DE60305065T2

DE60305065T2 - Optisch, ausserhalb der maximalen absorption gepumptes yttriumorthovanadat

Info

Publication number: DE60305065T2
Application number: DE60305065T
Authority: DE
Inventors: David Stuart San Jose BUTTERWORTH
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-11-03
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: US6898231B2; WO2004049523A3; US20050157771A1; WO2004049523A2; EP1565970A2; US7203214B2; DE60305065D1; WO2004049523B1; ATE325453T1; EP1565970B1; US20040101015A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das optische Pumpen eines mit Neodym dotierten Yttrium-Orthovanadat-(Nd:YVO₄)-Verstärkungsmediums zum Erzeugen von Laserstrahlung in einem Laserresonator mit diesem Verstärkungsmedium. Die Erfindung betrifft insbesondere das Endpumpen eines Nd:YVO₄-Stabs oder -Kristalls mit Diodenlaserstrahlung mit einer Wellenlänge, für die die Absorption in Nd:YVO₄ geringer als die Absorption bei der Spitzenabsorptionswellenlänge von etwa 808 nm ist.
ERÖRTERUNG DES TECHNISCHEN HINTERGRUNDS
Nd:YVO₄, das von Fachleuten häufig einfach Yttriumvanadat genannt wird, ist ein bevorzugtes Verstärkungsmedium zum Erzeugen von Fundamentalstrahlung eines Lasers mit einer Wellenlänge von etwa 1064 Nanometern (nm). Die Fundamentalstrahlung kann entweder direkt verwendet oder frequenzkonvertiert werden, um zweite und höhere harmonische Wellenlängen zu erzielen. Die Strahlung kann auch in nichtharmonische Wellenlängen in einer optischen parametrischen Oszillatoranordnung (OPO) oder dergleichen konvertiert werden. Yttriumvanadat wird gewöhnlich durch Strahlung von einem Diodenlaser oder einer Anordnung von Diodenlasern optisch gepumpt, der/die Strahlung mit einer Wellenlänge von 808 nm emittiert/-en, bei der es sich um eine Spitzenabsorptionswellenlänge in Nd:YVO₄ handelt. Die optische Pumpstrahlung wird von dem Yttriumvanadat-Verstärkungsmedium absorbiert, so dass Elektronen des Verstärkungsmediums in einen Erregungszustand versetzt werden. Die Elektronen im erregten Zustand setzen danach Energie frei, die vom optischen Pumpen als Fundamentalstrahlung des Lasers erfasst wird. Ein gewisser Anteil der von dem Verstärkungsmedium absorbierten Pumpstrahlungsenergie trägt nicht zum Erregen von Elektronen bei und erhitzt das Kristall.
Ein Yttriumvanadat-Kristall ist ein tetragonales Kristall mit zueinander lotrechten X-, Y- und Z- (alternativ a, b und c) Kristallachsen. Yttriumvanadat-Kristalle für die Verwendung als optische Verstärkungselemente in Lasern werden gewöhnlich von einer viel größeren Kristallkugel aus dem Material abgeschnitten. Die Kugel wird gewöhnlich mit einem Czochralski-Verfahren gezüchtet, wobei die Kugel entlang der Z-Achse gezüchtet wird. Es werden Scheiben von der Kugel lotrecht zur Z-Achse (Wachstumsrichtung) abgeschnitten und die Scheiben werden für die Verwendung als Verstärkungselemente zu rechteckigen Parallelepipeden geschnitten. Diese Verstärkungselemente (Kristalle) werden so zugeschnitten, dass sie eine Längsachse haben, die lotrecht zur Z-Achse des Kristalls verläuft, wobei entweder die X-Z-Ebenen oder die Y-Y-Ebenen parallel zur Längsachse verlaufen und so angeordnet sind, dass sich bei Platzierung in einem Laserresonator Laserstrahlung durch das Kristall in einer X-Y-Ebene lotrecht zur Z-Achse ausbreitet.
