DE4141052A1

DE4141052A1 - Festkoerperlaser

Info

Publication number: DE4141052A1
Application number: DE19914141052
Authority: DE
Inventors: Peter Durkin; Peter Dr Peuser
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1993-06-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kompakt aufgebauten Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Laser ist beispielsweise aus der Druckschrift "Laser 89" (New Orleans) durch den Artikel "CW-Frequency-Doubled Nd:YAG Laser with High Efficiency" von W. Rupp und P. Greve bekannt geworden. Die Entwicklung und Herstellung von Hochleistungs-Halbleiterlaserdioden hat den Aufbau von kompakten, leistungsstarken und effizienten Festkörperlasern ermöglicht, wobei die Laserdiode als Pumplichtquelle des Festkörperlasers verwendet wird. Die räumlichen Strahleigenschaften des Festkörperlasers, wie zum Beispiel Divergenz und Strahlprofil sind im Vergleich zu Laserdioden er heblich verbessert. Zur Anregung des Festkörperlasers finden Laserdioden Verwendung, wodurch ein optisch-zu-optischer Wirkungsgrad η von mehr als 40% erreicht werden kann. Da die Emissionswellenlänge der Laserdiode exakt auf ein Absorptionsmaximum des Festkörperkristalls abgestimmt werden kann, wird die thermische Belastung des Laserkristalls im Vergleich zum Lampen pumpen deutlich verringert. Ein lampengepumpter Festkörperlaser liefert beispielsweise im Dauerstrich (cw)-Betrieb 40 W Infrarotlicht, beziehungs weise 14 W grünes Licht im multimode cw-Betrieb, wie aus der vorzitierten Druckschrift hervorgeht.

Der Gesamtwirkungsgrad eines derartigen Systems ist jedoch sehr gering. Mehrere Kilowatt Eingangsleistung sind erforderlich, um einige Watt Aus gangsleistung zu erzeugen. Außerdem benötigen die Komponenten solcher Systeme, wie Pumplampen, Hochspannungsversorgung, Kühlwassersysteme für Lampen und Laserkristall viel Platz. Hinzu kommt noch der Nachteil einer geringen Lebenserwartung der Pumplampen.

Der Resonator eines diodengepumpten Festkörperlasers hat normalerweise einen linearen, einen gefalteten halbmonolithischen oder ringförmigen Auf bau. Von einem halbmonolithischen Aufbau spricht man, wenn ein Spiegel meistens der Einkoppelspiegel - direkt auf dem Laserkristall aufgebracht ist. Der separate Auskoppelspiegel ist mit einer Schicht versehen, die für die Grundwellenlänge eine Transmission von einigen Prozent besitzt. Um das sehr divergente Licht der Halbleiterlaserdiode in den Laserkristall zu fokussieren, muß ein Linsensystem benutzt werden. Dieses Linsensystem ist so optimiert, daß die Überlappung des Pumplichts mit der TEM_oo-Resona tormode im Laserkristall einen effizienten Grundmodenbetrieb gewährlei stet. Dabei soll das Pumplicht möglichst innerhalb des Resonatormodenvolu mens abgebildet werden. Um die Grundfrequenz des Lasers zu verdoppeln, muß bisher ein zusätzlicher nichtlinearer Kristall, beispielsweise ein KTP, in den Resonator eingesetzt werden. Ein Festkörperlaser kann entweder longi tudinal oder transversal mit einer Laserdiode gepumpt werden. Transversal gepumpte Systeme weisen aufgrund der ungünstigen Überlappung von Moden- und Pumpvolumen im allgemeinen einen niedrigeren Wirkungsgrad auf.

Die meisten Festkörperlaser verwenden eine einzelne Laserdiode um den La serkristall zu pumpen. Einige Systeme sind entwickelt worden, die es er lauben, mehr Pumplicht in den Kristall einzukoppeln. In einem solchen li near aufgebauten System wird ein Nd:YAG-Kristall durch zwei GaAlAs-Laser dioden von beiden Seiten gepumpt, wie aus "Solid-State Laser Engineering" von W. Koechner auf Seite 316, Springer Verlag, New York (1988) hervor geht. Der Kristall befindet sich zwischen zwei Spiegeln in der Mitte des Resonators. Ein Auskoppelspiegel außerhalb des Resonators wird benötigt, um das Laserlicht überhaupt auskoppeln zu können, was jedoch eine effizi ente Einkopplung des Pumplichts erschwert.

