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WO1998008279A1 - Optisch gepumpter verstärker, insbesondere festkörper-verstärker - Google Patents

Optisch gepumpter verstärker, insbesondere festkörper-verstärker Download PDF

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Publication number
WO1998008279A1
WO1998008279A1 PCT/EP1997/004430 EP9704430W WO9808279A1 WO 1998008279 A1 WO1998008279 A1 WO 1998008279A1 EP 9704430 W EP9704430 W EP 9704430W WO 9808279 A1 WO9808279 A1 WO 9808279A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
polarization
medium
pump radiation
optically pumped
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP1997/004430
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Keming Du
Peter Loosen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of WO1998008279A1 publication Critical patent/WO1998008279A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H01S3/09415—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode the pumping beam being parallel to the lasing mode of the pumped medium, e.g. end-pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
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    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094084—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light with pump light recycling, i.e. with reinjection of the unused pump light, e.g. by reflectors or circulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • the present invention relates to an optically pumped amplifier, in particular a solid-state amplifier, with an amplification medium and with an optical pump arrangement, via which pump radiation is coupled into the amplification medium transversely to its radiation direction, the pump radiation being shaped before the coupling, and the radiation portion of the pump radiation passing through the gain medium is reflected back into the gain medium by means of a reflection unit.
  • Optically pumped amplifiers of the type specified above are generally known.
  • the axial pump arrangement is used for lasers with an output power up to a few 10W, while the transverse pump arrangement is preferably used for scaling the output power.
  • rod lasers and slave lasers With regard to the geometry of the gain or amplification medium, a distinction must be made between rod lasers and slave lasers.
  • the rod lasers have round output beams, but have large depolarization losses due to thermo-optical effects. These losses reduce the efficiency that can be achieved, particularly when polarized output radiation is desired. There is less depolarization loss in lasers with slab-shaped medium. However, this expectation is only met if a suitable pump jet distribution and cooling arrangement is available or can be provided.
  • the slab-shaped laser medium 1 is pumped by a diode laser stack in that the radiation emanating from each linear diode laser array 3 is coupled into a coupling optics 5 via a cylindrical lens 4.
  • a retro mirror 6 which couples the radiation or power not absorbed during the first passage of the diode laser radiation through the laser medium 1 back into the laser medium. In this way, a double passage through the laser medium 1 is realized.
  • the distribution of the absorbed power density in the pumping direction is shown in FIG. 5 for a coupling efficiency of the pump radiation of 86%.
  • the front edge into which the pump radiation is radiated is indicated by zero, while the rear edge from which the pump radiation emerges is designated by 1. It can be seen from this graphic representation that it is not possible to achieve homogeneous illumination or homogeneous pumping of the slab-shaped laser medium 1 with an acceptable coupling efficiency (greater than 70%) with this pump arrangement.
  • the non-homogeneous distribution of the pump radiation in the laser medium in turn leads to thermo-optical disturbances and thus to reduced beam quality, since there is no desired one-dimensional heat conduction in the slab-shaped laser medium.
  • the present invention is based on the object of solving the problems identified with the aid of the prior art, in particular with regard to those which have been absorbed To homogenize the power density of the pump radiation coupled into a gain medium over the cross section of the solid medium.
  • the pump radiation is at least approximately polarized in that a polarization beam splitter is arranged in the beam path of the pump radiation before being coupled into the amplification medium, to which a mirror is assigned that the radiation component which is guided through the amplification medium by the polarization beam splitter and is not absorbed is reflected back into the amplification medium by the reflection unit in such a way that the radiation component which is not absorbed during this second pass through the amplification medium is guided onto the polarization splitter, the direction of polarization of which Radiation component is rotated, and that this radiation component is guided by the polarization beam splitter to the mirror assigned to it and is reflected back by the latter via the polarization beam splitter into the amplification medium.
  • the principle of the invention is that a suitable pump arrangement pumps a defined volume of the medium with the pump radiation.
  • the polarization property of the pump radiation preferably diode laser radiation, is used in the form of a fourfold passage through the laser medium using a polarization beam splitter.
  • the degree of polarization of the pump radiation should preferably be greater than 80%; this is the case when the gain medium is pumped with diode laser radiation.
  • the direction of polarization can be rotated by means of a ⁇ / 4 plate.
