DE4039682C2

DE4039682C2 - Festkörperlaser, der transversal durch das von Halbleiterlasern ausgesandte Licht angeregt wird

Info

Publication number: DE4039682C2
Application number: DE4039682A
Authority: DE
Inventors: Kenji Tatsumi; Yoshihito Hirano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-12-25
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: US5091915A; DE4039682A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1, wie er aus der EP 0 375 216 A2 bekannt ist. Um eine möglichst effektive Einstrahlung des von den Halbleiterlasern ausgesandten Pumplichts in das Festkörperlasermedium zu ermöglichen, sind die Seitenflächen des Festkörperlasermediums mit einer Vielzahl von Einzelfacetten versehen, die zick-zack-artig mit einer bestimmten Periode und unter einem bestimmten Winkel angeordnet sind. Wenn die einzelnen Halbleiterlaser auf die einzelnen Facetten strahlen wird das eingestrahlte Pumplicht geeignet abgelenkt, um die Absorptionslänge des Pumplichts dem zu erzeugenden Laserstrahl in geeigneter Weise anzupassen. Damit wird eine Anpassung des Lasermoden- Volumen an das des Pumplichtes durchgeführt und somit ein guter Wirkungsgrad der eingestrahlten Pumplichtenergie zur ausgesendeten Festkörper-Lasermodenenergie erzielt.

In der Zeitschrift Opt. Communications, Bd. 40, Nr. 4, 1982, Seiten 294-297, wird die Erzeugung von Laserimpulsen mittels eines von einem Stickstofflaser gepumpten Farbstofflasers beschrieben. Das Pumplicht des Stickstoff lasers wird hierbei nicht direkt in das Lasermedium eingekoppelt, sondern es wird zunächst in eine Quarzplatte eingestrahlt, auf deren Ausgangsseite ein holografisches Gitter angeordnet ist. Nachdem das Pumplicht von dem holografischen Gitter und von den Seitenflächen der Quarzplatte reflektiert worden ist, wird es über die Ausgangsfläche in das Lasermedium zurückgestrahlt, wobei durch die unterschiedlichen Phasen der einzeln reflektierten Teilstrahlen Interferenzerscheinungen in dem anzuregenden Lasermedium verursacht werden, die zur Erzeugung der Laserimpulse benötigt werden. Hier wird also das holografische Gitter zur Erzeugung von Interferenzen verwendet.

Weiterhin ist aus der US-PS 3,624,545 ein weitgehend gattungsgemäßer Festkörperlaser bekannt, bei dem das Pumplicht der Halbleiterlaser transversal das Festkörperlasermedium durchläuft. Ein Teil des Lichtes wird vom Festkörperlasermedium absorbiert, während das restliche dicht durch das Festkörperlasermedium hindurchtritt und durch einen das Festkörperlasermedium teilweise umgebenden Reflexionszylinder reflektiert wird, so daß es erneut auf das Festkörperlasermedium fällt, wodurch ein Anregungsgebiet zur Herbeiführung der Laserverstärkung entsteht. Über die gewünschte Laseroszillationsmode TEM₀₀ (Transvers Electro Magnetic mode) hinaus werden dabei auch andere Bereiche des Festkörperlasermediums optisch gepumpt, so daß ein großer Teil der Anregungsenergie nicht der Verstärkung der Laserschwingungsmode dient, und damit der Wirkungsgrad der Anregung niedrig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen durch Halbleiterlaser angeregten Festkörperlaser der als bekannt vorausgesetzten Art zu schaffen, bei dem das Anregungsgebiet wirksam an das Modenvolumen der Laserschwingungsmode angepaßt ist und ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem durch Halbleiterlaser angeregten Festkörperlaser gemäß der Erfindung beugen die Beugungsgitter die Ausgangslichtstrahlen des Halbleiterlasers, so daß die Pumplichtstrahlen in die Ausbreitungsrichtung (Richtung der optischen Achse) gelenkt werden. Damit erfolgt eine Anpassung des Anregungsgebiets an das Modenvolumen der Laserschwingungsmode. Der Festkörperlaser weist somit sowohl eine hohe Ausgangsleistung, als auch einen hohen Wirkungsgrad auf.

