DE10241984A1

DE10241984A1 - Optisch gepumpter Festkörperlaser

Info

Publication number: DE10241984A1
Application number: DE2002141984
Authority: DE
Inventors: Stephan Geiger; Martin Paster; Siegfried Freer
Original assignee: TuiLaser AG
Current assignee: TuiLaser AG
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-03-25
Also published as: WO2004027943A1

Abstract

Beschrieben wird ein optisch gepumpter Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist, und den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist.
Ferner weist der Laserkristall den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe auf.

In der US 6,185,235 B1 ist ein diodengepumpter Festkörperlaser beschrieben, der unter Maßgabe hoher Lichtausgangsleistung sowie hoher Strahlqualität konzipiert worden ist. Hierzu weist der longitudinal diodengepumpte Festkörperlaser einen Laserkristall auf, der über eine nur sehr geringe Dotierstoffkonzentration von weniger als 0,5% Dotierstoffanteil innerhalb des gesamten Laserkristalls verfügt. Auf diese Weise ist es möglich, die gesamte Länge des Laserkristalls mit einer leistungsstarken Diodenpumplichtquelle optisch anzuregen, ohne dabei Gefahr zu laufen, dass das Pumplicht bereits im Bereich des Lichteintritts innerhalb des Laserkristalls nahezu vollständig absorbiert wird. Das in dieser Druckschrift beschriebene Prinzip der Verlängerung der Absorptionslänge der Pumplichtstrahlung längs des Laserkristalls durch reduzierte Laserkristalldotierung ermöglicht zwar den Einsatz leistungsfähiger Diodenpumplichtquellen, doch reduziert sich mit geringerer Dotierungskonzentration ebenso auch der optische Wirkungsgrad des Laserkristalls, was sich wiederum nachteilhaft auf die tatsächlich erreichbare Ausgangsleistung des Festkörperlasers auswirkt.

Eine weitere Möglichkeit Laserkristalle mit lichtleistungsstarken Pumplichtquellen optisch anzuregen, ohne dabei den Laserkristall zu zerstören oder die für den optischen Strahlenverlauf nachteilhaften Effekte thermischer Linsenwirkung und hierdurch bedingte induzierte Doppelbrechung hervorzurufen, sieht eine optische Anregung abseits des Absorptionspeaks des Laserkristalls vor. Absorptionspeaks bzw. -banden bekannter Laserkristallmaterialien, wie beispielsweise Nd:YAG sowie Nd: YVO₄, liegen im Bereich von 808 nm. Ein alternativer, ebenso häufig verendeter Laserkristall, Nd:YLF, absorbiert beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 792 und 797 nm. Wird eine Pumplichtwellenlänge gerade derart gewählt, dass sie knapp neben den Absorptionspeaks bzw. Absorptionsbanden der jeweiligen Laserkristalle liegt, so führt auch diese Maßnahme zu einem geringeren Absorptionsvermögen innerhalb des Laserkristalles, so dass der Einsatz lichtleistungsstarker Pumplichtquellen ermöglicht wird.