  • the polarization direction of the pump radiation in front of the polarization beam splitter should be arranged or rotated such that it is suitable for the polarization Beam splitter represents a p-polarization, ie that the direction of polarization is parallel to the plane of incidence.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an optically pumped solid-state amplifier
  • FIG. 2 shows a further arrangement, which is based in principle on the arrangement of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a third arrangement in which diode laser radiation is used as pump radiation
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the power absorbed in the amplifier medium with respect to the relative position in the amplifier medium along the direction of the pump radiation with a double passage of the pump radiation through the medium and a four times passage of the pump radiation through the medium.
  • the principle according to the invention is to pump only a defined partial volume of the medium by means of a suitable pump arrangement.
  • a polarized pump source 7 preferably a diode laser field arrangement, as is also shown in FIGS. 1 and 2 is used.
  • Their pump radiation is coupled into the laser medium 10 to be pumped via coupling optics 8 and a polarization beam splitter 9.
  • the radiation not absorbed in the laser medium 10 is applied to the retro-reflection device 11 on the side of the laser medium 10 opposite the polarization beam splitter 9.
  • the direction of polarization is rotated using a ⁇ / 4 plate.
  • the pump radiation which in turn is not absorbed during this second passage through the laser medium 10 leads with a rotated direction of polarization to the polarization beam splitter 9 and is laterally coupled out of the beam path, which is designated by the reference symbol 12, and onto a retro mirror 13.
  • the quadruple passage of the pump radiation shown in the graphic of FIG. 5 with a solid line, in comparison with a double passage, shown in the graphic in FIG. 5 with a broken line, corresponds to a pump arrangement according to the prior art, over the cross section in the direction of the beam path 12 (see Figure 1) can be made more homogeneous.
  • the laser medium is contact-cooled from above and from below, ie perpendicular to the beam path 12 in FIG. 1, and its pump sides are thermally insulated. This means that the homogeneously absorbed power density in the pumping direction leads to one-dimensional heat conduction perpendicular to the pumping direction and thus depolarization losses practically do not occur.
  • the height of the pumped cross section of the laser medium ie perpendicular to the direction of the pump radiation and the laser radiation, can be dimensioned such that it is comparable to the mode radius. This means that a laser with high efficiency and high beam quality can be realized.
  • a pump arrangement for scaling the laser power, can be arranged in a double arrangement, namely in the direction along the axial extent of the laser medium.
  • FIG. 2 Such an embodiment is shown in FIG. 2.
  • the respective pump arrangements are arranged on both sides of the laser medium 10, the corresponding reference numerals, which are also shown and described in FIG. 1, being used for the further components, so that the corresponding explanations for the individual components in FIG. 1 correspond accordingly to the components of FIG Figure 2 transferred.
  • Such an arrangement additionally increases the homogeneity of the absorbed power density in the sense of the integral along the axis of the laser medium.
  • the pump arrangements described above with reference to FIGS. 1 and 2 can be used for all types of optical pumps.
  • An example in which a solid-state amplifier or a laser is pumped with diode laser radiation is shown in FIG. 3.
  • high-power diode lasers preferably emit polarized radiation with a polarization ratio of 20: 1 parallel to the PN junction. Therefore, in the arrangement of FIG. 3, the radiation emitted by a diode laser stack or a diode laser array 14, in which a plurality of linear diode laser emitter arrangements 15 are stacked one on top of the other, is collimated in each case via a cylindrical lens 16 in the almost direction, ie perpendicular to the PN junction - lubricated and used as a pump radiation source.
  • a ⁇ / 2 plate 17 is then inserted into the beam path of the diode laser radiation, which is used to rotate the polarization the diode laser radiation by 90 °, ie the direction of polarization behind the ⁇ / 2 plate has a p-polarization with respect to the downstream polarizer.
  • the p-polarized diode laser radiation is coupled into the laser medium 20 via a polarizer 19.
  • Behind the laser medium 20 there is a ⁇ / 4 plate 21 and a first retro mirror 22. With the retro mirror, the diode laser radiation not absorbed during the first passage through the laser medium 20 is coupled back into the medium 20.
  • the polarization is rotated through 90 ° with two passes through the ⁇ / 4 plate.