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 den Aufbau des durch einen Halbleiterlaser angeregten Festkörperlasers;

Fig. 2 die Betriebsweise der Beugungsgitter des in Fig. 1 dargestellten Festkörperlasers;

Fig. 3 die Betriebsweise der Beugungsgitter in einer weiteren Ausführungsform des Festkörperlasers.

Um die Beschreibung zu vereinfachen, ist angenommen, daß bei den Ausführungsbeispielen der Laserresonator so gestaltet ist, daß das Festkörpermedium die Form eines Quaders aufweist, wobei die Richtung der Hauptachse des Quaders mit der Richtung der optischen Achse des Laserresonators zusammenfällt, und daß die Pumplichtquelle so gestaltet ist, daß das Pumplicht des Halbleiterlasers von der Seite her, also in einer im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse des Quaders verlaufenden Richtung auf das Festkörperlasermedium fällt.

In Fig. 1, die eine Ausführungsform des Festkörperlasers veranschaulicht, sind das erste Beugungsgitter 24 und das zweite Beugungsgitter 25 auf der hauptachsenparallelen Oberfläche des Blockes des Festkörperlasermediums 23 in der Weise angebracht, daß die ersten Transmissionsbeugungsgitter 24a den zweiten Reflexionsbeugungsgittern 25b gegenüberstehen. Ein dielektrischer Mehrschichtfilm, der das Pumplicht der Halbleiterlasergruppe 2 stark reflektiert und die Wellenlänge der Schwingung des Festkörperlasers im wesentlichen nicht reflektiert, ist auf jeder der ersten senkrecht zur Hauptachse stehenden und zweiten Oberflächen 26 und 27 angebracht.

Ferner ist die eine Pumplichtquelle bildende Halbleiter lasergruppe 2 entlang der Seite des Blockes des Festkörperlasermediums 23 angeordnet, auf dem das erste und das zweite Beugungsgitter 24 und 25 angebracht sind. Die Halbleiterlasergruppe 2 besteht aus einer Vielzahl von Halbleiterlasern 19, die in gleichen Abständen in Längsrichtung der Gruppe in der Weise angeordnet sind, daß ihre Anschlußübergänge im wesentlichen parallel zueinander liegen. Im einzelnen entspricht der Abstand zwischen den Halbleiterlasern 19 dem Abstand zwischen den ersten Transmissionsbeugungsgittern 24a, welche das erste Beugungsgitter 24 bilden, oder dem Abstand zwischen den zweiten Transmissionsbeugungsgittern 25a, die das zweite Beugungsgitter 25 bilden. Das von einem der Halbleiterlaser 19 ausgesandte Licht breitet sich so aus, daß der Divergenzwinkel in Richtung senkrecht zur Zeichnungsoberfläche größer als derjenige in Richtung parallel der genannten Oberfläche ist. Daher läuft das Licht durch die Stablinse 28, die das Licht nur in Richtung senkrecht zur Zeichnungsoberfläche beugt, um es in einen parallelen Lichtstrahl zu verwandeln.

Der durch die Stablinse 28 gelaufene, im wesentlichen parallele Lichtstrahl fällt auf das erste Transmissionsbeugungsgitter 24a, wodurch ein Beugungslichtstrahl 29 nullter Ordnung, ein erster Beugungslichtstrahl 30 erster Ordnung, ein erster Beugungslichtstrahl 31 minus-erster Ordnung und Beugungslichtstrahlen plus- und minus-zweiter Ordnung oder Beugungslichtstrahlen höherer Ordnung gebildet werden. Die Erzeugung von Beugungslichtstrahlen von plus- und minus-zweiter Ordnung oder von Beugungslichtstrahlen höherer Ordnung hängt vom Zwischenabstand der ersten Transmissionsgitter 24a, der Wellenlänge λ des Ausgangslichtes der Halbleiterlasergruppe 2, welche die Pumplichtquelle bilden, dem Brechungsindex n des Blockes des Festkörperlasermediums 23, und der Konfiguration des Abschnittes des ersten Transmissionsbeugungsgitters 24a ab.

