DE3883130T2

DE3883130T2 - Transversal gepumpter modenangepasster Festkörperlaser mit hohem Wirkungsgrad.

Info

Publication number: DE3883130T2
Application number: DE88307895T
Authority: DE
Inventors: Thomas Michael Baer
Original assignee: Spectra Physics Inc
Current assignee: Newport Corp USA
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1988-08-25
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2008-08-26
Also published as: NO884297D0; EP0310241A2; NO884297L; JP2657078B2; JPH01122180A; DE3883130D1; FI884224A0; DK544188A; DK544188D0; EP0310241B1; US4785459A; EP0310241A3; FI884224A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf den Aufbau von Resonatorhohlräumen für Festkörperlaser und insbesondere auf den Aufbau von Resonatorhohlräumen von diodengepumpten Festkörperlasern.
Die üblichen optisch gepumpten Festkörperlaser arbeiten mit Breitbandlampen oder Blitzlampen, um das Festkörperlasermedium in einem Resonatorhohlraum lateral oder transversal zu pumpen. Die Pumprichtung ist transversal oder orthogonal zu der Längsachse des Resonatorhohlraums. Gepumpt wird das Gesamtvolumen, so daß nur geringe Übereinstimmung zwischen dem Pumpvolumen und dem von dem Laserhohlraum definierten TEM&sub0;&sub0;-Modevolumen besteht; Betrieb im TEM&sub0;&sub0;-Mode ist erwünscht. Ein großer Anteil der Energie gelangt in Mediumsbereiche außerhalb des von dem Lasermode eingenommenen Volumens und trägt daher nicht zur Verstärkung des Laserstrahls bei. Der Pumpwirkungsgrad ist daher niedrig (üblicherweise einige Prozent).
Laserdioden stellen wirkungsvolle Pumpquellen dar; man kann eine Vielfalt unterschiedlicher Arten Laserdioden verwenden oder hat sie verwendet, insbesondere Laserdiodenfelder, z.B. Spectra Diode Labs Modell Nr.2410 GaAlAs-Laserdiodenfeld, in welchem eine Mehrzahl Emitter phasenstarr miteinander verbunden sind, und ausgedehnte Emitter-Laserdioden, z.B. Sony Modelle Nr. SLD 301 , 302, 303, 304 Y/W. US-A-4 653 056 und US-A-4 656 635 beschreiben einen vom Ende durch eine Laserdiodenquelle längsgepumpten Festkörperlaser, in welchem das Pumpvolumen an das gewünschte TEM&sub0;&sub0;-Modenvolumen angepaßt wird, um den Pumpwirkungsgrad zu optimieren. Bei der Konstruktion mit Längspumpen vom Ende aus fällt die Pumprichtung zusammen mit der Längsachse des Resonatorhohlraums und kann daher in das Lasermodenvolumen eingepaßt werden. US-A-4 665 529 beschreibt einen Festkörperlaser, in welchem eine Laserdiodenquelle mit Hilfe einer Lichtleitfaser an einen Laserstab gekoppelt ist, um den Laser vom Ende aus longitudinal zu pumpen und modenanzupassen. Angestrebt wird die Herstellung von kleinen, billigen, Hochleistungs-Festkörperlasern.
Die Resonator/Pumpe-Konstruktion hat somit eine Schlüsselfunktion für Aufbau und Leistungsfähigkeit eines Lasers. Anordnungen mit lateralem Pumpen bieten keine Modenanpassung und sind daher uneffizient. Anordnungen mit Endpumpen unter Verwendung von Laserdioden bieten Modenanpassung und somit hohe Leistung. Die bislang erhältlichen Laserdioden zeigten aber häufig nur begrenzte Leistung, üblicherweise unter 1 W. Aber auch bei Laserdiodenquellen mit höherer Leistung begrenzt der endgepumpte Aufbau die Menge der nutzbaren Energie, wodurch die Leistung des Lasers begrenzt ist, weil die Leistungsdichte im Pumpbereich des Verstärkungsmediums zu hoch wird und die erzeugte Wärme nicht abgeführt werden kann. Es ist daher wünschenswert, einen Resonatoraufbau zu entwickeln, bei dem eine Quer- oder Lateralpumpgeometrie verbunden ist mit Modenanpassung des Pumpvolumens an das TEM&sub0;&sub0;-Modenvolumen, weil mit lateralem Pumpen eine höhere Energie in das Medium eingebracht werden kann, während die Modenanpassung die Pumpenergie effektiver nutzt.