  • the diode laser radiation with s-polarization which is not absorbed during the second passage through the laser medium 20, ie after reflection from the retro mirror 22, is reflected by the polarizer or the polarization beam splitter 19 to a second retro mirror 23 and from there again coupled back into the laser medium 20 via the polarization splitter for a third pass.
  • the diode laser radiation not absorbed after the third pass through the laser medium 20 is coupled back into the medium by the first retro mirror 22 and at the same time the polarization of the diode laser radiation is p-polarized again.
  • the diode power which has not yet been absorbed after the fourth pass through the laser medium 20 then runs through the polarizer 19 and is considered to be power loss.
  • the advantages of such a pump arrangement lie in the achievable one-dimensional heat conduction, the low depolarization loss, a low thermo-optical disturbance and the possibility of the pumped Adapt volume to the laser volume by using appropriate coupling optics and corresponding retro mirrors 22 and 23 (reference is made to FIG. 3). Furthermore, there is a high degree of efficiency with a high beam quality.
  • the beam quality and intensity distribution from the amplifiers or lasers with a rectangular cross section can be homogenized with mirrors arranged in steps, for example, or adapted to applications by reshaping the beam cross section or dividing it into groups and then regrouping.

Landscapes

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Abstract

Anordnung zur geometrischen Umformung eines Strahlungsfelds, insbesondere eines Strahlungsfelds eines Diodenlaserarrays (14), das sich in z-Richtung ausbreitet, mit einem Strahlungsquerschnitt, der in der einen Richtung, als x-Richtung definiert, die senkrecht zu der z-Richtung verläuft, eine gegenüber der dazu senkrecht stehenden Richtung, als y-Richtung definiert, eine grössere Ausdehnung bei geringerer Strahlqualität aufweist, wobei x, y und z ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, wobei die Strahlung in Strahlungsanteile in x-Richtung gruppiert ist oder wird und die Strahlungsanteile in Bezug auf ihre Strahlquerschnitte umorientiert werden, wobei die Anordnung mindestens zwei reflektive Elemente (22, 23) umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes reflektive Element ein Paar Reflexionsflächen aufweist, die annähernd unter 90 DEG oder gleich zu 90 DEG zueinander stehen, und dieser Öffnungswinkel entgegen der Ausbreitungsrichtung gerichtet ist, und die mit ihrer Schnittlinie annähernd unter 45 DEG zu der x-Richtung orientiert sind.

Description

P a t e n t a n m e l d u n g
"Optisch gepumpter Verstärker, insbesondere Festkörper-Verstärker"
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Verstärker, insbesondere einen Festkörper-Verstärker, mit einem Verstärkungsmedium und mit einer optischen Pumpanordnung, über die Pumpstrahlung in das Verstärkungsmedium quer zu dessen Abstrahlrichtung eingekoppelt wird, wobei die Pumpstrahlung vor der Ein- kopplung geformt wird, und der durch das Verstärkungsmedium hindurchgehende Strahlungsanteil der Pumpstrahlung in das Verstärkungsmedium mittels Reflexionseinheit zurückreflektiert wird.
Optisch gepumpte Verstärker der vorstehend angegebenen Art sind allgemein bekannt.
Die rasanten Entwicklungen von Hochleistungs-Diodenlasern, insbesondere unter den Aspekten von Zuverlässigkeit und Kosten, haben insbesondere dazu geführt, Diodenlaser zum optischen Pumpen von Verstärkern und Lasern einzusetzen. Die Strahleigenschaften und spektralen Eigenschaften von Hochleistungs-Diodenlasern ermöglichen vielfältige Systemkonfigurationen im Vergleich zum Pumpen mit konventionellen Blitz-Lampen bzw. Bogen-Lampen. Im allgemeinen wird die axiale Pumpanordnung für Laser mit einer Ausgangsleistung bis zu einigen 10W verwendet, während die transversale Pumpanordnung für die Skalierung der Ausgangsleistung bevorzugt eingesetzt wird. Bezüglich der Geometrie des Gain- bzw. Verstärkungsmediums ist zwischen Stablasern und Slablasern zu unterscheiden. Die Stablaser haben zwar runde Ausgangsstrahlen, weisen aber große, durch thermooptische Effekte bedingte, Depolarisati- onsverluste auf. Diese Verluste verringern die erzielbare Effizienz, insbesondere dann, wenn polarisierte Ausgangsstrahlung erwünscht ist. Bei Lasern mit slabförmi- gem Medium liegt ein geringerer Depolarisationsverlust vor. Diese Erwartung wird aber nur dann erfüllt, wenn eine geeignete Pumpstrahlverteilung und Kühlanordnung vorliegt bzw. bereitgestellt werden kann.