Je nach Art der Pumplichtquelle können entsprechend konfektionierte Pumplichtquellen, beispielsweise Diodenlaser, gezielt gewählt werden, deren Emissionspumplichtwellenlängen stark oder weniger stark vom Absorptionspeak des Laserkristalls abweichen. Zudem ist es möglich, die Pumplichtwellenlänge durch Veränderung der Betriebstemperatur der Laserdiode entsprechend zu verändern, zumal sich die Pumpdiodenwellenlänge von der Betriebstemperatur typischerweise mit 0,25 nm pro Grad Kelvin ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch gepumpten Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist, und den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe enthält, derart weiterzubilden, dass der Einsatz leistungsstarker Pumplichtquellen zum Zwecke der Skalierbarkeit der Ausgangslichtleistung zu höheren Werten als es mit den bisherigen Techniken möglich ist, realisierbar ist. Insbesondere gilt es, eine effektivere Pumplichtabsorption innerhalb des Laserkristalls zu schaffen ohne dabei den Laserkristall zu stark zu erwärmen, wodurch die Ausbildung starker thermischer Linsen und die damit verbundene induzierte Doppelbrechung innerhalb des Laserkristalles reduziert werden kann.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhafte weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein optisch gepumpter Festkörperlaser gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass der Laserkristall wenigstens zwei räumlich in Richtung der optischen Achse zueinander beabstandete Bereiche aufweist, die über unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen verfügen.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten, dotierten Laserkristallen, in denen die Dotierstoffkonzentration gleichmäßig innerhalb des gesamten Laserkristallvolumens verteilt ist, sieht die erfindungsgemäße Idee eine bei der Herstellung des Laserkristalles gezielte Ungleichverteilung in der Dotierstoffkonzentration zumindest längs zur optischen Achse des Laserkristalls vor. Auf diese Weise ist es möglich, das räumliche Absorptionsverhalten des Laserkristalles individuell einzustellen und auf die jeweilige Pumplichtleistung anzupassen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sieht der optisch gepumpte Festkörperlaser einen longitudinal gepumpten Laserkristall vor, der bezogen auf den Pumplichtstrahl eine erste Seitenfläche aufweist, über die der Pumplichtstrahl in den Laserkristall eintritt, sowie eine zweite Seitenfläche vorsieht, über die der Pumplichtstrahl längs zur optischen Achse aus dem Laserkristall austritt. Innerhalb des Laserkristalls ist im Wege der Laserkristallherstellung ein Dotierstoffkonzentrationsprofil derart eingebracht, dass die Dotierstoffkonzentration von Seiten der ersten Seitenfläche längs zur optischen Achse in Richtung der zweiten Seitenfläche ansteigt. Das Dotierstoffkonzentrationsprofil kann grundsätzlich graduell oder stufenweise ausgebildet sein, die Höhe der Dotierstoffkonzentration sowie deren Verlauf hängt vorzugsweise von der tatsächlich innerhalb des Laserkristall applizierten Pumplichtleistung ab. Bei geeigneter Abstimmung auf die tatsächlich in dem Laserkristall längs der optischen Achse eingebrachten Pumplichtleistung wird bei geeigneter Auslegung der Dotierung die Absorption der Pumplichtstrahlung und damit auch die eingebrachte Wärme innerhalb des Laserkristalls gleichmäßig über die Kristalllänge oder Teile der Kristalllänge verteilt.

So wird der Pumplichtstrahl auf dem Weg längs durch den Laserkristall hindurch in Abhängigkeit der Konzentration der Dotierstoffatome durch Absorption geschwächt, so dass ausgehend von einer maximalen Eingangspumplichtleistung und einer im Bereich der ersten Seitenfläche vorgesehenen minimalen Dotierstoffkonzentration die Dotierstoffkonzentration in Richtung des Bereiches der zweiten Seitenfläche auf einen Maximalwert ansteigt, zumal der Pumplichtstrahl kurz vor Austritt aus dem Laserkristall durch die zweite Seitenfläche durch Absorption auf eine minimale Lichtleistung abgefallen ist. In bevorzugter Weise ist die lokale Dotierstoffkonzentration innerhalb des Laserkristalles gerade so gewählt, dass die absorbierte Pumplichtleistung pro Volumenelement innerhalb des Kristalls weitgehend konstant ist.

Je nach Wahl der Pumplichtintensität und Ausbildung des Pumplichtstrahlprofils können innerhalb des Laserkristalls individuelle Dotierstoffkonzentrationsprofile vorgesehen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht ein Dotierstoffkonzentrationsprofil vor, das von einer Minimaldotierung im Bereich der ersten Seitenfläche bis etwa mittig zum Laserkristall ein Maximalwert an Dotierstoffkonzentration erreicht wird, der zur zweiten Seitenfläche längs zur optischen Achse konstant bleibt.

Beide vorstehend erläuterten Laserkristall-Dotierungen eignen sich für eine unidirektionale Durchstrahlung mit Pumplicht, d.h. der Pumplichtstrahl durchläuft den Laserkristall von der ersten zur zweiten Seitenfläche und tritt anschließend durch einen entsprechenden Resonator-Endspiegel aus dem Festkörperlaser aus.