Eine weitere Möglichkeit, einen Laserresonator longitudinal mit mehreren Laserdioden zu pumpen, ergibt sich durch die Polarisationskopplung zweier Laserdioden, wie es aus dem Artikel "End-pumped Nd:BEL laser performance" von R.Scheps, J. Myers, E.J. Schimitschek and D.F. Heller in Optical Engineering 27, (1988), S. 830 vorgeschlagen wird. Nun führt jedoch die Verwendung eines Strahlteilerwürfels zu Pumplichtverlusten von ca. 30%. Als Alternative schlägt der Stand der Technik die Faserkopplung vor. Hier bei wird das Pumplicht mehrerer Laserdioden mittels Fasern longitudinal in den Laserkristall eingekoppelt. Jedoch auch diese Lösung weist erhebliche Verluste auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper laser der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem nicht nur der Ge samtwirkungsgrad wesentlich verbessert wird, sondern auch der Raumbedarf minimiert, der Gesamtaufbau vielfältig gestaltet und ein Pulsbetrieb er möglicht wird, wobei gleichzeitig der durch die Verlustwärme entstehende Doppelbrechungseffekt eliminiert ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgezeigten Maß nahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbil dungen angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsbei spiele erläutert, die in den Figuren der Zeichnung grafisch skizziert sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels von einem linearen Resonator mit einem nichtlinearen SHG-Kristall,

Fig. 2 ein Schemabild gemäß Fig. 1, jedoch ohne den SHG-Kristall,

Fig. 3 ein Schemabild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels von einem gefalteten Resonator mit einem nichtlinearen SHG-Kristall,

Fig. 4 ein Schemabild gemäß Fig. 3, jedoch ohne den SHG-Kristall,

Fig. 5 ein Schemabild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels von einem ringförmigen Resonator mit einem nichtlinearen SHG-Kristall,

Fig. 6 ein Schemabild gemäß Fig. 5, jedoch ohne den SHG-Kristall,

Fig. 7 ein Schemabild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels von einem ringförmigen Resonator, der aus drei Laserkristallen und einem zusätzlichen Spiegel aufgebaut ist.

Die Fig. 1 veranschaulicht einen linear aufgebauten frequenzverdoppelten Festkörperlaser, in dem zwei mit seltenen Erden dotierte Laserkristalle 3 und 7 als Verstärkungsmedien und Resonatorspiegel im Laserresonator ange ordnet sind. Diese Kristalle 3, 7 besitzen je nach Anordnung einen geeig neten Krümmungsradius r und sind für die Grundfrequenz GF auf der Pump licht-Einkoppelseite hochreflektierend HR und auf der gegenüberliegenden Seite antireflektierend AR beschichtet. Dieses Ausführungsbeispiel eines Festkörperlasers besitzt zwei Hochleistungs-Halbleiterlaserdioden 1 und 9 um die Kristalle 3, 7 gleichzeitig von beiden Seiten des Resonators zu pumpen, womit cw-Betrieb erreicht wird. Die Optik 2, 8 zur Einkopplung des Pumplichts ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt. Ein zur Verdopp lung der Grundfrequenz GF eingesetzter nichtlinearer SHG-Kristall 5 befin det sich etwa in der Mitte des Resonators. Der Laserkristall 7 ist zur Reflexion der Harmonischen SH in den Resonator auf seiner Vorderfläche zusätzlich HR beschichtet. Alternativ kann ein für die SH hochreflektie render Spiegel in den Resonator eingebracht werden, wobei allerdings dann Leistungsverluste auftreten. Ein für die Grundfrequenz AR und die Harmo nische SH HR-vergüteter, leicht gekippter Spiegel 4 im Resonator dient zur Auskopplung der SH. Ein λ/4-Plättchen QWP 6 befindet sich im Resonator, um das sogenannte "green problem" zu vermeiden.