Eine bevorzugte Anordnung zum optischen Pumpen von Yttriumvanadat mit Diodenlaserstrahlung wird von Fachleuten als „Endpumpen" bezeichnet. Beim Endpumpen wird optische Pumpstrahlung dem Kristall allgemein entlang einer Achse zugeführt, die auf die Ausbreitungsachse (der Resonatorachse) der Laserstrahlung im Laserresonator ausgerichtet ist. Dieses Verfahren wird bevorzugt, da es eine effiziente Abstimmung des optischen Pumplichts mit dem Modenvolumen der sich durch das Kristall ausbreitenden Laserstrahlung ermöglicht. Dadurch wird die Effizienz des Lasers optimiert und dies trägt zur Optimierung der Qualität eines Strahlenbündels von von dem Laser zugeführter Laserstrahlung bei.
Es wurde gefunden, dass bei dieser Endpumpenanordnung die Neigung besteht, dass der Yttriumvanadat-Kristall beim Betrieb reißt oder völlig zerbricht. Diese Neigung wird noch stärker, wenn die Pumpleistung in einem bestimmten Modenvolumen erhöht wird. Reißen und Brechen können jedoch bei einer Pumpleistung auftreten, die geringer ist als die, die als optimal angesehen wird, oder nach einer kurzen Betriebsperiode, wenn nicht sofort. Dadurch können unter anderem Probleme beim Bereitstellen eines effizienten Lasers entstehen, indem die maximale Leistung begrenzt wird, die zuverlässig von einem bestimmten Laserdesign gewonnen werden kann, oder indem Material- und Herstellungskosten für einen kommerziellen Hersteller von Lasern auf Yttriumvanadatbasis erhöht werden.
Man ist der Ansicht, dass eine Erklärung für die Reißtendenz der Yttriumvanadat-Kristalle in der Art und Weise zu finden ist, in der Pumplicht in einem Kristall in einer typischen Pumpanordnung des Standes der Technik absorbiert wird. Eine solche Pumpanordnung des Standes der Technik ist in 1 dargestellt. Hier beinhaltet ein Laser 20 einen Laserresonator 22, der von Spiegeln 24 und 26 terminiert wird. Der Resonator 22 beinhaltet ein Yttriumvanadat-Kristall 28. Der Resonator 22 hat eine Längsachse 30. Ein Nd:YVO₄-Kristall 28 wird im Resonator 22 so angeordnet, dass die X-Achse des Kristalls mit der Resonatorachse 30 fluchtet. Der Spiegel 24 ist zur Erzielung einer maximalen Reflexion bei Laserwellenlänge und einer maximaler Transmission bei Pumplichtwellenlänge beschichtet. Der Spiegel 26 ist bei der Laserwellenlänge teildurchlässig, um die Laserstrahlung aus dem Resonator 22 zu koppeln.
Das Pumplicht 32 zum optischen Pumpen des Kristalls 28 wird von einer Diodenlaseranordnung (nicht dargestellt) über eine Glasfaser 34 zugeführt. Pumplicht 32 ist infolge des Durchlaufens der Glasfaser 34 unpolarisiert. Das Pumplicht hat gewöhnlich eine Wellenlänge von 808 nm. Nd:YVO₄ hat eine starke Absorptionsspitze bei dieser Wellenlänge. Das Pumplicht wird von einer Linse 36 durch den Spiegel 24 in das Yttriumvanadat-Kristall 28 fokussiert. Die infolge des optischen Pumpens erzeugte Laserstrahlung zirkuliert im Resonator 22 über dessen Längsachse 30, wie die Pfeile F andeuten. Die Laserstrahlung ist in der Y-Z-Ebene des Kristalls ebenenpolarisiert, wie die Pfeile P andeuten. Die Strahlung F verlässt den Resonator 22 über den Spiegel 26 als Ausgangsstrahlung.