Der Beugungslichtstrahl 29 nullter Ordnung breitet sich im Block des Festkörperlasermediums 23 in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 6 aus, wobei sich seine Intensität exponentiell abschwächt und somit ein Anregungsgebiet erzeugt.

Der erste Beugungslichtstrahl 30 erster Ordnung breitet sich mit einem Winkel u (ausgedrückt durch die nachfolgende Gleichung (1), aber wertmäßig nicht gleich null) zur senkrechten Linie des ersten Transmissionsbeugungsgitters 24 aus. Der Gitterzwischenabstand (d) des ersten Transmissionsbeugungsgitters 24 ist so festgelegt, daß der Winkel u so genau wie möglich den Wert 90° erreicht.

u = SIN^-1 λ/nd (1)

Der erste Beugungslichtstrahl 30 erster Ordnung breitet sich somit im Block des Festkörperlasermediums 23 in einer Richtung aus, die im wesentlichen parallel zur optischen Achse 6 liegt, wobei sich die Intensität des Strahls ebenfalls exponentiell abschwächt. Dann wird der Strahl von der ersten Oberfläche 26 des Festkörperlasermediums 23 reflektiert, woraufhin er sich erneut im Block des Festkörperlasermediums 23 ausbreitet und dabei seine Intensität exponentiell abschwächt, so daß ein Anregungsgebiet entsteht.

Der erste Beugungslichtstrahl 31 minus-erster Ordnung breitet sich derart aus, daß er in bezug auf die senkrechte Linie des ersten Transmissionsbeugungsgitters 24a symmetrisch zum oben beschrieben ersten Beugungslichtstrahl 30 erster Ordnung verläuft. Das heißt, daß sich der Beugungslichtstrahl 31 im Block des Festkörperlasermediums 23 in einer im wesentlichen parallel zur optischen Achse 6 verlaufenden Richtung ausbreitet, wobei sich seine Intensität ebenfalls exponentiell abschwächt. Danach wird der Strahl von der zweiten Oberfläche 27 des Festkörperlasermediums 23 reflektiert, so daß er sich erneut in den Block des Festkörperlasermediums 23 ausbreitet, wobei sich seine Intensität exponentiell abschwächt und damit ein Anregungsgebiet erzeugt.

In gleicher Weise wird der von einem anderen Halbleiterlaser 19 der Halbleiterlasergruppe 2 ausgesandte Pumplichtstrahl auf das jeweilige erste Transmissionsbeugungsgitter 24a geworfen, so daß ein Beugungslichtstrahl nullter Ordnung, ein Beugungslichtstrahl erster Ordnung, ein Beugungslichtstrahl minus-erster Ordnung, Beugungslichtstrahlen plus- und minus-zweiter Ordnung oder Beugungslichtstrahlen höherer Ordnung erzeugt werden und sich im Block des Festkörperlasermediums 23 ausbreiten, wodurch Anregungsgebiete entstehen.

Der Beugungslichtstrahl 29 nullter Ordnung breitet sich im Block des Festkörperlasermediums 23 in einer im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 6 verlaufenden Richtung aus, wobei sich seine Intensität exponentiell verringert. Er erreicht das zweite Beugungsgitter 25, woraufhin ein Beugungslichtstrahl 29 nullter Ordnung, ein zweiter Beugungslichtstrahl 32 erster Ordnung, ein zweiter Beugungslichtstrahl 33 minus-erster Ordnung, und Beugungslichtstrahlen plus- oder minus-zweiter Ordnung oder Beugungslichtstrahlen höherer Ordnung mit Hilfe des zweiten Reflexionsbeugungsgitters 25b erzeugt werden. Die Erzeugung der Beugungslichtstrahlen plus- und minus-zweiter Ordnung oder der Beugungslichtstrahlen höherer Ordnung hängt vom Gitterzwischenabstand der zweiten Reflexionsbeugungsgitter 25b, der Wellenlänge λ des Ausgangslichtstrahls der Halbleiterlasergruppe 2, welche die Pumplichtquelle bildet, dem Brechungsindex n des Blockes des Festkörperlasermediums 23, und der Konfiguration des Abschnittes des zweiten Reflexionsbeugungsgitters 25b ab. Obgleich nur der Fall des Beugungsgitters 25 mit rechteckigem Querschnitt beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt.

