DE4411599A1

DE4411599A1 - Festkörperlaseranordnung

Info

Publication number: DE4411599A1
Application number: DE19944411599
Authority: DE
Inventors: Thomas Brand
Original assignee: FESTKOERPER LASER INST BERLIN
Current assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1994-04-02
Filing date: 1994-04-02
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2014-04-03
Also published as: DE4411599C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaseranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Bei Hochleistungsfestkörperlasern, die mit Laserdioden angeregt werden, besteht das Problem, daß die von vielen Laserdioden emittierte Pumpleistung in den Laserkristall übertragen werden muß. Die Pumpstrahlung wird von den Laserdiodenanordnungen im allgemeinen mit einer hohen Divergenz (von z. B. 45°) emittiert, die dazu führt, daß schon nach einer kurzen Strecke eine Fläche bestrahlt wird, die die Ausdehnung des Laserelements übertrifft, so daß ein effizienter Transfer der Pumpleistung in das Laserelement nicht mehr gewährleistet ist.

Verwendet man als Laserelement einen stabförmigen Laserkristall, besteht eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, darin, mehrere lineare Anordnungen von Laserdioden möglichst nahe an die Oberfläche des Kristalls, bzw. der ihn umgebenden Elemente zur Führung des Kühlwassers zu bringen. Nach dem Stand der Technik wird dann eine sternförmige Anordnung benutzt, bei der sich die einzelnen Laserdiodenelemente auf dem Umfang des zylinderförmigen Elements befinden und in Richtung des Stabmittelpunktes strahlen. Durch die Brechung des Pumplichts an der Grenzfläche tritt eine gewisse Bündelung der Pumpstrahlung in Richtung des Stabmittelpunktes ein. Begrenzend wirkt hier der Umfang des Elements, der nur eine eingeschränkte Zahl von Pumpanordnungen und damit maximale Pumpleistung pro Längeneinheit zuläßt. Da eine hohe Pumpleistungsdichte in Lasermedien angestrebt wird, diese aber im Gegensatz zum Umfang, der linear mit dem Radius zunimmt, quadratisch mit dem Radius abnimmt, möchte man den Radius des Laserstabes vergleichsweise klein halten. Außerdem wird die erreichbare Strahlqualität des Laserstrahls des Festkörperlasers mit größer werdendem Durchmesser ungünstig beeinflußt. Da zudem die Länge eines Laserkristalls herstellungstechnisch beschränkt ist, ist die mit dieser Anordnung zu erreichende Ausgangsleistung des Festkörperlasers durch die Geometrie der Anordnung begrenzt.

Will man zur Erhöhung der Ausgangsleistung des Lasers die Anzahl der Laserdioden auf dem Stabumfang trotzdem erhöhen, kann also nur der Abstand zur Oberfläche vergrößert werden. Um die stark divergente Pumpstrahlung dennoch in den Laserkristall zu richten, werden bisher Abbildungslinsen mit hoher numerischer Apertur verwendet, die die Anordnung erheblich komplizieren, verteuern und anfällig gegen mechanische Störungen machen.

Für höchste Ausgangsleistungen wird meist ein rechteckiges Laserelement, ein sogenannter Slab-Kristall verwendet. Bei diesem stehen zwei große, sich gegenüberliegende, polierte Seitenflächen zur Einstrahlung der Pumpleistung zur Verfügung. Zum Pumpen eines Kristalls dieser Geometrie werden die Laserdioden zu speziellen zweidimensionalen Anordnungen gestapelt, die mehrere cm² Ausdehnung erreichen können. Ziel solcher Anordnungen ist es, eine möglichst hohe Packungsdichte und damit eine maximale Pumpleistung pro Emitterfläche zu erzielen. Neben Stapeln von linearen Laserdiodenanordnungen werden auch zweidimensionale Oberflächenemitter zur Anregung von Slab-Kristallen eingesetzt. Diese monolithisch aufgebauten, flächenhaften Pumpmodule ermöglichen eine erhebliche Reduktion der Produktionskosten, da bei ihrer Herstellung mehrere Arbeitsschritte der Aufbau- und Verbindungstechnik entfallen können.

