DE4008226A1 - Laserdioden-gepumpter festkoerper-ringlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkör­ perlaser mit longitudinalem Einmodenbetrieb gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Durch die Druckschrift "T.J. Kane, R.L. Byer - Opt. Lett. 10, 2 (1985) 65" ist ein solcher Festkörperlaser bekanntgeworden. Solche laserdioden­ gepumpte Festkörperlaser bieten neben hoher Effizienz - die das 10-fache gegenüber herkömmlichen Technologien erbringt - Kompaktheit und War­ tungsfreiheit, zudem noch die Möglichkeit, einen longitudinalen Einmo­ denbetrieb (single frequency) mit hoher Stabilität zu erzeugen. Solche Laser werden insbesondere in der Laserkommunikation - sei es über Glas­ faser oder im Weltraum zwischen den Satelliten - sowie für alle Arten von Meßzwecken, wie beispielsweise für Abstand, Geschwindigkeit, LIDAR und Holographie, benötigt.

Das Problem dieser "Single-Frequency-Laser" liegt jedoch in den Inhomo­ genitäten im Laser-Verstärkungsprofil (spatial hole burning) durch die Ausbildung von sogenannten "Knoten und Bäuchen" bei einer stehenden Wel­ le. Um dies zu vermeiden wird beim allgemeinen Stand der Technik - wie in der Fig. 1a skizziert - im Resonator eine umlaufende Welle mit unidi­ rektionaler Ausbreitungsrichtung erzeugt. Diese Wellenausbreitung wird im wesentlichen durch die Kombination eines Polarisators, eines λ/2-Plättchens und eines Faraday-Rotators erreicht. Die Anregung bei­ spielsweise eines Festkörpermaterials kann optisch erfolgen, insbesonde­ re können Laserdioden Verwendung finden, welche eine gute Überlappung von Emissions- und Absorptionsspektren ermöglichen, wie in Fig. 2 veran­ schaulicht ist. Außerdem weisen sie eine gute räumliche Modenüberlappung der Art auf, daß das Pumplicht longitudinal in die Resonatormode fokus­ siert werden kann, wie die Fig. 3 veranschaulicht. In der eingangs ge­ nannten Druckschrift ist solch ein System beschrieben, indem der Ringre­ sonator monolithisch und nicht-planar ausgeführt worden ist, wodurch ei­ ne zusätzliche mechanische Stabilität des Aufbaus als gewährleistet an gesehen wird, die beim Betrieb von solchen Lasern erforderlich ist. In diesem hier vorliegenden Falle bedeutet die Aussage "monolithisch", daß der Laserresonator allein durch eine geeignete Formung und Beschichtung des laseraktiven Mediums gebildet wird. Durch die nichtplanare Ausbrei­ tung der Resonatormoden infolge entsprechender interner Reflexionen wird zudem eine Polarisation des Laserlichtes erreicht. Die materialspezifi­ sche Verdet-Konstante des ND:YAG-Kristalls ist als ausreichend zu be­ zeichnen, um durch ein transversal angelegtes magnetisches Feld eine Ro­ tation der Polarisation zu erzeugen. Der Kristall wirkt so selbst als Faraday-Rotator. Dieser so ausgestaltete Kristall (Fig. 1b) wird von der Frontseite her mit einer Laserdiode longitudinal optisch gepumpt. Wei­ tergehende für Ein-Moden-Betrieb geeignete Pumpmöglichkeiten bestehen aber in dieser Konzeption nicht.

Laser der vorbeschriebenen Art können derzeit jedoch nur mit einer Aus­ gangsleistung von wenigen 100 mW betrieben werden. Der Grund für diese Beschränkung ist einerseits die begrenzte Leistungsdichte der verfügba­ ren Halbleiterdioden, welche das Medium optisch pumpen, wobei nur eine einzige Pumpdiode longitudinal angekoppelt werden kann, anderseits ist die zum Einfrequenzbetrieb erforderliche Polarisations-Rotation bei ho­ hen Laserleistungen nicht mehr ausreichend, um eine unidirektionale Mo­ denausbreitung zu erreichen.

Die bei der vorgegebenen lasermaterialspezifischen Verdet-Konstante not­ wendigen magnetischen Felder müßten unpraktikabel groß gemacht werden, um eine hinreichende Rotation und damit Resonatorverluste für die uner­ wünschte Ausbreitungsrichtung zu erzeugen.