Pumplicht 32 wird typischerweise in den ersten ein oder zwei Millimetern (mm) des Kristalls absorbiert und in einem Kreis zwischen etwa 800 und 900 Mikrometern (μm) um die Y-Achse oder die X-Achse, je nach Kristallschnitt, konzentriert. Diese konzentrierte Absorption bewirkt eine radiale Beanspruchung in der Nähe des Endes des Kristalls, die so groß sein kann, dass das Kristall entlang der X-Y-Ebene bricht (sich spaltet). Eine ausführlichere Beschreibung dieses Spaltmechanismus befindet sich in der am 18. Januar 2002 eingereichten mitanhängigen Anmeldung Nr. 10/051,215, die der Zessionarin der vorliegenden Erfindung zugewiesen ist. Es besteht Bedarf an einer Endpumpenanordnung für Yttriumvanadat-Kristalle, die die Neigung der Kristalle reduzieren kann, sich infolge von durch starkes optisches Pumpen verursachte Beanspruchungen zu spalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, die in Anspruch 1 definiert ist, betrifft die Reduzierung von Wärmebeanspruchungen in Nd:YVO₄-Kristallen oder -Stäben infolge von Endpumpen mit Licht bei der Spitzenabsorptionswellenlänge von etwa 808 nm. Das Ergebnis wird durch optisches Endpumpen bei einer Wellenlänge erzielt, bei der die Absorption geringer ist als etwa 0,35 (35%) der Absorption bei 808 nm. Ein bevorzugter Wellenlängenbereich liegt zwischen etwa 814 und 825 nm.
Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2–4 definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Begleitzeichnungen, die in der Spezifikation enthalten sind und Bestandteil davon bilden, illustrieren schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und sollen, zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen Beschreibung und der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung, die Grundsätze der vorliegenden Erfindung erläutern.
1 illustriert schematisch einen Laser des Standes der Technik mit einem Resonator, der ein Nd:YVO₄-Kristall als Verstärkungselement hat, wobei das Verstärkungselement mit unpolarisiertem Licht mit einer Wellenlänge von 808 nm endgepumpt wird.
2 ist ein Graph, der schematisch Absorption in Abhängigkeit von Wellenlänge und Polarisationsorientierung für Nd:YVO₄ in einem Wellenlängenbereich zwischen 800 und 830 nm illustriert.
3 illustriert schematisch einen Laser gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Laser von 1, wobei jedoch das Nd:YVO₄-Verstärkungselement mit unpolarisiertem Licht mit einer Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich zwischen 814 nm und 821 nm endgepumpt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie oben erörtert, hat mit Neodym dotiertes Yttriumvanadat eine starke Absorptionsspitze bei einer Wellenlänge von etwa 808 nm. Dies ist in 2 grafisch dargestellt, in der die Kurven A, B und C die relative Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge für Nd:YVO₄ in einem Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 830 nm veranschaulichen. Die Kurven A und B zeigen jeweils die relativen π und σ-Absorptionskoeffizienten des Nd:YVO₄, d.h. die relativen Absorptionskoeffizienten für Licht, das jeweils parallel und lotrecht zur Z-Achse eines Nd:YVO₄-Kristalls ebenenpolarisiert ist. Kurve C zeigt den Durchschnitt der Kurven A und B und entspricht demgemäß der relativen Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge für unpolarisiertes Licht.
Die Kurven A, B und C haben eine starke, relativ enge Absorptionsspitze bei einer Wellenlänge von etwa 808 nm. Diese Wellenlänge ist, wie oben erörtert, die Wellenlänge, bei der mit einer Diode des Standes der Technik gepumpte Nd:YVO₄-Laser gewöhnlich optisch gepumpt werden. Es ist ersichtlich, dass der π-Absorptionskoeffizient bei einer Wellenlänge von 808 nm mehr als das Zweifache des σ-Absorptionskoeffizienten beträgt. In einem mit unpolarisiertem Licht optisch gepumpten Nd:YVO₄-Kristall erzeugt diese Absorptionskoeffizientendifferenz eine Differentialbeanspruchung in dem Kristall, die zum Reißen oder sogar zum Spalten des Kristalls führen kann.