Die Fig. 2 veranschaulicht einen linear aufgebauten Festkörperlaser wie in Fig. 1 gezeigt, aber ohne den nichtlinearen SHG-Kristall. Bei dieser Ausführungsform sind beide Kristalle 3, 7 für die Grundfrequenz auf der Pumplicht-Einkoppelseite HR und auf der gegenüberliegenden Seite AR beschichtet. Der Auskoppelspiegel 4 ist auf einer Seite transmittierend und auf der zweiten Seite AR für die Grundfrequenz beschichtet.

Ein Ausführungsbeispiel für eine gefaltete Resonatorform veranschaulicht die Fig. 3. bei diesem gefalteten Aufbau sind zwei Laserkristalle 3, 7 als Verstärkungsmedien und Resonatorspiegel angeordnet. Diese Kristalle haben einen geeigneten Krümmungsradius r, wie bereits erwähnt, und sind für die Grundfrequenz auf der Pumplicht-Einkoppelseite HR und auf der gegenüberliegenden Seite AR beschichtet. Der Festkörperlaser hat wieder zwei Hochleistungs-Halbleiterlaserdioden 1, 9, die die Kristalle 3 und 7 von beiden Seiten des Resonators her gleichzeitig pumpen und jeweils eine Optik 2 und 8 zur Einkopplung des Pumplichts. Ein zur Verdopplung der Grundfrequenz eingesetzter nichtlinearer SHG-Kristall 5 befindet sich in der gefalteten Sektion des Resonators. Um die Harmonische SH aus dem gefalteten Resonator auszukoppeln, wird ein für die Grundfrequenz HR und für die SH HT beschichteter Spiegel 4 verwendet. Zur Rückreflexion der SH durch den Resonator zum Auskoppelspiegel 4 ist ein Laserkristall 7 - wie bereits beschrieben - beschichtet und auch ein λ/4-Plättchen angeordnet.

In Fig. 4 ist im wesentlichen die Ausführungsform gemäß Fig. 3 gezeigt, jedoch ist hier kein nichtlinearer SHG-Kristall eingesetzt. In diesem Fal le sind nun beide Kristalle 3, 7 für die Grundfrequenz GF auf der Pump licht-Einkoppelseite HR und auf der gegenüberliegenden Seite AR beschich tet. Der Auskoppelspiegel 4 hat für die Grundfrequenz GF eine Transmission von einigen Prozent.

Ein Ausführungsbeispiel für einen ringförmigen Resonator zeigt die Fig. 5. Hier werden zwei Laserkristalle 3, 7 zusammen mit zwei Spiegeln 4, 4a eingesetzt. Die genannten Kristalle sind für die Grundfrequenz GF auf der Pumplicht-Einkoppelseite HR und auf der gegenüberliegenden Seite AR be schichtet. Die zwei Spiegel 4, 4a sind für die Grundfrequenz HR beschich tet. Der Spiegel 4a ist zusätzlich HT für die Harmonische SH vergütet, um das Single-Frequency-Licht auszukoppeln. Auch diese Ausführungsform be steht aus zwei Hochleistungs-Halbleiterlaserdioden 1 und 9, den Einkoppel optiken 2 und 8 und dem nichtlinearen Kristall 5. Im Resonator befinden sich außerdem eine Faraday-Zelle 10 und ein λ/2-Plättchen 6a, um das Laserlicht in nur einer Richtung laufen zu lassen.

Die Fig. 6 veranschaulicht einen Ring-Resonator gemäß Fig. 5, aber ohne den nichtlinearen SHG-Kristall. In diesem Fall besitzt der Auskoppelspie gel 4a für die Grundfrequenz eine Transmission von einigen Prozent. In Fig. 7 schließlich ist eine weitere Ausführungsform eines Ringresonators, basierend auf das gemäß Fig. 6 gezeigte System, veranschaulicht. Hierbei ist der Spiegel 4 durch einen dritten Kristall 7a ersetzt. Eine dritte Laserdiode 11 und ein entsprechendes Optiksystem 12 sind in diesem Falle erforderlich. Auch hier kann zur Frequenzverdopplung ein nichtlinearer SHG-Kristall eingesetzt werden.

In alle vorgenannten Resonatoren kann ein Güteschalter eingesetzt werden, so daß ein gepulster Betrieb bei hohen Pulsleistungen gewährleistet ist. Durch den nichtlinearen SHG-Kristall 5 wird eine zweite Harmonische SH erzeugt, die ausgekoppelt wird und durch das λ/4-Plättchen 6, das sich im Resonator befindet, wird eine Modulation der SH vermieden.