Diskrete Aufbauten herkömmlicher Technologie gemäß dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 sind mechanisch instabil und nur sehr aufwendig zu realisieren. Hinzu kommt noch, daß alle Teile eines solchen Aufbaus sehr genau justiert werden müssen, was sich natürlich sehr nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit solcher Einrichtungen - besonders bei der Fertigung großer Stückzahlen - auswirkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen laserdio­ dengepumpten Festkörperlaser der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorbeschriebenen Machteile nicht mehr aufweist und einen Festkör­ per-Ringlaser ergibt, der sowohl mit mehreren Halbleiter-Laserdioden op­ tisch longitudinal angeregt werden kann, als auch durch die geschaffene Möglichkeit einer Anbringung weiterer fest verbundener optischer Elemen­ te eine unidirektionale Modenausbreitung im Resonator ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Diese Erläuterungen werden durch die Figuren der Zeichnung ergänzt. Es zeigen

Fig. 1a eine Ringlaser-Konzeption gemäß dem Stand der Technik in sche­ matischer Darstellung der diskreten Aufbauweise;

Fig. 1b eine perspektivische Ansicht und eine schematische Draufsicht mit entsprechender Seitenansicht eines zum Stand der Technik zählenden Ringresonators, der monolithisch nichtplanar ausge­ führt ist;

Fig. 2 ein Diagramm der spektralen Überlappung von Pumplaserdioden- Emission und Lasermaterial-Absorption;

Fig. 3 ein Schemabild bezüglich der Modenüberlappung der Pumplicht­ strahlung und der Laser-Resonatormode bei longitudinalem opti­ schen Pumpen;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die geschliffenen, zusammenzufügenden Kri­ stallkomponenten zur Bildung des planaren quasi-monolithischen Ringlasers;

Fig. 5 eine Draufsicht des zusammengesetzten planaren quasi-monolithi­ schen Ringlasers mit seinem Strahlengang.

Wie die Fig. 4 veranschaulicht, werden drei ND:YAG-Kristalle 10a, 10b, 10c in der dargestellten Flächenform geschliffen. Insbesondere die zur Anlage kommenden Flächen 12 werden so poliert, daß beim Zusammenfügen der Kristallteile 10a, 10b und 10c diese allein durch Adhäsion aneinan­ der haften und miteinander untrennbar verbunden sind. Im Falle eines so­ genannten "optischen Kontaktes" entstehen keine optischen Grenzflächen, da zwischen den jeweils beiden Kristallschichten keine Luft eingeschlos­ sen ist. Damit aber entfällt die sonst erforderliche Entspiegelung die­ ser Flächen. Es entsteht weder ein Strahlversatz noch ergeben sich Re­ flexionsverluste.

Die beiden Flächen 14 der Kristalle 10a und 10c, welche den Luftspalt 10d zum Einbringen der Intra-Cavity-Elemente begrenzen, sind dagegen zu entspiegeln. Zum einen ist die Kristallgeometrie nun so gewählt, daß dies problemlos durchgeführt werden kann und zum anderen ist der zusam­ mengesetzte Kristall als Resonator 10 so geformt, daß die Resonatormode 22 senkrecht zur Kristallfläche 14 in das Medium (Luft) eintreten kann, womit ein Strahlversatz ebenfalls vermieden wird.

Mach der optischen Kontaktierung der Kristalle 10a, 10b, 10c ist die Re­ sonatormode 22 allein durch die kristallinternen Reflexionen festgelegt. Der sich durch die vorgeschlagene Kristallform ergebende Winkel δ be­ trägt 90° und führt neben der Strahlreflexion auch zu einer Polarisation des Strahles, welche für eine unidirektionale Modenausbreitung in Ver­ bindung mit einem Faraday-Rotator 17 (mit seinem Magnet 18 für die Fara­ day-Rotation) erforderlich ist. Sollte nun die auftretende Polarisa­ tionsselektion nicht ausreichend sein, so kann in den Luftspalt 10d pro­ blemlos ein weiteres Polarisationselement in den Freiraum bei 20 einge­ fügt werden. Hieraus ergeben sich die Winkel β und γ. Die Resonator­ mode 22 bildet somit ein rechtwinkliges Dreieck, womit der Winkel Φ ebenfalls bestimmt ist.

Hieraus folgt, daß die Resonatormode 22 den Winkel ξ bezüglich der Kristallfläche einschließt. Verspiegelt man eine der Flächen - hier in Fig. 5 ist es die mit einem bestimmten Radius 15 versehene Fläche 13c - als Resonator-Auskoppelspiegel, so kann in den Richtungen B, C, D Pump­ lichtstrahlung longitudinal unter einem Winkel ψ in den Resonator 10 fokussiert werden, wobei die einzelnen Strahlenbündel über Fokussierop­ tiken 23 von Pumplaserdioden 24 kommen. Da eine solche Strahlung in ho­ hem Maße polarisiert ist, wird bei geeigneter Lage der Polarisations­ richtung gemäß der Fresnel′schen Formeln nahezu 95% der Laserdioden­ strahlung in den Kristall bzw. den Resonator 10 fokussiert werden. Dies setzt aber voraus, daß die Kristalloberflächen zusätzlich antireflektie­ end beschichtet sind.