Ein weiterer Typ Laserdiode wird gebildet durch eine Mehrzahl von Laserdiodenfeldern, die zu einem Mehrelemente-Stabaufbau verbunden werden. Diese Laserdiodenfeldstäbe weisen typischerweise zehn 1 W-Laserdiodenfelder längs eines 1 cm-Stabes auf; jedes Feld besitzt eine Mehrzahl phasengekoppelter Emitter. Diese Feldstäbe sind nicht geeignet zum Endpumpen eines Festkörperlasers, könnten aber brauchbar sein zum Quer- oder Lateralpumpen eines Festkörperlasers. Werden jedoch die Stäbe als bloßer Ersatz für Bogenlampen verwendet, ergeben sich nur geringe Vorteile. Es ist daher erforderlich, eine Laserresonator/ Pumpen-Konstruktion zu entwickeln, in welcher der Ausgang des Laserdiodenfeldstabes an ein gewünschtes Modenvolumen (TEM&sub0;&sub0;) innerhalb des Festkörperlaser-Materials angepaßt werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen modenangepaßten, transversal diodengepumpten Festkörperlaser zu entwickeln.
Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen modenangepaßten Festkörperlaser zu entwickeln, der von einer Mehrelemente-Laserdioden-Pumpquelle gepumpt wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Festkörperlaser-Resonatorkonstruktion, die ein wirkungsvolles modenangepaßtes Pumpen durch eine Mehrelemente-Laserdioden-Pumpquelle ermöglicht.
Ferner ist ein Ziel der Erfindung ein modenangepaßter laserdiodengepumpter Festkörperlaser, der von einer Seitenfläche des Verstärkermediums her gepumpt wird.
Schließlich ist es Ziel der Erfindung, einen Festkörperlaser anzugeben, in welchem eine Mehrzahl Laserdioden-Pumpquellen, die längs einer Seitenfläche des Verstärkermediums angeordnet sind, modenangepaßt ist.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert und stellt einen Festkörperlaser dar, der von einer Mehrzahl einzelner Laserdioden- Pumpquellen gepumpt wird, die längs einer transversal oder lateral sich erstreckenden Fläche eines Blocks Lasermaterial angeordnet sind und dem Resonatormodenvolumen modenangepaßt sind. Vorzugsweise wird die Pumpquelle gebildet von einer Mehrzahl Laserdiodenfelder, die zu einem Mehrelemente-Stabaufbau zusammengesetzt sind. Wirkungsvolles optisches Pumpen von Festkörperlasern erfolgt durch Modenanpassung des Feldausgangs an den TEM&sub0;&sub0;-Mode im Inneren des Festkörperlasermaterials in einer zickzackförmig eng gefalteten Hohlraumkonstruktion. Indem man dem Resonator eine enge zickzackförmige Faltung zwischen zwei quer verlaufenden oder lateralen Seiten des Verstärkungsmediums verleiht, kann die Pumpstrahlung in Längsrichtung in das Modenvolumen geleitet werden, d.h. es wird ein Quer-Längs-Pumpschema verwirklicht. Die Modenanpassung erfolgt durch Anpassen des Hohlraummodenvolumens an die Divergenz der Laserdiodenemission. Eine zylindrische Kollimationslinse, vorzugsweise ein Stück Lichtleitfaser, kann parallel in Abstand zu dem Diodenstab mit Hilfe eines Präzisions-Abstandshalters angeordnet werden, um die Diodenemission im wesentlichen in einer Richtung (normal zu der Trennebene Diodenstab/Laserverstärkungsmedium zu kollimieren). Der Faserdurchmesser wird so gewählt, daß der gepumpte Bereich der Größe des Lasermode angepaßt ist. In der anderen Richtung (in der Resonatorebene) wird die Divergenz der Laserdiodenemission (häufig ein Zweizipfelmuster) dem Faltwinkel der Zickzackbahn des TEM&sub0;&sub0;-Strahls durch den Block des Festkörperlaser-Materials angepaßt.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren für das wirksame Pumpen eines Festkörperlasers gemäß Anspruch 16.
Die Erfindung wird in den Zeichnungen erläutert, in denen
Fig.1 eine Draufsicht auf einen quer diodengepumpten modenangepaßten Festkörperlaser zeigt,
Fig.2 eine Draufsicht auf einen modenangepaßten Festkörperlaser zeigt, der von zwei Laserdiodenstäben quergepump wird;
Figuren 3A bis 3E Strahlenverlaufsdiagramme der Kollimierung eines in unterschiedlichem Abstand von einem Lichtleitfaser- Kollimator befindlichen Laserdiodenstabes zeigen;
Fig.4 eine Rückansicht eines Laserdiodenstabes mit Lichtleitfaser-Kollimator zeigt;
Fig.5 eine Rückansicht eines durch eine Lichtleitfaser kollimierten Laserdiodenstabes zeigt;
Figuren 6 und 7 perspektivische Ansichten zweier Ausführungsformen eines Laserdiodenstabes mit Lichtleitfaser-Kollimator zeigen;