In Figur 4 ist nun eine Pumpanordnung gemäß dem Stand der Technik für Slab-La- ser beschrieben. Das slabförmige Lasermedium 1 wird von einem Diodenlaserstack gepumpt, indem die von jedem linearen Diodenlaserarray 3 ausgehende Strahlung über jeweils eine Zylinderlinse 4 in eine Kopplungsoptik 5 eingekoppelt wird. An der gegenüberliegenden Seite des Lasermediums 1 ist ein Retrospiegel 6 angeordnet, der die beim ersten Durchgang der Diodenlaserstrahlung durch das Lasermedium 1 nicht absorbierte Strahlung bzw. Leistung in das Lasermedium zurückkoppelt. Hierdurch wird ein zweifacher Durchgang durch das Lasermedium 1 realisiert. Für eine Einkopplungseffizienz der Pumpstrahlung von 86% ist die Verteilung der absorbierten Leistungsdichte in der Pumprichtung in Figur 5 dargestellt. Die vordere Kante, in die die Pumpstrahlung eingestrahlt wird, ist hierbei mit Null angegeben, während die hintere Kante, aus der die Pumpstrahlung austritt, mit 1 bezeichnet ist. Aus dieser graphischen Darstellung ist zu erkennen, daß es nicht möglich ist, mit dieser Pumpanordnung eine homogene Beleuchtung bzw. ein homogenes Pumpen des slabförmigen Lasermediums 1 bei einer annehmbaren Kopplungsefftzienz (größer 70%) zu erreichen. Die nicht homogene Verteilung der Pumpstrahlung in dem Lasermedium führt wiederum zu thermooptischen Störungen und somit zur verringerten Strahlqualität, da eine anzustrebende eindimensionale Wärmeleitung in dem slabförmigen Lasermedium nicht vorliegt.
Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die anhand des Stands der Technik aufgezeigten Probleme zu lösen, insbesondere dahingehend, die absorbierte Leistungsdichte der in ein Verstärkungsmedium eingekoppelten Pumpstrahlung über den Querschnitt des Festkörpermediums zu homogenisieren.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem optischen Verstärker der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß die Pumpstrahlung zumindest annähernd polarisiert ist, daß im Strahlengang der Pumpstrahlung vor der Einkopplung in das Verstärkungsmedium ein Polarisations-Strahlteiler angeordnet ist, dem ein Spiegel zugeordnet ist, daß der Strahlungsanteil, der von dem Polarisations-Strahlteiler durch das Verstärkungsmedium hindurchgeführt und nicht absorbiert wird, so von der Reflexionseinheit in das Verstärkungsmedium zurückreflektiert wird, daß der bei diesem zweiten Durchgang durch das Verstärkungsmedium nicht absorbierte Strahlungsanteil auf den Polarisationsteiler geführt wird, wobei die Polarisationsrichtung dieses Strahlungsanteils gedreht wird, und daß dieser Strahlungsanteil von dem Polarisations-Strahlteiler zu dem ihm zugeordneten Spiegel geführt und von diesem zurück über den Polarisations-Strahlteiler in das Verstärkungsmedium reflektiert wird.
Das Prinzip der Erfindung liegt darin, daß durch eine geeignete Pumpanordnung ein nur definiert partielles Volumen des Mediums mit der Pumpstrahlung gepumpt wird. Hierbei wird zur Erhöhung der Homogenität der Pumpleistungsverteilung die Polarisationseigenschaft der Pumpstrahlung, wobei vorzugsweise Diodenlaserstrahlung eingesetzt wird, in Form eines vierfachen Durchgangs durch das Lasermedium unter Verwendung eines Polarisations-Strahlteilers ausgenutzt.
Vorzugsweise sollte bereits der Polarisationsgrad der Pumpstrahlung größer als 80% betragen; dies ist der Fall, wenn das Verstärkungsmedium mit Diodenlaserstrahlung gepumpt wird.