Ebenso sind optisch gepumpte Festkörperlaser-Systeme bekannt, deren Pumplichtstrahlen vielfach innerhalb des Resonators hin- und herreflektiert werden und somit den Laserkristall mehrfach längs zu seiner optischen Achse durchlaufen. Zudem sind optisch gepumpte Festkörperlaser bekannt, deren Laserkristalle beidseitig mit Pumplichtstrahlen beaufschlagt werden. In der Regel sind hierzu zwei getrennte Pumplichtquellen vorgesehen, deren Pumplichtstrahlen mittels geeigneten Lichtleitfaseroptiken longitudinal jeweils durch die erste sowie zweite Seitenfläche des Laserkristalls eingekoppelt werden. Für eine derartige beidseitige optische Pumpanlichtanordnung eignet sich ein Laserkristall, vorzugsweise mit einem zur Laserkristallmitte symmetrisch verlaufenden Dotierstoffkonzentrationsprofil dergestalt, dass jeweils von Seiten der ersten und zweiten Seitenfläche des Laserkristalls die Dotierstoffkonzentration von einem Minimum zu einem mittig zum Laserkristall vorherrschenden Maximalwert ansteigt. Auch in diesem Fall kann durch individuelles Abstimmen des Dotierstoffkonzentrationsprofils in Bezug auf die in den Laserkristall eingebrachte Pumplichtintensität dafür Sorge getragen werden, dass die Absorptionseffizienz und die damit verbundene Erwärmung des Laserkristalls längs zur gesamten optischen Achse weitgehend gleich verteilt bleibt, wodurch die thermische Belastung des Laserkristalls in Grenzen und die Ausbildung einer durch die Kristallerwärmung verbundenen thermischen Linsenwirkung und einer damit induzierten Doppelbrechung weitgehend vermieden werden kann.

Alternativ zu der vorstehend erläuterten einstückigen Ausbildung des Laserkristalls mit einem nicht notwendigerweise symmetrisch zur Mittenachse des Laserkristalles verlaufenden Dotierstoffkonzentrationsprofil, sieht eine weitere Ausführungsmöglichkeit zwei getrennte Laserkristalle vor, die jeweils vergleichbare Absorptionseigenschaften aufweisen. Beide Laserkristalle verfügen jeweils über eine erste und zweite Seitenfläche und sehen ein Dotierstoffkonzentrationsprofil, das von Seiten der ersten Seitenfläche in Richtung zur zweiten Seitenfläche zunimmt. Beide Laserkristalle sind längs ihrer gemeinsamen optischen Achse derart innerhalb des Resonators eingebracht, dass ihre jeweils zweite Seitenflächen mittel- oder unmittelbar gegenüberliegen. Vorzugsweise sind beide Laserkristalle mittels Bonden oder mit entsprechender Ansprengtechnik über jeweils ihre zweite Seitenfläche fest aneinander gefügt. Durch Vorsehen zweier separater Laserkristalle, wie vorstehend erläutert, eröffnet sich zudem die grundsätzliche Möglichkeit zwei unterschiedliche Laserkristalltypen in einen einzigen Festkörperlaser-Resonator zu integrieren.

In besonders vorteilhafter Weise eignen sich als Laserkristalle mit Neodym-Atomen dotierte YAG- oder YVOa-Kristalle (Vanadat). Alternativ stehen darüber hinaus noch weitere Dotierstoff-Atome zur Verfügung: Yb, Cr, Tm, Ho oder Er.