Nun mit Bezug auf 3, unter weiterer Bezugnahme auf 2, eine bevorzugte Ausgestaltung eines endgepumpten Nd:YVO₄-Lasers 40 gemäß der vorliegenden Erfindung ist dem Laser 20 von 1 ähnlich, mit der Ausnahme, dass das Nd:YVO₄-Kristall 28 durch unpolarisiertes Licht 33 mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen etwa 814 und 825 nm optisch gepumpt wird. Es ist ersichtlich, dass bei diesem Wellenlängenbereich der Absorptionskoeffizient für unpolarisiertes Licht (Kurve C) eine relativ langsam variierende Funktion der Wellenlänge mit einem Nennwert von etwa einem Fünftel von dem bei der Spitze von 808 nm ist. Ferner gibt es innerhalb dieses Bereichs einen Unterbereich zwischen etwa 816 und 820 nm, in dem die π- und σ-Absorptionskoeffizienten eine ähnliche Größe haben und ebenfalls relativ langsam mit der Wellenlänge variieren. Eine bevorzugte Pumplichtwellenlänge in diesem Bereich ist 818 nm. Bei dieser Wellenlänge sind die π- und σ-Absorptionskoeffizienten etwa gleich.
Da der relative Absorptionskoeffizient von Nd:YVO₄ für unpolarisiertes Licht im Wellenlängenbereich von 814 nm bis 825 nm etwa ein Fünftel von dem bei 808 nm beträgt, kann Pumplicht 33 etwa fünf Mal weiter (für denselben Nd-Dotierungsprozentanteil) in das Kristall eindringen als 808 nm Pumplicht 32 von 1. Demzufolge wird die Wärmebelastung auf das Kristall 28 bei derselben Pumpleistung über ein weitaus größeres Volumen des Kristalls mit Pumplicht 33 mit einer Wellenlänge von 818 nm verteilt, als dies mit Pumplicht 32 mit einer Wellenlänge von 808 nm der Fall wäre. Dadurch wird die Radialbeanspruchung im Kristall 28 erheblich reduziert und die Möglichkeit einer Spaltung entsprechend reduziert.
Man ist der Ansicht, dass ein Nd:YVO₄-Kristall, wenn es mit Licht mit einer beliebigen Wellenlänge gepumpt wird, bei der eine Absorption im Kristall für einen beliebigen Polarisationszustand geringer ist als etwa 35% des Spitzenwertes für diesen Polarisationszustand, erheblich geringere Beanspruchungen erfährt als dann, wenn das Kristall mit Licht bei der Spitzenabsorptionswellenlänge gepumpt würde. Der vom Pumpen resultierende Leistungsausgang hängt natürlich, unter anderem, von den Abmessungen des Kristalls, von der Nd- (Dotierungs-) Konzentration im Kristall und der Resonatorkonfiguration ab, in der sich das Kristall befindet.
Die Kristalllänge wird vorzugsweise so gewählt, dass sie ausreicht, damit das gesamte Pumplicht darin absorbiert wird. So wird beispielsweise ein Kristall von 5 mm oder größer bevorzugt. Die Kristalllänge kann dadurch reduziert werden, dass teilrückstrahlende Enden davon bereitgestellt werden, so dass Pumplicht das Kristall axial in entgegengesetzten Richtungen durchquert.
Das erfindungsgemäße Nd:YVO₄-Pumpverfahren mit einer Absorption unter der Spitzenwellenlänge wurde der Übersichtlichkeit halber in Zusammenhang mit einem einfachen, geraden Stehwellen-Laserresonator beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch gleichermaßen auch auf ein Endpumpen von Nd:YVO₄ in einem beliebigen Resonator einschließlich mehrfach gefalteten Resonatoren und Laufwellenresonatoren sowie Stehwellenresonatoren anwendbar. Die Resonatoren können CW-Resonatoren oder Impulsresonatoren sein, die in einer Q-geschalteten oder passiv modengesperrten Mode betrieben werden können. Da solche Resonatoren in der Technik hinlänglich bekannt sind, wird auf eine ausführliche Beschreibung davon hierin verzichtet.