In einer einfachen Anordnung kann die Drehung der Polarisationsrichtung mittels einer λ/4-Platte erfolgen.
Damit ein einfacher Aufbau erreicht wird, sollte die Polarisationsrichtung der Pumpstrahlung vor dem Polarisations-Strahlteiler, und zwar vor dem ersten Durchgang dort hindurch, so angeordnet bzw. gedreht werden, daß sie für den Polarisations- Strahlteiler eine p-Polarisation, d.h. daß die Polarisationsrichtung parallel zu der Einfallsebene steht, darstellt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere auch im Vergleich zu dem Stand der Technik. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines optisch gepumpten Festkörper-Verstärkers,
Figur 2 eine weitere Anordnung, die in ihrem Prinzip auf der Anordnung der Figur 1 basiert,
Figur 3 eine dritte Anordnung, bei der als Pumpstrahlung Diodenlaserstrahlung eingesetzt wird,
Figur 4 einen Festkörperlaser, der mit Diodenlaserstrahlung gepumpt wird, nach dem Stand der Technik, und
Figur 5 ein Diagramm, das die in dem Verstärkermedium absorbierte Leistung in Bezug auf die relative Position in dem Verstärkungsmedium entlang der Richtung der Pumpstrahlung bei einem zweifachen Durchgang der Pumpstrahlung durch das Medium und einem vierfachen Durchgang der Pumpstrahlung durch das Medium darstellt.
Das erfindungsgemäße Prinzip liegt darin, durch eine geeignete Pumpanordnung nur ein definiert partielles Volumen des Mediums zu pumpen. Hierbei wird eine polarisierte Pumpquelle 7, vorzugsweise eine Diodenlaserfeldanordnung, wie sie auch in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, eingesetzt. Deren Pumpstrahlung wird über eine Kopplungsoptik 8 und einen Polarisations-Strahlteiler 9 in das zu pumpende Lasermedium 10 eingekoppelt. Die in dem Lasermedium 10 nicht absorbierte Strahlung wird auf der dem Polarisations-Strahlteiler 9 gegenüberliegenden Seite des Lasermediums 10 an einer Retro-Reflexionseinrichtung 11. Die Drehung der Polarisationsrichtung erfolgt unter Verwendung einer λ/4-Platte. Die bei diesem zweiten Durchgang durch das Lasermedium 10 wiederum nicht absorbierte Pumpstrahlung führt mit einer gedrehten Polarisationsrichtung auf den Polarisations-Strahlteiler 9 und wird aus dem Strahlengang, der mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist, seitlich ausgekoppelt und auf einen Retro-Spiegel 13.
Diese Strahlung führt dann zurück zu dem Polarisations-Strahlteiler 9 und wird, entlang des Strahlengangs 12, wiederum in das Lasermedium 10 eingekoppelt. Durch die Verwendung des Polarisations-Strahlteilers 9, der Retro-Reflexionseinheit 11 mit Polarisationsdrehung und dem Retro-Spiegel 13 wird somit ein Vierfach-Durchgang der Pumpstrahlung durch das Lasermedium ermöglicht. In einem solchen Fall ist die normierte absorbierte Laserleistungsdichte (p) in der Pumprichtung gegeben durch die folgende Gleichung:
p = α [e"αx + e-"21" + e^2'*^ + e^41^]
wobei
α : Absorptionskoeffizient
x : relative Position entlang der Richtung der Pumpstrahlung
I : Breite des slabförmigen Mediums in der Pumpstrahlrichtung
bedeutet.