Der Beugungslichtstrahl 29 nullter Ordnung breitet sich im Block des Festkörperlasermediums 23 in einer im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 6 verlaufenden Richtung zum ersten Beugungsgitter 24 hin aus, wobei sich seine Intensität exponentiell abschwächt und dadurch ein Anregungsgebiet erzeugt.

Der zweite Beugungslichtstrahl 32 erster Ordnung breitet sich mit einem Winkel u (wertmäßig nicht null), entsprechend der obigen Gleichung (1) aus (wobei der Gitterzwischenabstand der zweiten Reflexionsbeugungsgitter 25b demjenigen der ersten Transmissionsbeugungsgitter 24a entspricht). Der zweite Beugungslichtstrahl 32 erster Ordnung breitet sich im Block des Festkörperlasermediums 23 in einer im wesentlichen parallel zur optischen Achse 6 verlaufenden Richtung aus, wobei sich seine Intensität exponentiell abschwächt; er wird dann von der ersten Oberfläche 26 reflektiert. Als Ergebnis breitet sich der Beugungslichtstrahl 32 erneut im Block des Festkörperlasermediums 23 aus, wobei sich seine Intensität exponentiell abschwächt und dadurch ein Anregungsgebiet schafft.

Der zweite Beugungslichtstrahl 33 minus-erster Ordnung schreitet derart voran, daß er in bezug auf die Senkrechte zum zweiten Reflexionsbeugungsgitter 25b im wesentlichen symmetrisch zum zweiten Beugungslichtstrahl 32 erster Ordnung verläuft. Das heißt, daß sich der Lichtstrahl 33 im Block des Festkörperlasermediums 23 in einer im wesentlichen parallel zur optischen Achse 6 verlaufenden Richtung ausbreitet, wobei sich seine Intensität exponentiell abschwächt und er dann von der zweiten Oberfläche 27 reflektiert wird. Als Ergebnis breitet sich der Lichtstrahl 33 erneut im Block des Festkörperlasermediums 23 aus, wobei sich seine Intensität exponentiell abschwächt und damit ein Anregungsgebiet erzeugt.

Das resultierende Anregungsgebiet besteht somit aus der Überschneidung der genannten Beugungslichtstrahlen. Da sich der oben beschriebene erste Beugungslichtstrahl 30 erster Ordnung, der erste Beugungslichtstrahl 31 minus-erster Ordnung, der zweite Beugungslichtstrahl 32 erster Ordnung, und der zweite Beugungslichtstrahl 33 minus-erster Ordnung im wesentlichen parallel zur optischen Achse 6 ausbreiten, ist die Absorptionslänge genügend groß. Zusätzlich kann das Anregungsgebiet mit dem Modenvolumen im Block des Festkörperlasermediums 23 der Laserresonatormode 7 zusammenfallen. Daher weist die Festkörperlaservorrichtung gemäß der Erfindung einen hohen Anregungswirkungsgrad auf.