Slab-Kristalle sind aber durch die Anforderungen an die Qualität der polierten Seiten- und Endflächen sehr viel teurer in der Herstellung als Laserstäbe. Darüberhinaus erfordern sie gegenüber stabförmigen Laserelementen einen erhöhten technischen Aufwand für die Kühlung des Kristalls, sowie für die Resonatorkonfiguration zur Erzielung einer guten Strahlqualität. Deshalb wäre es wünschenswert, zumindest im mittleren Leistungsbereich bis zu einigen hundert Watt Ausgangsleistung die Vorteile der zweidimensionalen Laserdiodenanordnungen mit der einfachen Handhabung und mechanisch stabilen Anordnung eines Stablasersystems zu kombinieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß die von einem zweidimensionalen Pumpmodul hoher Packungsdichte ausgehende, divergierende Pumpstrahlung mittels eines Reflektors in den Laserstab gerichtet wird, ist es möglich, eine sehr viel höhere Pumpleistung pro Stablänge in den Stab zu übertragen, als dies mit einer sternförmigen Anordnung der Pumpmodule der Fall wäre. Die Ausdehnung der Pumpanordnung und des Laserstabes können dabei mittels des Reflektors einander angepaßt werden. Da der Reflektor zusammen mit dem Pumpmodul das Laserelement bis auf die Austrittsstellen des Laserstrahls vollständig umschließen kann, ist eine effektive Übertragung der Pumpleistung der Laserdioden in den Laserkristall gewährleistet. Die spezielle Form eines nicht-abbildenden Reflektors führt dabei zu einer maximalen Konzentration der Pumpstrahlung am Ort des Laserkristalls, und ermöglicht außerdem eine nahezu homogene Ausleuchtung des Laserkristalls. Durch die kompakte Anordnung von Laserelement, Reflektor und Pumpmodul, sowie den Verzicht auf zusätzliche Abbildungsoptiken ergibt sich eine äußerst robuste und handliche und kostengünstige Festkörperlaseranordnung.

Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung erscheint auch besonders im Hinblick auf die dadurch mögliche Standardisierung der Pumpmodule für Stab- und Slablasersysteme und die durch die Erfindung eröffnete Möglichkeit, Stablasersysteme mit Oberflächenemittern zu pumpen, günstig.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Anordnung des hier von einem Element zur Kühlung (4) umgebenen Laserstabes (3), des Reflektors (2) und einer Laserdiodenanordnung (1) im Schnittbild gesehen.

Fig. 2 eine weitere Anordnung von Reflektor (2) und Laserelement (3), bei der der Reflektor an ein Pumpmodul (1) mit größerer Ausdehnung angepaßt wurde.

Fig. 3 eine mögliche Resonatorkonfiguration, bestehend aus hier zwei Laserspiegeln (5), einem Laserdioden-Pumpmodul (1), dem Laserelement (3), sowie gestrichelt angedeutet dem Reflektor (2).

Claims

1. Festkörperlaseranordnung mit mindestens einem Laserelement, mindestens einer Pumplichtquelle mit Reflektor zur Übertragung der Pumpstrahlung in das entsprechende Laserelement, sowie einem Resonator zur Erzielung der Rückkopplung, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumplichtquelle eine großflächige Anordnung von Laserdioden verwendet wird, die im allgemeinen in ihrer Ausdehnung die Ausdehnung des Laserelements erheblich überschreiten kann und deren divergente Strahlung mittels eines das Laserelement umgebenden, zusammen mit der Pumplichtquelle eine möglichst geschlossene Fläche bildenden, nicht-abbildenden Reflektors in das Laserelement gerichtet wird, wobei der Zwischenraum zwischen Pumplichtquelle und Laserelement von einem für die Pumplichtstrahlung transparenten Medium erfüllt sein kann.

2. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiodenmodule auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sind, wodurch die Abstrahlcharakteristik des Pumpmoduls beeinflußt werden kann.

3. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiodenmodule eine variable Packungsdichte aufweisen, mit der die Verteilung des Pumplichts im Laserkristall beeinflußt werden kann.

4. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Resonator mehrere Laserelemente mit entsprechender Pumplichtquelle und Reflektor angeordnet sind.

5. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Modulation des Stroms der Diodenmodule ein gepulster Laserbetrieb erreicht wird.

6. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der Pumpmodule moduliert betrieben wird.

7. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Resonator ein oder mehrere Elemente befinden, mit denen die Güte des Resonators beeinflußt werden kann und somit eine Güteschaltung (Q- switch) realisiert wird.

8. Festkörperlaseranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator entfernt ist und das Laserelement in einer Verstärkeranordnung betrieben wird.