In einem Experiment riss ein Nd:YVO₄-Kristall mit einer Nd-Ionenkonzentration von 0,5% (ein 0,5%-dotiertes Nd:YVO₄-Kristall) mit einer Länge von etwa 9 Millimetern (mm) und einem Querschnitt von etwa 15 mm² in einem Linearresonator, wenn an jedem Ende mit 22 Watt (W) unpolarisierte 808 nm Strahlung gepumpt wurde. Dies begrenzte den durchschnittlichen Leistungsausgang des Resonators bei einer Wellenlänge von 1064 nm auf etwa 20 W. Ein Nd:YVO₄-Kristall derselben Abmessungen könnte, im selben Resonator, kontinuierlich ohne Schäden mit unpolarisierter 816 nm Strahlung mit einer Leistung von bis zu 35 W an jedem Ende gepumpt werden, was eine Ausgangsleistung bei 1064 nm von etwa 32 W ergibt. Es wurde beobachtet, dass Thermal-Lensing in dem Kristall, wenn bei 816 nm gepumpt wurde, um einen Faktor von zwei geringer war als Thermal-Lensing, wenn bei 808 nm Strahlung gepumpt wurde.
Es ist hier zu bemerken, dass das Nd:YVO₄-Pumpverfahren der vorliegenden Erfindung mit Absorption unter der Spitzenwellenlänge nicht auf Nd:YVO₄-Kristalle mit einer Nd-Ionenkonzentration von 0,5% begrenzt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gleichermaßen auf Kristalle mit einer Nd-Ionenkonzentration von 0,5% oder höher anwendbar. Die tiefere Nd-Ionenkonzentration wurde in bei 808 nm gepumpten Nd:YVO₄-Lasern des Standes der Technik angewendet, um Effizienzverluste aufgrund von parasitären selbsttätigen Aufwärtskonversions-Fluoreszenzeffekten bei hohen Pumpleistungen zu vermeiden. Diese Effekte sind besonders in Lasern problematisch, die durch Speichern von Energie in einem Verstärkungselement arbeiten, z.B. Q-geschaltete oder modengesperrte Laser.
In dem oben beschriebenen Experiment wurden keine Effizienzverluste festgestellt, wenn die Pumpleistung von 44 W insgesamt (2 × 22 W) auf 70 W insgesamt (2 × 35 W) erhöht wurde. Demgemäß ist man der Ansicht, dass das Nd:YVO₄-Pumpverfahren der vorliegenden Erfindung mit Absorption unter der Spitzenwellenlänge auch ein Verfahren ergibt, mit dem Effizienzverluste aufgrund von parasitären Aufwärtskonversionseffekten vermieden werden können, unabhängig von Wärmeeffekten und unabhängig vom Polarisationszustand des Pumplichts.
Die vorliegende Erfindung wurde oben im Hinblick auf bevorzugte und andere Ausgestaltungen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hierin beschriebenen und veranschaulichten Ausgestaltungen begrenzt. Die Erfindung ist stattdessen lediglich durch die beiliegenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Laser, der Folgendes umfasst: einen Laserresonator (24, 26) mit einem Verstärkungselement (28) aus Nd:YVO₄, wobei der genannte Laser wenigstens eine Pumplichtquelle (34) zum Endpumpen des Verstärkungselementes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verstärkungselement (28) eine Dotierungskonzentration von wenigstens 0,5% und eine Länge von wenigstens 5 mm hat und die Wellenlänge des Pumplichts von der/den Pumpquelle(n) (34) zwischen 814 und 825 Nanometern liegt, um Bruch des Verstärkungselementes (28) zu reduzieren, so dass die wenigstens eine Pumpquelle betrieben werden kann, um dem Verstärkungselement (28) eine Leistung von 22 Watt oder mehr zu liefern.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Pumplichtwellenlänge 818 Nanometer beträgt.
Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumplicht unpolarisiert ist.
Laser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumplicht durch Lichtleitfaser zugeführt wird.