Fig.8 eine Draufsicht auf eine Mehrzahl Diodenfelder, angepaßt an das Modenvolumen in einem Festkörperlaser-Hohlraum mit zickzackförmig eng gefaltetem Aufbau, zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung einen Festkörperlaser mit einer Resonator/Pump-Geometrie dar, die eine effektive Verbindung von Laserdiodenstäben hoher mittlerer Leistung mit dem aktiven Medium des Festkörperlasers bietet. Nach einer weiteren Ausführungsform verwendet die Erfindung einen Laserhohlraum von zickzackförmig eng gefalteter Gestalt innerhalb eines Blocks von Lasermaterial, so daß ein längs einer Quer- oder Lateral-Seitenfläche des Blocks von Lasermaterial angeordneter Laserdiodenstab dem TEM&sub0;&sub0;-Modenvolumen modenangepaßt werden kann. Dieser Festkörperlaser-Oszillator optimiert die Überdeckung zwischen dem schwingenden TEM&sub0;&sub0;-Mode und den von dem Diodenstab gepumpten Bereichen, wobei wahlweise eine einfache Kollimationsoptik und der Faltwinkel des Resonatorhohlraums genutzt werden. Durch Falten des Resonatorhohlraums kann die Längsachse des Resonators im wesentlichen normal zu einer Quer- oder Lateralseite eines Blocks von Lasermaterial ausgerichtet werden, statt daß sie parallel zu den Seitenflächen verläuft, so daß der Resonatorhohlraum an einer Anzahl in Abstand voneinander stehenden Intervallen in Längsrichtung der Seiten, statt nur von einem Ende aus gepumpt werden kann.
Nach Fig.1 weist ein Festkörperlaser 10 einen Block 12 von Nd:YAG oder einem sonstigen Festkörperlasermaterial auf. Mittel zur Herstellung eines Laserhohlraums, beispielsweise ein die Laserstrahlung stark reflektierender Spiegel 14 und ein für die Laserstrahlung teildurchlässiger Auskoppelspiegel 16 sind um den Block 12 herum angeordnet und bilden einen Laserhohlraum, der sich innerhalb des Blocks 12 erstreckt. Die Spiegel 14, 16 stehen im Winkel zu dem Block 12, so daß die Resonatorhohlraum- Gestalt innerhalb des Blocks 12 eine eng gefaltete Zickzackform 18 mit einem vorbestimmten Faltwinkel zwischen zwei einander gegenüberstehenden Seitenflächen 20, 22 des Blocks 12 ist. In der gezeichneten Weise stehen die Spiegel 14, 16 auf ein und derselben Seite des Blocks 12, sie können aber auch einander gegenüber liegen. Die Oberflächen der Seiten 20, 22 sind mit einer geeigneten Entspiegelungsüberzug (AR) beschichtet; weitere Überzugsschichten, die einen hochreflektierenden Überzug (HR) darstellen, befinden sich auf den Abschnitten der Seitenflächen 20, 22, an denen der Laserstrahl zurück in den Block 12 reflektiert werden soll. Nach der Zeichnung weist der Bereich der Seite 20 zwischen den beiden Eintritts/Austritts-Punkten des Laserstrahls einen HR-Überzug auf, während die gesamte Seite 22 mit einem HR-Überzug versehen sein könnte. Die Überzüge werden weiter unten beschrieben. Der längs der Seite 22 angeordnete Diodenstab 24 stellt die Pumpquelle dar. Der Diodenstab 24 umfaßt über seine Länge verteilt eine Mehrzahl einzelner Laserdiodenfelder 26. Die Emissionen von den Laserdiodenfeldern 26 an dem Stab 24 werden dem Modenvolumen des Lasers 10 angepaßt mit Hilfe eines Lichtleiter-Linsenkollimators 28 und durch Wahl des Faltwinkels des Zickzackabschnitts 18 des Resonators in der Weise, daß eine Anpassung an die Divergenz der Diodenfelder 26 stattfindet, wie weiter unten beschrieben wird. Ein zusätzliches, in dem Hohlraum angeordnetes Element 36 kann in noch zu beschreibender Weise benutzt werden. In manchen Fällen kann der Kollimator 28 entbehrlich sein; die Diodenfelder 26 könnten an den Block 12 anstoßen.
In einer Varianten der Grundausführung werden zwei Diodenstäbe benutzt, um den Festkörperlaser zu pumpen (vgl. Fig.2). Ein einzelner Diodenstab 24 ist längs jeder Seite 20, 22 des Blocks 12 von Lasermaterial angeordnet, um den Zickzackabschnitt 18 des Resonators in dem Block 12 zu pumpen. Der hochreflektierende Spiegel 14 und der Auskopplungsspiegel 16 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten des Blocks 12, bilden den Resonatorhohlraum und sind so ausgerichtet, daß sie den verlangten Faltwinkel erzeugen. Jeder Diodenstab weist eine Mehrzahl einzelner Diodenfelder 26 auf, die von einer Glasfaserlinse 28 kollimiert werden. Für die Grundelemente gibt es zahlreiche unterschiedliche Ausführungsformen; man kann mit einem, zwei, drei oder noch mehr Diodenstäben arbeiten, wobei die Stäbe sich auf ein und derselben oder auf beiden Seiten des Lasermaterialblocks befinden. Die den Hohlraum bildenden Spiegel können auf ein und derselben Seite oder auf gegenüberliegenden Seiten des Blocks angeordnet sein. Jede Falte in dem Resonator kann durch ein Laserdiodenfeld gepumpt werden, oder auch jede zweite Falte oder jede dritte Falte usw.; die Falten können von nur einer Seite oder von beiden Seiten aus gepumpt werden.