In Gegenüberstellung dazu ist die normierte absorbierte Leistungsdichte (p) bei einem Zweifach-Durchgang, wie er in Figur 4 dargestellt ist, gegeben durch:
p = α [e- + e^21"0]
Wie nun die Figur 5 zeigt, kann durch den vierfachen Durchgang der Pumpstrahlung, in der Graphik der Figur 5 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, im Vergleich zu einem Zweifach-Durchgang, in der Graphik in Figur 5 mit einer unterbrochenen Linie dargestellt, entsprechend einer Pumpanordnung nach dem Stand der Technik, über dessen Querschnitt in Richtung des Strahlengangs 12 (siehe Figur 1) homogener gestaltet werden. Eine zusätzliche Verbesserung der Homogenität ist darüberhinaus dann gegeben, wenn das Lasermedium von oben und von unten, d.h. senkrecht zu dem Strahlen- gang 12 in Figur 1 , kontaktgekühlt wird und dessen Pumpseiten thermisch isoliert werden. Dies bringt mit sich, daß die homogen absorbierte Leistungsdichte in der Pumprichtung zu einer eindimensionalen Wärmeleitung senkrecht zur Pumprichtung führt und somit Depolarisationsverluste praktisch nicht auftreten. Weiterhin kann die Höhe des gepumpten Querschnitts des Lasermediums, d.h. senkrecht zu der Richtung der Pumpstrahlung und der Laserstrahlung, so dimensioniert werden, daß sie vergleichbar mit dem Modenradius ist. Damit kann ein Laser mit einem hohen Wirkungsgrad bei einer hohen Strahlqualität realisiert werden.
Für eine Skalierung der Laserleistung kann eine Pumpanordnung, wie sie anhand der Figur 1 erläutert ist, in doppelter Anordnung, und zwar in Richtung entlang der axialen Erstreckung des Lasermediums angeordnet werden. Eine solche Ausführungsform ist in Figur 2 gezeigt. Die jeweiligen Pumpanordnungen sind beidseitig des Lasermediums 10 angeordnet, wobei für die weiteren Komponenten die entsprechenden Bezugszeichen, die auch in Figur 1 dargestellt und beschrieben sind, verwendet sind, so daß sich die entsprechenden Ausführungen zu den einzelnen Bauteilen der Figur 1 entsprechend auf die Bauteile der Figur 2 übertragen lassen. Eine solche Anordnung erhöht zusätzlich die Homogenität der absorbierten Leistungsdichte im Sinne des Integrals entlang der Achse des Lasermediums.
Die vorstehend anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Pumpanordnungen können für alle Arten von optischem Pumpen eingesetzt werden. Ein Beispiel, bei dem mit Diodenlaserstrahlung ein Festkörperverstärker bzw. ein Laser gepumpt wird, ist in Figur 3 gezeigt. Es ist bekannt, daß Hochleistungs-Diodenlaser polarisierte Strahlung mit einem Polarisationsverhältnis von 20:1 bevorzugt parallel zum PN-Über- gang emittieren. Daher wird in der Anordnung der Figur 3 die von einem Diodenla- serstack bzw. einem Diodenlaserarray 14, bei dem mehrere lineare Diodenlaseremit- teranordnungen 15 übereinandergestapelt sind, abgegebene Strahlung jeweils über eine Zylinderlinse 16 in der Fastrichtung, d.h. senkrecht zum PN-Übergang, kolli- miert und als Pumpstrahlungsquelle eingesetzt. In den Strahlengang der Diodenlaserstrahlung ist dann eine λ/2-Platte 17 eingesetzt, die zur Drehung der Polarisation der Diodenlaserstrahlung um 90° dient, d.h. die Polarisationsrichtung hinter der λ/2-Platte besitzt eine p-Polarisation bezogen auf den nachgeordneten Polarisator. Mit einer Kopplungsoptik 18 wird die p-polarisierte Diodenlaserstrahlung über einen Polarisator 19 in das Lasermedium 20 eingekoppelt. Hinter dem Lasermedium 20 liegt eine λ/4-Platte 21 sowie ein erster Retro-Spiegel 22. Mit dem Retro-Spiegel wird die beim ersten Durchgang durch das Lasermedium 20 nicht absorbierte Diodenlaserstrahlung zurück in das Medium 20 eingekoppelt. Gleichzeitig wird die Polarisation um 90° bei zweifachem Durchgang durch die λ/4-Platte gedreht. Die beim zweiten Durchgang durch das Lasermedium 20, d.h. nach Reflexion von dem Retro- Spiegel 22, nicht absorbierte Diodenlaserstrahlung mit s-Polarisation wird von dem Polarisator bzw. dem Polarisations-Strahlteiler 19 zu einem zweiten Retro-Spiegel 23 hin reflektiert und von dort wieder zurück über den Polarisationsteiler für einen dritten Durchgang in das Lasermedium 20 eingekoppelt. Die nach dem dritten Durchgang durch das Lasermedium 20 nicht absorbierte Diodenlaserstrahlung wird nochmals von dem ersten Retro-Spiegel 22 zurück in das Medium eingekoppelt und gleichzeitig wird die Polarisation der Diodenlaserstrahlung wieder p-polarisiert. Die nach dem vierten Durchgang durch das Lasermedium 20 noch nicht absorbierte Diodenleistung läuft dann durch den Polarisator 19 hindurch und gilt als Verlustleistung.