Als Ausführungsbeispiel für die Beschichtungen der in Fig. 4 gezeigten Flächen, seien folgende Werte angegeben:
die Beschichtung für die Fläche 13a soll bei 1064 nm hochreflektie­ rend und bei 810 nm antireflektierend sein,
die Beschichtung der Flächen 14 soll bei 1064 nm antireflektierend sein und
die Beschichtung der Fläche 13c soll bei 1064 nm eine Reflektivität von 98% haben und bei 810 nm antireflektierend sein.

In den Luftspalt 10d kann ein λ/2-Plättchen 16 und ein Faraday-Rotator 18 - ggf. auch ein zusätzlicher Polarisator - eingesetzt werden, wobei der Rotator 18 mit einem Material 17 hoher Verdet-Konstante, welche ver­ gleichsweise nur eine geringe Magnetfeldstärke bei hoher Laserleistung erfordert, versehen ist. Die Justage dieser externen, entspiegelten Ele­ mente ist im wesentlichen unkritisch. Zusätzlich können zu den vorge­ nannten Elementen - die wie bereits erwähnt auch als Intra-Cavity-Ele­ mente bezeichnet werden - weitere solcher Elemente 20 in den Freiraum des Luftspaltes 10d eingesetzt und optisch kontaktiert werden. Solche Elemente können beispielsweise schnelle Modulatoren, Güteschalter oder Frequenzverdopplungskristalle zur Erzeugung anderer Wellenlängen sein. Dies ist bei den bisher bekannten monolithisch aufgebauten Lasern nicht möglich.

Diese Resonatorgeometrie ist somit gut geeignet, hohe Laserleistung durch Verwendung mehrerer Pump-Dioden zu erzeugen.

Claims (6)

1. Laserdioden-gepumpter Festkörperlaser mit longitudinalem Ein-Mo­ den-Betrieb und unidirektionaler Wellenausbreitung, dessen Festkörperma­ terial optisch angeregt wird und das Pumplicht longitudinal in die Reso­ natormode fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) des Festkörper-Ringlasers (100) aus drei Laser-Kristallen, bei­ spielsweise Nd:YAG-Kristallen (10a, 10b, 10c) gebildet wird, deren Kri­ stallflächen geschliffen und deren zur Anlage kommenden Flächen hochpo­ liert sind, so daß eine adhäsive Kontaktierung bei der Zusammenfügung ge­ währleistet ist, wobei diese Zusammenfügung so erfolgt, daß ein Luftspalt (10d) zum Einbringen von Intra-Cavity-Elementen - wie Polarisator, Fara­ day-Rotator-Material, Magnet für Faraday-Rotation, Modenblende etc. - (16 bis 20) entsteht, dessen beide Endflächen (14) entspiegelt werden und die sich aus der Zusammenfügung ergebende Kristallgeometrie gewährleistet, daß die Resonatormode (22) senkrecht zur Kristallfläche (14) in das ande­ re Medium (Luft) eintritt.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Kristalle (10a, 10b, 10c) nach Schliff und Kontaktierung die Aus­ bildung einer Resonatormode (22) gewährleisten.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine (13c) der Kristallflächen mit einem Radius (15) versehen ist und als Resonator-Auskoppelspiegel ausgebildet ist.

4. Festkörperlaser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flächen (13a) des ND:YAG-Kristalls (10a) mit einer bei 1064 nm hochreflektierenden und einer bei 810 nm antireflektierenden Beschich­ tung versehen sind, während die Flächen (14) der Kristalle (10a und 10c) bei 1064 nm antireflektierend und die mit einem Radius (15) versehene Fläche (13c) des Nd:YAG-Kristalls (10c) bei 1064 nm teilreflektierend und bei 810 nm antireflektierend beschichtet sind.

5. Festkörperlaser nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß an den Flächen (13a und 13c) über Fokussieroptiken (23) mehrere Pumplicht-Laserdioden Pumplichtstrahlung longitudinal unter einem Winkel ψ in das Resonator-Modenvolumen (22) einkoppeln.

6. Festkörperlaser nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß in den Luftspalt (10d) des Resonators (10) zusätzlich zu den Intra-Cavity-Elementen (16 bis 19) weitere solcher Elemente 20 - wie Po­ larisator, Frequenzverdoppler, Modulator und Güteschalter - einsetzbar und kontaktierbar sind.