Der große Vorteil dieser Gestaltung des Resonators ist, daß das Pumpvolumen sehr genau an das Modenvolumen in dem Resonator angepaßt werden kann. Die Positionen und die Formen der Spiegel 14, 16 bestimmen das Modenvolumen in dem Resonator; der TEM&sub0;&sub0;- Mode ist wegen seiner Ein-Zipfel-Form sehr zweckmäßig. Die Resonator-Konstruktion erlaubt die Verwendung einer Mehrzahl einzelner Pumpquellen, vorzugsweise von an einem Mehrelement-Diodenstab angebrachten einzelnen Diodenfeldern, die entlang einer Seitenfläche oder zweier, einander gegenüberstehender Seitenflächen angebracht sind, so daß ein viel größerer Teil des Laser-Verstärkungsmediums gepumpt werden kann, und um den Wirkungsgrad zu maximieren, indem das Pumpvolumen der Gesamtzahl der Diodenfelder dem verlangten Modenvolumen des Resonators angepaßt wird. Das Ergebnis ist eine Aufbau mit sehr hohem Wirkungsgrad und sehr hoher Verstärkung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Laserdiodenstäbe besitzt zehn 1 W-Diodenfelder auf einem 1 cm großen Stück GaAs. Die einzelnen Felder sind 200 um breit und stehen in 1 mm Abstand voneinander. Diese Diodenstäbe werden bevorzugt, weil (1) alle Diodenlaserwellenlängen an dem Stab genau angepaßt werden, denn sie werden hergestellt auf dem gleichen monolithischen Stück GaAs, (2) der 1 mm-Abstand der Dioden die thermische Belastung des Substrats verringert, und (3) die Kombination vieler Dioden auf einem Stab die Verkapselungskosten herabsetzt und die Erträge verbessert. Es können aber auch andere Anordnungen der Diodenstabe angewandt werden, z.B. eine andere Zahl und ein anderer Abstand der einzelnen Felder. Andererseits könnte auch statt eines Diodenstabes mit vielen Einzelfeldern eine Mehrzahl getrennter, einzelner Diodenfelder an der Seite des Blocks angebracht werden. Die Diodenfelder weisen häufig eine Zweizipfelform mit einer größeren Divergenz in der normal auf der Ebene des Stabes stehenden Richtung auf; die Divergenz beträgt typischerweise etwa 70 Vollwinkel in der Ebene des Stabes (Strahlungszipfel zu Strahlungszipfel) oder eine numerische Apertur (NA) von etwa 0,15 und 28º oder 0,6 NA in der senkrecht zu dem Stabe verlaufenden Ebene. Das Anpassen des Pumpstrahls an das Modenvolumen in Richtung senkrecht zu der Ebene des Stabes ist schwieriger und erfordert zusätzliche optische Glieder.
Eine bevorzugte Ausführung zum Kollimieren des Ausgangs des Diodenstabes arbeitet mit einer Lichtleitfaser als Zylinderlinse. Eine typische Resonatorausführung hat einen 200 bis 300 um breiten Strahl; daher wäre eine Zylinderlinse von 300 bis 400 um geeignet. Typische Multimode-Lichtleitfasern haben diesen Durchmesser, und sie stellen einen geeigneten, preiswerten Kollimator dar, sofern die Faser so angeordnet werden kann, daß alle einzelnen, in Abstand voneinander stehenden Felder kollimiert werden. Es ist somit zwar möglich, eine Faser zu benutzen, um ein einzelnes Feld zu kollimieren, man muß aber eine Hilfseinrichtung vorsehen, wenn eine Lichtleitfaser zur Kollimation des gesamten Stabes benutzt werden soll. Die Figuren 3A-E zeigen die Kollimierung des Ausgangs eines Laserdiodenfeldes 26 mit Hilfe einer optischen Faser 28 in einen Festkörperlaserblock 12. Die Diodenfelder 26 befinden sich in 1 bzw. 10 bzw. 20 bzw. 30 bzw. 50 um Abstand von der Faser 28, die etwa 250 um Durchmesser hat. Bei den Abständen 1, 10 und 50 um wird der Strahl nicht ausreichend kollimiert. Um eine Lichtleitfaser zur Kollimation der Felder an einem Diodenstab zu verwenden, muß die Faser daher in einem Abstand von 30 + 10 um (d.h. etwa 20 bis 40 um) längs des gesamten Stabes gehalten werden.
