Emissionslinien von Nd dotierten Verstärkungselemente gelockt, da Nd dotierte Verstärkungselemente höhere Verstärkung hat und das Strahlungsfeld im Oszillator schnell aufgebaut werden und damit die Emissionslinie definiert. Damit können ohne eine Verwendung spektraler Filter die Emissionslinien kontrolliert werden.Yb: YAG has broad emission lines. In the case of nonlinear frequency conversion, the broad emission line leads to low efficiency. The Linienbereite can be combined with z. B. Nd doped gain media reduced. In this case, the emission is lured by the emission lines of Nd doped gain elements, since Nd doped gain elements have higher gain and the radiation field in the oscillator is built up quickly, thus defining the emission line. This allows the emission lines to be controlled without the use of spectral filters.
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Ein optischer Oszillator besteht im Wesentlichen aus einem Verstärkungsmedium und zwei Resonatorspiegeln. Die Eigenschaften des Oszillators werden überwiegend durch die Eigenschaften des Verstärkungsmediums und die Auswahl der Resonatorspiegel bestimmt.An optical oscillator consists essentially of a gain medium and two resonator mirrors. The characteristics of the oscillator are mainly determined by the properties of the gain medium and the choice of the resonator mirrors.
Verstärkungsmedium wird durch Eigenschaften, wie optische Eigenschaften, optomechanische Eigenschaften und thermooptische Eigenschaften charakterisiert. Unter den optischen Eigenschaften sind unter anderen der stimulierten Emissionsquerschnitt, der spontane Emissionsquerschnitt, die spektrale Bereite der Verstärkungslinien, die Lebensdauer des oberen Niveaus, das Niveausystem der Emissionsübergänge, etc.Reinforcing medium is characterized by properties such as optical properties, optomechanical properties and thermo-optic properties. Among the optical properties are, among others, the stimulated emission cross section, the spontaneous emission cross section, the spectral width of the amplification lines, the upper level lifetime, the emission transition level system, etc.
Aus einem großen stimulierten Emissionsquerschnitt, einer spektral schmalen Verstärkungslinie ergibt sich hohe Verstärkung. Medien mit hoher Verstärkung sind insbesondere geeignet für Laser mit hoher Pulswiederholrate und mit kurzer Pulslänge. Ein kleiner spontaner Emissionsquersschnitt und eine lange Lebensdauer führen zu hoher Energiespeicherkapazität. Solche Verstärkungsmedien sind bevorzugt für Laser mit hoher Pulsenergie.From a large stimulated emission cross section, a spectrally narrow reinforcement line results in high gain. High gain media are particularly suitable for lasers with high pulse repetition rate and short pulse length. A small spontaneous emission cross-section and a long life lead to high energy storage capacity. Such amplification media are preferred for high pulse energy lasers.
Im Fall eines gütegeschalteten Oszillators wird das Pulsverhalten wie Pulslänge, Pulsenergie und Pulswiederholrate neben dem Güteschalter wesentlich durch die erreichbare Verstärkung und die max. speicherbare Energie bestimmt. Sie sind wiederum durch die optischen Eigenschaften des Verstärkungsmediums bestimmt. So z. B. ist eine Pulslänge von unter 10 ns mit Nd:YLF nur erreichbar, wenn die Pulswiederholrate kleiner als 3 kHz beträgt. Bei Nd:YAG beträgt die max. Pulswiederholrate um 10 kHz, wenn eine gütegeschaltete Pulslänge von unter 10 ns erforderlich ist. Demgegenüber kann Nd:YVO4 aufgrund seiner hohen Verstärkung bis zu 100 kHz mit einer Pulslänge von unter 10 ns betrieben werden.In the case of a Q-switched oscillator, the pulse behavior such as pulse length, pulse energy and pulse repetition rate in addition to the Q-switch is significantly affected by the achievable gain and the max. storable energy is determined. In turn, they are determined by the optical properties of the gain medium. So z. B. is a pulse length of less than 10 ns with Nd: YLF achievable only if the pulse repetition rate is less than 3 kHz. For Nd: YAG the max. Pulse repetition rate of 10 kHz when a Q-switched pulse length of less than 10 ns is required. In contrast, Nd: YVO4 can be operated up to 100 kHz with a pulse length of less than 10 ns due to its high gain.
Die Kehrseite ist, dass die Energiespeicherkapazität durch die Verstärkung und die Güteschalter bestimmt ist. So kann bei Nd:YLF aufgrund der relativ geringen Verstärkung und der langen Lebensdauer des oberen Inversionsniveaus (460 μs) ohne Problem über 30 mJ Pulsenergie erzielt. Bei Nd:YAG mit einer moderaten Verstärkung und einer Lebensdauer des oberen Inversionsniveaus von 240 μs kann eine Pulsenergie von 20 mJ erreicht werden, wenn die Pulswiederholrate klein als 10 kHz ist. Das Nd:YVO4 hat eine hohe Verstärkung und eine relativ kurze Lebensdauer des oberen Inversionsniveaus von 90 μs. Dies limitiert die erreichbare Pulsenergie auf etwa 7 mJ.The flip side is that the energy storage capacity is determined by the gain and the Q-switches. For example, Nd: YLF achieves more than 30 mJ of pulse energy due to the relatively low gain and long lifetime of the upper inversion level (460 μs). For Nd: YAG with a moderate gain and a lifetime of the upper inversion level of 240 μs, a pulse energy of 20 mJ can be achieved if the pulse repetition rate is less than 10 kHz. The Nd: YVO 4 has a high gain and a relatively short lifetime of the upper inversion level of 90 μs. This limits the achievable pulse energy to about 7 mJ.
Die Frage ist jetzt, wie kann man das Pulsverhalten wie Pulsenergie, Pulslänge und Pulswiederholrate erweitern kann, um verschiedenste Anwendungsanforderungen zur erfüllen.The question now is how to extend the pulse response such as pulse energy, pulse length and pulse repetition rate to meet a wide variety of application requirements.
Darüber hinaus wird die spektrale Eigenschaft der Strahlung von Oszillator durch das Spektrum des Verstärkungsmediums bestimmt. Yb:YAG hat ein breites Spektrum der Emission. Im Fall nichtlinearer Frequenzkonversion führt die breite Emissionslinie zur geringen Konversionseffizienz. Um die spektrale Linienposition und -bereite der Emission zu definieren, wird überlicherweise Filter verwendet. Dies ist oft mit Verlust der Effizienz verbunden.In addition, the spectral property of the radiation from the oscillator is determined by the spectrum of the gain medium. Yb: YAG has a broad spectrum of emission. In the case of non-linear frequency conversion, the broad emission line leads to low conversion efficiency. To define the spectral line position and readiness of the emission, filters are commonly used. This is often associated with loss of efficiency.
Die zentrale Aufgabe dieser vorliegenden Erfindung besteht darin, dass optische Oszillator/Verstärker-Anordnungen anzugeben, dass die Pulsparameter erweitert werden oder/und die spektralen Eigenschaften der emittierten Strahlung kontrolliert werden.The central object of this present invention is to specify that optical oscillator / amplifier arrangements extend the pulse parameters or / and control the spectral properties of the emitted radiation.
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