Je nach Konzeption und Leistungsbereich bieten sich für die Realisierung von Festkörperlaser folgende dotierte Laserkristalle der nachstehenden Art an: Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:GVO₄, Nd:YPO₄, Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er:YLF oder Er:GSGG.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a Laserkristall mit konstanter Dotierstoffverteilung
1b Laserkristall mit kontinuierlich zunehmender Dotierstoffverteilung, sowie
1c Laserkristallkombination mit spiegelsymmetrischer Dotierstoffverteilung.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1a ist ein an sich bekannter Laserkristall 1 schematisiert dargestellt, der über eine optische Achse 2, eine erste Seitenfläche 3 sowie über eine zweite Seitenfläche 4 verfügt. Es sei angenommen, dass der Laserkristall 1 gemäß 1a mittels eines einzigen Pumplichtstrahles P, der längs zur optischen Achse 2 durch die erste Seitenfläche 3 in den Laserkristall 1 eintritt, optisch gepumpt wird.
Das unter dem Laserkristall 1 dargestellte Diagramm verdeutlicht, dass der Laserkristall längs seiner gesamten Länge L über eine konstante Dotierstoffkonzentration D verfügt (siehe hierzu horizontal gestrichelte Linie). Ausgehend von einer anfänglich konstanten hohen Pumplichtleistung tritt im Bereich der Seitenfläche 3 innerhalb des Laserkristalls 1 sehr starke Absorption auf, die längs der optischen Achse 2 in Richtung der zweiten Seitenfläche 4 aufgrund des durch Absorptionsprozesse abnehmenden Pumplichtintensität abnimmt (siehe hierzu abnehmenden durchgezogenen Funktionsverlauf).
Demgegenüber sieht gemäß 1b der Laserkristall 1 eine von Seiten der Seitenfläche 3 in Richtung der Seitenfläche 4 längs zur optischen Achse 2 zunehmende Dotierstoffkonzentration D vor (siehe strichlierten Linienzug im Diagramm). Das Dotierstoffkonzentrationsprofil D ist in Abhängigkeit der Pumplichtintensität P dahingehend abgestimmt, dass längs der gesamten Länge L des Laserkristalls 1, der wie auch im vorstehenden Fallbeispiel gemäß 1a einseitig mit einem Pumplichtstrahl P gepumpt wird, die Pumplichtabsorption A nahezu konstant bleibt. Auf den bereits vorstehend genannten damit verbundenen Vorteil, nämlich einer weitgehend gleichmäßigen Wärmedeponierung innerhalb des Laserkristalls durch Lichtabsorption und einer damit sich pro Volumeneinheit nur schwach ausbildenden thermischen Linsenwirkung, sei an dieser Stelle nochmals hingewiesen.
Wird hingegen gemäß 1c eine Laserkristallanordnung beidseitig über beide Seitenflächen 3, 4 optisch gepumpt, siehe hierzu Pumplichtstrahlen P und P', so eignen sich zwei zusammengefügte Laserkristalle 1, 1', die ein in dem Diagramm gemäß 1c verlaufendes Dotierstoffkonzentrationsprofil aufweisen. Hierbei grenzen die beiden Laserkristalle 1, 1' mit jeweils ihren zweiten Seitenflächen 4, 4' unmittelbar zusammen. Diese können in vorteilhafter Weise mittels Bonden oder mittels Ansprengen verfügt sein.
Beide Laserkristalle 1, 1' weisen in gleicher Weise ein von Seiten der ersten Seitenfläche 3, 3' in Richtung ihrer zweiten Seitenfläche 4, 4' zunehmendes Dotierstoffkonzentrationsprofil gemäß strichlierter Linie in 1c auf. Wird eine derartige Laserkristallanordnung von jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten optisch gepumpt, so bleibt auch in diesem Fall die Absorptionswirkung auf die Pumplichtstrahlen längs der gesamten Laserkristallelänge L weitgehend konstant (siehe waagrechter Linienzug gemäß Diagramm in 1c).
Typischerweise empfiehlt es sich Dotierstoffkonzentrationen in einem Bereich zwischen 0,1 % und 0,5 % zu wählen, setzt man voraus, dass mit Pumplichtleistungen von wenigstens 10 W gearbeitet wird.