Wie Fig.4 zeigt, ist eine Lichtleitfaser 28 in Abstand von dem Diodenstab 24 derart angebracht, daß der Ausgang jeder Laserdiode 26 im wesentlichen in einen Pumpstrahl 30 kollimiert ist, der in die Seitenfläche 22 des YAG-Blocks 12 einfällt. Die Seitenfläche 22 besitzt einen Überzug, der für die Pumpstrahlung (typischerweise etwa 800 nm) äußerst durchlässig ist, die Laserstrahlung aber reflektiert. Der Durchmesser der Faser 28 ist so gewählt, daß sie einen Pumpstrahl 30 erzeugt, dessen Durchmesser im wesentlichen gleich (geringfügig kleiner) ist als der Durchmesser des Laserstrahls 32, wodurch der Pumpstrahl dem Modenvolumen in einer Richtung (senkrecht zu der Ebene des Resonators) modenangepaßt ist. Die Lichtleitfaser 28 ist gegenüber dem Diodenstab 24 mit Hilfe eines Präzisionsabstandshalters 29, z.B. eines treppenförmigen Kupferkühlkörpers, ausgerichtet, wobei das Diodenfeld 26 sich im Brennpunkt befindet, so daß die Strahlung parallel gerichtet wird. Der Präzisionsabstandshalter 29 hält die Faser 28 in genauem Abstand parallel zu dem Stab 24 über dessen ganze Länge, so daß der Ausgang sämtlicher Felder 26 zu einer Lichtlinie kollimiert wird. Typischerweise beträgt der Zwischenraum zwischen dem Diodenstab und der Lichtleitfaser etwa 20 bis 40 um und der Abstand zwischen dem Diodenstab und dem YAG-Block etwa 450 um. Zwar stellt eine Lichtleitfaser keinen perfekten Kollimator dar, weil die sphärische Aberration eine Divergenz des Strahlenbündels herbeiführt, jedoch wird die Pumpenergie in einem verhältnismäßig kurzen Abstand innerhalb des Lasermediums (eine Absorptionslänge) absorbiert, so daß die Verbreiterung vernachlässigt werden kann, und die Lichtleitfaser ist ein sehr wirksamer Kollimator, wenn er in der angegebenen Weise einwandfrei angeordnet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines mit Lichtleitfaser kollimierten Laserdiodenstabes 24 ist in Fig.5 dargestellt. Der Abstandshalter 29 besteht aus einem mehrstufigen Kühlkörper 38 aus Kupfer oder sonstigem Material. Der Diodenstab 24 mit seinen Feldern 26 ist auf einer Stufe 40 angebracht, während die Lichtleitfaser 28 auf einer unteren Stufe 42 (z.B. mit Epoxidharz) angebracht ist. Die Stufen 40 und 42 sind durch eine Zwischenstufe 44 voneinander getrennt, gegen welche die Faser 28 gelehnt ist, um den richtigen Arbeitsabstand (etwa 30 um) zwischen Faser und Diode über die Länge (etwa 1 cm) des Stabes 24 aufrechtzuerhalten. Der Faserdurchmesser beträgt typischerweise 250 bis 350 um oder hat einen von dem Modenvolumen abhängigen sonstigen geeigneten Multimodefaser-Durchmesser, um die Felder zu kollimieren. Zwei Ausführungsformen des kollimierten Laserdiodenstabes nach Fig.5 sind in den Figuren 6 und 7 wiedergegeben. Nach Fig.6 sind die Stufen 42, 44 zum Anbringen der Faser 28 über die Gesamtlänge des Abstandshalters 29 (Kühlkörper 38) hinweg ausgebildet, während nach Fig.7 sich die Stufen 42, 44 nur an den Enden 46 des Abstandshalters 29 befinden. Die Diodenfelder 26 sind auf der Stufe 40 ausgebildet oder angeordnet. Die Pumpstrahlen 30 von den Feldern 26 werden in der einen Richtung kollimiert, weisen aber in der anderen noch Zweizipfel-Divergenz auf. Eine andere Methode zum Erreichen eines genauen Abstands zwischen Faser und Diodenstab sieht vor, Expoxidharz durch UV-Strahlung zu härten, um den Faserabstand herzustellen, und die UV-Strahlung zuzuführen, wenn eine ausreichend gute Kollimierung erreicht ist. Man kann mit einer Präzisionsabstandshalter- oder -einstelleinrichtung arbeiten, die eine Variation von + 10 um über die Gesamtlänge (1 cm) des Stabes aufrechterhalten kann.
Wenn der Pumpstrahl in der obenbeschriebenen Weise in der einen Richtung modenangepaßt ist, muß er auch in der anderen Richtung (in der Resonatorebene) angepaßt werden. Wie Fig.8 zeigt, haben die einzelnen Diodenfelder 26 auf dem Diodenstabe 24 einen Abstand d (vorzugsweise 1 mm) voneinander. Der Pumpstrahl 30 wird durch die Lichtleitfaser 28 in Richtung senkrecht zu der Resonatorebene kollimiert, so daß die Pumpstrahlbreite in dieser Richtung etwas geringer ist als die Breite des Laserstrahls 32. In der Resonatorebene ist das Modenvolumen in dem eng gefalteten Abschnitt 18 des Resonators an die Divergenz der Diodenfelder 26 angepaßt. Häufig erzeugen die Diodenfelder einen Zweizipfel-Ausgang, so daß jeweils