Fig. 2 veranschaulicht nochmals die Beziehung zwischen dem Beugungslichtstrahl 29 nullter Ordnung, dem ersten Beugungslichtstrahl 30 erster Ordnung sowie dem ersten Beugungslichtstrahl 30 minus-erster Ordnung, der durch das erste Beugungsgitter 24 gebildet wird, sowie dem Beugungslichtstrahl 29 nullter Ordnung, dem zweiten Beugungslichtstrahl 32 erster Ordnung und dem zweiten Beugungslichtstrahl 33 minus-erster Ordnung, der durch das zweite Beugungsgitter 25 gebildet wird, und sie zeigt die Beziehung zwischen dem Anregungsgebiet 8 und der Laserresonatormode 7. Ein Hauptvorteil der Mittel zur Bildung eines Anregungsgebietes unter Verwendung von Beugungsgittern besteht darin, daß das Pumpvolumen des Pumplichtes so beeinflußt werden kann, daß es in ausreichendem Umfange mit dem Modenvolumen des Laserresonators zusammenfällt. Das Modenvolumen des Laserresonators ist durch die eingestellten Positionen und Konfigurationen des stark reflektierenden Spiegels 4 und des Auskoppelspiegels 5 bestimmt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind anstelle der in Fig. 2 direkt auf dem Block des Festkörperlasermediums 23 angebrachten ersten und zweiten Beugungsgitter 24 und 25 erste und zweite Beugungsgitterblocks 35 und 36 in der Weise angeordnet, daß sie nahe bei oder in Berührung mit der Oberfläche des Blockes des Festkörperlasermediums 23 liegen.

Der Festkörperlaser gemäß der Erfindung verwendet verschiedene Festkörperlasermaterialien, wie beispielsweise Nd: YAG, Nd: Glas oder Nd: YLF. Optional ist der Festkörperlaser zur Frequenzvervielfachung geeignet, in dem in den Laserresonator ein Frequenzvervielfacher als optisches Element 34 eingesetzt wird, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Impulslicht kann durch Verwendung eines Güteschalters als optisches Element 34 erzeugt werden.

Bezugszeichenliste

2 Halbleiterlasergruppe
4 Spiegel
5 Auskoppelspiegel
6 optische Achse
7 Laserresonatormode
8 Anregungsgebiet
19 Halbleiterlaser
23 Festkörperlasermedium
24 Beugungsgitter
24a Transmissionsbeugungsgitter
24b Reflexionsbeugungsgitter
25 Beugungsgitter
25a Transmissionsbeugungsgitter
25b Reflexionsbeugungsgitter
26 Oberfläche
27 Oberfläche
28 Stablinse
29 Beugungslichtstrahl
30 Beugungslichtstrahl
31 Beugungslichtstrahl
32 Beugungslichtstrahl
33 Beugungslichtstrahl
34 optisches Element
35 Beugungsgitterblock
36 Beugungsgitterblock.

Claims

1. Festkörperlaser, der transversal durch das von Halbleiterlasern ausgesandte Licht angeregt wird, umfassend:

a) ein Festkörperlasermedium (23) in einem Resonator; und
b) zwei beidseitig längs zum Festkörperlasermedium (23) angeordnete Halbleitereinrichtungen mit je einer Vielzahl von in gleichen Abständen zur jeweiligen Seitenfläche des Festkörperlasermediums (23) angeordneten Halbleiterlasern (19);

dadurch gekennzeichnet, daß

c) jeweils eine Stablinse (28) zwischen einer Halbleitereinrichtung und dem Festkörpermedium (23) angeordnet ist; und
d) jeweils ein Beugungsgitter (24, 25) zwischen Stablinse (28) und Festkörpermedium (23) angeordnet ist;

wobei die Beugungsgitter (24, 25) jeweils abwechselnd Transmissionsbeugungsgitter (24a, 25a) und Reflexionsbeugungsgitter (25b, 24b) aufweisen, derart, daß sich jeweils die Reflexionsbeugungsgitter (24a, 25a) und die Transmissionsbeugungsgitter (24b, 25b) auf den beiden Seiten des Halbleiterlasermediums (23) gegenüberliegen.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter (24, 25) jeweils in Berührung mit den Seitenflächen des Festkörperlasermediums (23) angeordnet sind.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stablinsen (28) jeweils eine im Querschnitt halbkreisförmige Stablinse (133) umfaßt und die beiden Beugungsgitter (24, 25) auf der Oberfläche der jeweiligen Stablinse (133) ausgebildet sind.

4. Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stablinse (28, 133) und das Festkörperlasermedium (23) im Brechungsindex angepaßt sind.