1, 1': Laserkristall
2: Optische Achse
3, 3': Erste Seitenfläche
4, 4': Zweite Seitenfläche
P: Pumplichtstrahl

Claims

Optisch gepumpter Festkörperlaser mit wenigstens einem intrakavitär angeordneten Laserkristall, der wenigstens eine optische Achse aufweist, längs der ein von wenigstens einer Pumplichtquelle kontinuierlich oder gepulst emittierter Pumplichtstrahl in den Laserkristall gerichtet ist, und den Pumplichtstrahl absorbierende Dotierstoffe enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall wenigstens zwei räumlich in Richtung der optischen Achse zueinander beabstandete Bereiche aufweist, die über unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen verfügen.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall längs zur optischen Achse ein Dotierstoffkonzentrationsprofil aufweist, das graduell oder stufenförmig ausgebildet ist.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der intrakavitär angeordnete Laserkristall wenigstens eine erste Seitenfläche aufweist, über die der Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, und dass die Dotierstoffkonzentration längs der optischen Achse von der ersten Seitenfläche zumindest bis zur Mitte des Laserkristalls gemäß eines vorgegebenen Dotierstoffkonzentrationsprofils zunimmt.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der intrakavitär angeordnete Laserkristall eine erste Seitenfläche, über die der Pumplichtstrahl in den Laserkristall einfällt, und eine der ersten Seitenfläche längs der optischen Achse gegenüberliegende zweite Seitenfläche aufweist, dass die Dotierstoffkonzentration längs der optischen Achse von der ersten Seitenfläche bis zur zweiten Seitenfläche graduell oder stufenförmig zunimmt.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration von der Mitte des Laserkristalls bis zu einer der ersten Seitenfläche längs der optischen Achse gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche nach einem vorgegebenen Dotierstoffkonzentrationsprofil abnimmt.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pumplichtstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine längs zur optischen Achse durch die erste Seitenfläche und der andere längs zur optischen Achse durch die zweite Seitenfläche in den Laserkristall gerichtet ist.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laserkristalle längs einer gemeinsamen optischen Achse intrakavitär angeordnet sind, dass die Laserkristalle jeweils eine erste und eine zweite Seitenfläche aufweisen, dass die Dotierstoffkonzentration jeweils längs zur optischen Achse von der ersten zur zweiten Seitenfläche innerhalb der Laserkristalle abnimmt, und dass sich die zweiten Seitenflächen der beiden Laserkristalle mittel- oder unmittelbar gegenüberliegen.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Seitenflächen der beiden Laserkristalle mittels Bond- oder Ansprengtechnik zusammengefügt sind.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pumplichtstrahlen vorgesehen sind, von denen der eine durch die erste Seitenfläche des einen und der andere durch die erste Seitenfläche des anderen Laserkristalls gerichtet ist.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Pumplichtstrahlen aus einer einzigen Pumplichtquelle emittiert werden und mittels Strahlteiler und Strahllenkung zu dem wenigstens einen Laserkristall führbar sind, oder dass zwei Pumplichtquellen vorgesehen sind, aus denen die Pumplichtstrahlen jeweils austreten.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotierstoffkonzentrationsprofil derart im Verhältnis zur Pumplichtleistung gewählt ist, dass die durch Pumplichtabsorption innerhalb des Laserkristalls eingebrachte Wärme zumindest in Teilbereichen längs der optischen Achse weitgehend gleich verteilt ist.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplichtquelle ein Diodenlaser oder eine Diodenlaseranordnung ist.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Diodenlaser eine Pumplichtleistung von wenigstens 10 W aufweist.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall mit einem oder mehreren der folgenden Dotierstoffen dotiert ist: Nd, Yb, Cr, Tm, Ho oder Er.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkristall aus folgenden dotierten Kristallen besteht: Nd:YAG, Nd:YVO₄, Nd:YLF, Nd:GVOa, Nd:YPO₄, Nd:BEL, Nd:YALO, Nd:LSB, Yb:YAG, Yb:FAB, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGAF, Cr:YAG, Tm-Ho:YAG, Tm-Ho:YLF, Er:YAG, Er:YLF oder Er:GSGG.
Optisch gepumpter Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration innerhalb des Laserkristalls zwischen 0,01 % und 1 %, vorzugsweise zwischen 0,1 % und 0,5 %, liegt.