ein Zipfel in jeden Abschnitt des V in dem gefalteten Strahlengang hineinläuft. Die Modenanpassung wird durch Regulieren des Faltwinkels A vorgenommen. Der Durchmesser des Laserstrahls 32 beträgt typischerweise etwa 300 um. Die Geometrie und das Strahlmodenvolumen des Resonators ist so zu wählen, daß die Strahlen in den Falten einander nicht überlappen, so daß der Laserstrahl aus dem Lasermaterial- Block an dem Rande des stark reflektierenden Überzugs auf der Blockoberfläche austreten kann. Der Faltwinkel A ist sehr eng, typischerweise 5º. Der Aufbau unterscheidet sich völlig von dem üblichen Zickzackflachlaser, in welchem die Zickzackform durch innere Totalreflexion (TIR) des Strahls herbeigeführt wird; bei der Erfindung ist der Faltwinkel zu eng für TIR. Der Laserdiodenstrahl kann einzipflig sein, wie er z.B. von den ausgedehnten Emitter-Laserdioden (Sony) erzeugt wird. Daher ist es zweckmäßig, eine Zickzackform herzustellen, bei der der Abstand L, bei welchem der Strahl 32 in dem V nicht überlappt (d.h. die beiden Teile des V voneinander völlig getrennt sind), gleich der Absorptionslänge der Strahlung des Pumpstrahls in dem betreffenden Lasermedium oder größer als diese Absorptionslänge ist. Der Faltwinkel hängt somit von dem Abstand der Diodenfelder ab und von der Möglichkeit, den Strahl von dem Zickzackabschnitt des Resonators wegzuführen. Die Dioden brauchen nicht jede einzelne Falte zu pumpen sondern können jede zweite Falte pumpen. Der Faltwinkel kann sehr klein gewählt werden, insbesondere bei einem einzipfligen Pumpstrahl, so daß die Pumpstrahlrichtung äußerst genau mit der Längsachse des Laserstrahls in dem Bereich des Laserstrahls zusammenfällt, in welchem die Pumpstrahlung von dem Verstärkermedium absorbiert wird. Der Faltwinkel wird mit Hilfe der Hohlraumbildungsmittel eingestellt, um die Intensitätsverteilungen der Pumpquelle mit dem TEM&sub0;&sub0;Mode weitestgehend zu nutzen und die Deckung zu maximieren.
Eine Anzahl unterschiedlicher Faktoren sind für den Entwurf des Hohlraums zu berücksichtigen, wie sich aus der folgenden bevorzugten Ausführungsform ergibt. Zunächst der Lasermaterialblock. Ein YAG-Stab 5 mm x 5 mm x 20 mm kann hergestellt werden, über die Gesamtlänge auf eine halbe Wellenlänge genau eben poliert. Die Länge der Falten (Abstand zwischen den beiden Seitenflächen) beträgt dann typischerweise etwa 5 mm. Dann folgt das Laserstrahl-Modenvolumen. Der Radius der den Hohlraum bildenden Spiegel beträgt typischerweise 100 cm, und die Spiegel werden etwa 2 cm entfernt von dem Laserblock angeordnet. Bei zehn Falten (20 Durchgänge durch den Block) beträgt die Hohlraumgesamtlänge etwa 15 cm, und der l/e² Strahldurchmesser beträgt etwa 300 um. Ein Strahl von 300 um ist zweckmäßig, weil die Diodenfelder 200 um messen und an das Modenvolumen angepaßt werden können, um maximale Pumpwirkung zu erzielen. Durch Verändern des Hohlraums (Spiegelradius) können jedoch andere Strahlgrößen erzielt werden, die bei anderen Ausführungsformen geeignet sein können, wenn z.B. ein 0,5 cm-Diodenstab mit zehn 0,5 W-Feldern von 100 um Durchmesser benutzt wird (auch mit einem geeigneten dünneren Faserkollimator).
Um den Strahl aus dem Block wegführen zu können, muß er einen nicht reflektierenden Bereich durchlaufen (der also nur AR-beschichtet ist) und über einen Bereich hinweglaufen, der stark reflektiert (HR-beschichtet). Nach einer allgemeinen Regel zur Vermeidung von deutlichen Beugungsverlusten muß die Öffnung etwa dem Dreifachen des l/e²-Strahldurchmessers entsprechen. Bei einem TEM&sub0;&sub0;-Modedurchmesser von 300 um muß somit die nächstgelegene Kante etwa 500 um entfernt sein. Wie Fig.8 zeigt, verläßt der Strahl 32 die Seitenfläche 20 am Punkte 48. Der Faltenabstand liegt bei etwa 1 mm. Der Punkt 50, der genau gegenüber dem ersten Diodenfeld 26 liegt, ist somit etwa 500 um von dem Austrittspunkt 48 entfernt. Die HR-Beschichtung sollte daher genau am Punkte 50 enden, damit der Strahl ohne nennenswerte Beugungsverluste austreten kann.