Claims

1. Kompakt aufgebauter Festkörperlaser, dessen Resonator linear, ge faltet oder ringförmig ausgebildet ist und dem als Pumplichtquelle Hoch leistungs-Halbleiterlaserdioden zugeordnet sind, dadurch gekennzeich net, daß zur Erzeugung von Laserlicht hoher Leistung im cw-Betrieb zwei oder mehr mit seltenen Erden dotierte Laserkristalle (3, 7) als Verstär kungsmedien und Resonatorspiegel angeordnet sind, denen von beiden Sei ten her Pumplicht von Hochleistungs-Halbleiterdioden (1, 9) über je eine Einkoppeloptik (2, 8) zugeführt wird und in der Resonatormitte ein nichtlinearer SHG-Kristall (5) angeordnet ist, dem auf der einen Seite zur Auskopplung der Harmonischen SH ein für die Grundfrequenz AR und die SH hochreflektierend (HR) vergüteter Spiegel (4) in leicht gekippter Stellung und auf der anderen Seite ein λ/4-Plättchen QWP (6) zugeord net ist.

2. Kompakt aufgebauter Festkörperlaser, dessen Resonator linear, ge faltet oder ringförmig ausgebildet ist und dem als Pumplichtquelle Hoch leistungs-Halbleiterlaserdioden zugeordnet sind, dadurch gekennzeich net, daß zur Erzeugung von Laserlicht hoher Leistung im cw-Betrieb zwei oder mehr mit seltenen Erden dotierte Laserkristalle (3, 7) als Verstär kungsmedien und Resonatorspiegel angeordnet sind, denen von beiden Sei ten her Pumplicht von Hochleistungs-Halbleiterdioden (1, 9) über je eine Einkoppeloptik (2, 8) zugeführt wird und beide Kristalle (3, 7) für die Grundfrequenz auf der Pumplicht-Einkoppelseite (HR) und auf der gegen überliegenden Seite (AR) beschichtet sind und zwischen beiden (3, 7) in leicht gekippter Stellung ein Auskoppelspiegel (4) für die Ausgangslei stung, der auf einer Seite transmittierend und auf der anderen Seite (AR) für die Grundfrequenz beschichtet ist, sowie ein λ/4-Plättchen QWP (6) zugeordnet sind.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Seltenen Erden dotierten Laserkristalle (3, 7) an ihrer der Einkoppeloptik (2, 8) zugewandten Seite mit einem bestimmten Krümmungs radius versehen und für die Grundfrequenz (GF) hochreflektierend (HR) und für das Pumplicht (AR) sowie auf der gegenüberliegenden planen Seite für die Grundfrequenz (AR) beschichtet sind und der Auskoppelspiegel (4) auf einer Seite transmittierend und auf der anderen Seite (AR) für die Grundfrequenz (GF) beschichtet ist.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die als Spiegel und Verstärkungsmedien dienenden Laserkristalle (3, 7) Nd:YAG-Kristalle oder andere mit seltenen Erden dotierte Lasermaterialien sind.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß in den von den Laserkristallen (3, 7) gebildeten Resonator zur Verdopplung der Grundfrequenz (GF) des Lasers zusätzlich ein KTP-Kristall positioniert ist.

6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß in dem von den Laserkristallen (3, 7) gebildeten Resonator für einen Pulsbetrieb ein Güteschalter angeordnet ist.

7. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Bildung eines gefalteten oder ringförmigen Resonators den Laserkristallen (3, 7) ein oder mehrere entsprechend beschichtete Umlenkspiegel (4, 4a,) zugeordnet sind.

8. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß in dem von den Laserkristallen (3, 7) und den Umlenkspie geln (4, 4a) gebildeten ringförmigen Resonator ein Faraday-Rotator (10) und ein λ/4-Plättchen (6) positioniert sind.

9. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der ringförmige Resonator aus drei Laserkristallstäben (3, 7, 7a) und einem entsprechend beschichteten Spiegel (4, 4a) gebildet wird.

10. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß den Nd:YAG-Kristallen (3, 7) ein 90°-Rotator und ein Brewster-Plättchen zur Erzielung einer reinen TEM_oo-mode zugeordnet sind.