Wie insbesondere auch aus Figur 3 ersichtlich ist, liegen die Vorteile einer solchen Pumpanordnung, insbesondere einer Pumpanordnung, mit der ein Lasermedium mittels Diodenlaserstrahlung gepumpt wird, in der erzielbaren, eindimensionalen Wärmeleitung, dem geringen Depolarisationsverlust, einer geringen thermooptischen Störung sowie der Möglichkeit, das gepumpte Volumen an das Laservolumen anzupassen, indem entsprechende Kopplungsoptiken sowie entsprechende Retro-Spiegel 22 und 23 eingesetzt werden (nimmt man auf die Figur 3 Bezug). Weiterhin ist ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Strahlqualität gegeben.
Die Strahlqualität und Intensitätsverteilung aus den Verstärkern bzw. Lasern mit rechteckigem Querschnitt können mit zum Beispiel treppenstufenartig angeordneten Spiegeln homogenisiert bzw. an Anwendungen adaptiert werden, indem der Strahlquerschnitt jeweils umgeformt bzw. in Gruppen unterteilt und dann umgruppiert wird.

Claims

P a t e n t a n m e l d u n g"Optisch gepumpter Verstärker, insbesondere Festkörper-Verstärker"P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Optisch gepumpter Verstärker, insbesondere Festkörper-Verstärker, mit einem Verstärkungsmedium und mit einer optischen Pumpanordnung, über die Pumpstrahlung in das Verstärkungsmedium quer zu dessen Abstrahlrichtung eingekoppelt wird, wobei die Pumpstrahlung vor der Einkopplung geformt wird, und der durch das Verstärkungsmedium hindurchgehende Strahlanteil der Pumpstrahlung in das Verstärkungsmedium mittels Reflexionseinheit zurückreflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung zumindest annähernd polarisiert ist, daß im Strahlengang (12) der Pumpstrahlung vor der Einkopplung in das Verstärkungsmedium (10; 20) ein Polarisations-Strahlteiler (9; 19) angeordnet ist, dem ein Spiegel (13; 23) zugeordnet ist, daß der Strahlanteil, der von dem Polarisations-Strahlteiler (9; 19) durch das Verstärkungsmedium (10; 20) hindurchgeführt und nicht absorbiert wird, so von der Reflexionseinheit (11; 22) in das Verstärkungs- medium (10, 20) zurückreflektiert wird, daß der bei diesem zweiten Durchgang durch das Verstärkungsmedium (10; 20) nicht absorbierte Strahlanteil auf den Polarisationsteiler (9; 19) geführt wird, wobei die Polarisationsrichtung dieses Strahlanteils gedreht wird, und daß dieser Strahlanteil von dem Polarisations-Strahlteiler (9; 10) zu dem ihm zugeordneten Spiegel (13; 23) geführt und von diesem zurück über den Polarisations- Strahlteiler (9, 10) in das Verstärkungsmedium (10; 20) reflektiert wird.
2. Optisch gepumpter Verstärker nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsgrad der Pumpstrahlung größer 80% beträgt.
3. Optisch gepumpter Verstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Polarisationsrichtung bei zweifachem Durchgang durch eine λ/4-Platte erfolgt.
4. Optisch gepumpter Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung der Pumpstrahlung vor dem Polarisations-Strahlteiler (9; 19) vor dem ersten Durchgang dort hindurch so gedreht wird, daß sie für den Polarisations-Strahlteiler (9; 19) eine p-Polarisation darstellt.
5. Optisch gepumpter Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium zwischen zwei Resonanzspiegeln angeordnet ist.
6. Optisch gepumpter Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator in der Richtung der Pumpstrahlung instabil ist und in der Richtung senkrecht dazu stabil ist.
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