Bei dem Beschichtungsverfahren wird eine Präzisionsmaske angewandt, um die Gesamtlänge des Stabes zu treffen. Die Maske hat sehr geringe Dicke, z.B. 2 mils [0,05 mm] (0,002 in, wobei 1 inch = 2,54 cm), für einen scharfen Schnitt oder eine steile Kante, so daß der Strahl ohne wesentliche Beugungsverluste austreten kann. Die Beschichtungen sind übliche optische Schichten. Beide Seiten werden zunächst mit einer AR-Beschichtung versehen, z.B. zwei Schichten, die auch die ersten beiden Schichten der HR-Beschichtung darstellen. Alle Seiten, an denen keine Austrittspunkte liegen, können einen Mehrschichten-HR-Überzug (z.B. 20 Schichten) erhalten. Der Mittelabschnitt der anderen Seiten wird dann unter Verwendung der Maske mit den HR-Schichten belegt.
Ein mögliches Problem stellt wegen der hohen Verstärkung das Auftreten von Streuschwingungen quer durch den Lasermediumblock von dem Diodenfeld dar, d.h. zwischen den zickzackförmigen Falten. Eine Lösung besteht darin, daß die Blockoberfläche in der Weise mit einer Folge von HR-Streifen versehen wird, daß die Oberflächenbeschichtung dort, wo die Zickzackfalten die Oberfläche berühren, stark reflektiert, die Oberfläche unmittelbar gegenüber dem Diodenfeld aber nur AR-beschichtet wird, um ein Fenster zu bilden, das keine Resonanz hervorruft. Der Punkt 52 (und entsprechende Punkte an jeder Falte), der gemäß Fig.8 einem Feld 26 genau gegenüberliegt, sollte nicht HR-beschichtet sondern nur AR-beschichtet werden. Das ließe sich erreichen, indem eine Beschichtungsmaske benutzt wird, welche Streifen von HR-Beschichtung nur dort erzeugt, wo der Strahl reflektiert wird, und Zwischenräume in der HR-Beschichtung (d.h. nur AR- Beschichtung) an den Punkten 52 beläßt (die HR-Beschichtung würde am Austrittspunkt ebenfalls geringfügig von dem Punkt 50 weg bewegt werden. Andererseits könnte auch die gesamte Oberseite HR-beschichtet werden, und dann könnte die HR-Beschichtung streifenweise an den Punkten 52, z.B. durch einen Laser, entfernt werden. Eine andere Lösung ist, die normal parallel einander gegenüberstehenden Seiten eines Laserblocks leicht keilförmig zu gestalten; das kann aber zur Kompensation ungleichmäßige Abstände der Dioden erforderlich machen.
Die erfindungsgemäßen Laser stellen einen großen Fortschritt hinsichtlich der Möglichkeit effektiven Pumpens eines Festkörperlasers unter Verwendung einer Hochleistungs-Diodenstab-Pumpquelle durch Modenanpassung an das gewünschte TEM&sub0;&sub0;-Modenvolumen dar. Diese Laser können äußerst kompakt aufgebaut werden und haben sehr gute Leistungseigenschaften. Eine Vielzahl von Festkörperlaser-Materialien können angewandt werden; zwei sehr bekannte Materialien sind insbesondere Nd:YAG und Nd:Glas, die für andere Zwecke in großem Umfang benutzt werden. Insgesamt sollte das aktive Medium hohe Steilheits-Effizienz, breite Pumpbänder und gute Wärmeleitungseigenschaften haben. Ein Nd:YAG- Laser hat eine sehr starke Linie bei 1,06 um und schwächere Linien bei 0,946 um und 1,3 um, sämtlich im IR. Zum Arbeiten im Sichtbaren könnte dem Laserhohlraum ein Frequenzverdoppler zugefügt werden, dargestellt in Fig.1 durch das Innenhohlraumelement 36, das 532 nm bzw. 473 nm bzw. 651 nm erzeugt. Leistungspegel von 10 W bei 1,06 um sind erreichbar mit einer 3 bar-Pumpe (5 W bei 532 nm). Der Laser hat eine sehr hohe Dauerstrichverstärkung CW; wenn z.B. die Verstärkung in jeder Falte 10 bis 20 % beträgt, läßt sich eine Gesamtverstärkung von etwa 7 bis 8 erzielen. Der Betrieb ist CW oder pulsierend durch Hinzufügen eines Innenhohlraum-Güteschalters, ebenfalls angezeigt durch das Innenhohlraumelement 36 in Fig.1. Die Wärmeableitung kann nötigenfalls gesteuert werden durch Anbringen eines Kühlkörpers oder einer sonstigen Wärmeabführungseinrichtung 36 (vgl. Fig.4) an der Ober- und Unterseite des Blocks 12. Die hohe Verstärkung erlaubt die Verwendung eines Lasermaterials mit geringerer Absorption, z.B. Nd:Glas, was den Vorteil 10 hat, daß die Absorptionslinie viel breiter ist als bei Nd:YAG, so daß Laserdiodenpumpen ohne Peltierkühler eingesetzt werden können. Diese sehr bemerkenswerten Ergebnisse werden erfindungsgemäß erzielt durch Ausübung des unmöglich scheinenden transversalen Längspumpens - quer zu dem Laserblock und längs zu dem Laserresonator.

Claims

1 . Modenangepaßter diodengepumpter Festkörperlaser, umfassend:

einen Block (12) von Lasermaterial mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen,

eine nahe dem Block (12) befindliche, einen Hohlraum bildende Einrichtung (14,16), die einen Laserhohlraum definiert, der einen mit vorgewähltem Faltwinkel zickzackförmig eng gefalteten Resonatorabschnitt (18) innerhalb des Blocks (12) zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen (20,22) aufweist, eine Mehrzahl in linearer Anordnung mit Abstand voneinander angeordneter Pumpquellen (26), die nahe mindestens einer (22) der einander gegenüberliegenden Seitenflächen und im wesentlichen gegenüber dem Zickzack-Abschnitt (18) des Resonators ausgerichtet vorgesehen sind,

wobei der Faltwinkel im wesentlichen so gewählt ist, daß das Modenvolumen der Pumpstrahlung aus den Pumpquellen angepaßt ist.

2. Laser nach Anspruch 1 , worin ein zylindrisches Kollimationsmittel (28) zwischen dem Block (12) und den Laserdiodenpumpquellen (26) angebracht ist, um die Pumpstrahlung im wesentlichen parallel zu richten, um die Modenanpassung mit einem Modenvolumen innerhalb des Laserhohlraums herbeizuführen.

3. Laser nach Anspruch 2, worin das zylindrische Kollimationsmittel als Lichtleitfaser (28) ausgebildet ist.

4. Laser nach Anspruch 3, außerdem Präzisions-Abstandsmittel (29) umfassend, um die Faser (28) in genauem Abstand von den Pumpquellen (26) zu halten.

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die den Hohlraum bildende Einrichtung einen Spiegel (14) mit hohem Reflexionsvermögen und einen teildurchlässigen Ausgangskopplungsspiegel (16) sowie einen Überzug mit hohem Reflexionsvermögen längs eines Teils der einander gegenüberliegenden Seitenflächen (20,22) umfaßt.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Laserdioden-Pumpquelle als Laserdiodenstab (24) ausgeführt ist, der eine Mehrzahl einzelner Laserdiodenfelder (26) enthält.

7. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Modenvolumen TEM&sub0;&sub0; ist.

8. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Lasermaterial Nd:YAG ist.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner einen Frequenzverdoppler (34) in dem Hohlraum umfassend.

10. Laser nach Anspruch 1, einen Güteschalter (34) innerhalb des Hohlraums umfassend.

11. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Block (12) etwa 5 mm breit ist, der Durchmesser des Modenvolumens etwa 300 um beträgt und der Faltwinkel etwa 5º mißt.

12. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Pumpquellen die Form eines Laserdiodenstabs (24) von 1 cm Länge haben, der zehn 1 W-Diodenfelder (26) von jeweils 200 um Breite enthält.

13. Laser nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 4, worin das Präzisions-Abstandsmittel die Lichtleitfaser mit den Diodenfeldern in dem ihrer Brennweite entsprechenden Abstand hält, um im wesentlichen die Ausgänge der Diodenfelder parallel zu richten.

14. Laser nach Anspruch 13, worin das Präzisions-Abstandsmittel (29) die Lichtleitfaser (28) über die Längserstreckung des Diodenstabes hinweg in einem Abstand zwischen etwa 20 bis 40 um hält.

15. Laser nach Anspruch 13 oder 14, worin das Präzisions- Abstandsmittel (29) als Wärmesenke mit mehreren Stufen ausgebildet ist.

16. Verfahren zum Pumpen eines Festkörperlasers mit hohem Wirkungsgrad mit Hilfe einer Mehrzahl von in linearer Anordnung mit Abstand voneinander angeordneten Laserdiodenquellen (26), umfassend folgende Schritte:

Herstellen eines Blocks (12) von Lasermaterial mit zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen (20,22),

Herstellen eines Laserhohlraums, der einen mit vorgewähltem Faltwinkel zickzackförmig eng gefalteten Resonatorabschnitt (18) innerhalb des Blocks (12) zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen (20,22) aufweist,

Anordnen der Pumpquellen (26) nahe mindestens einer (20) der einander gegenüberliegenden Seitenflächen im wesentlichen ausgerichtet gegenuber dem Zickzack-Abschnitt (18) des Resonators,

Wählen eines solchen Faltwinkels, daß das Modenvolumen der Pumpstrahlung aus den Pumpquellen im wesentlichen angepaßt ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin die Pumpstrahlung aus den Pumpquellen im wesentlichen parallel gerichtet ist, um einen Mode an ein Modenvolumen innerhalb des Laserhohlraums anzupassen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, umfassend die Kollimation der Pumpstrahlung durch eine Lichtleitfaser (28).

19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, umfassend das Herstellen der Pumpquellen (26) eines Laserdiodenstabes (24), der eine Mehrzahl einzelner Laserdiodenfelder (26) aufweist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, umfassend das Anpassen der Pumpstrahlung an das TEM&sub0;&sub0;-Mode-Volumen.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, weiter umfassend die Frequenzverdopplung des Laserausgangs.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, weiter umfassend das Güteschalten des Lasers.