WO2004114480A2 - Festkörperlasermedium - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a solid.
  • solid bodies in the form of crystals which consist of garnet (YAG), vanadate (YVO), fluoride (YLF), sapphire (Sa) and glass.
  • Ions are introduced into these crystals, for example as doping, the concentration of these ions being higher than that of a gas laser, so that higher powers can be achieved with solid-state lasers.
  • Suitable ions for doping are, for example, elements that are chemically similar to the crystal used. Therefore, many crystals used for solid-state lasers contain yttrium (Y), which can easily be replaced by rare earth ions.
  • doping ions in a crystal these ions are usually in trivalent form.
  • An essential feature in the selection of crystals for solid-state lasers is their thermal conductivity, since a significant proportion of the excitation energy is converted into heat in the crystal. An inhomogeneous temperature distribution in the crystal can lead to changes in the refractive index, the lens effects cause and can change the resonator properties of the solid-state laser sensitive.
  • the thickness of the crystal must be large enough to absorb a sufficient proportion of the excitation energy.
  • the minimum thickness required for such an operation depends on the degree of doping of the crystal. For doping in the order of 1.4 x 10 21 cm "3 , thicknesses of less than 100 ⁇ m can be achieved.
  • an active zone is understood to mean, for example in the case of an optical application, an area in which optical absorption takes place for the respective wavelength range.
  • an optical application in a non-active zone there is no absorption in the respective wavelength range.
  • more than two domains can also be provided.
  • One of the domains preferably forms a laser-active zone, while the other domain forms a passive, that is to say inactive, zone.
  • the laser effect occurs in the laser-active zone, while the passive zone can serve, for example, as a holder for the laser-active zone.
  • the passive zone can form a spacer for setting a predetermined distance between the laser-active zone and a pump source.
  • FIG. 6 a fourth exemplary embodiment of a solid body according to the invention in the form of a high-power disk laser
  • FIG. 7 in the same representation as FIG. 3, a fifth exemplary embodiment of a solid body according to the invention in the form of a Bragg reflector, FIG. 8 a highly schematic sectional view of an exemplary embodiment of a short pulse laser according to the invention and FIG. 9 a schematic sectional view of an exemplary embodiment of a regenerative amplifier according to the invention ,
  • the solid body according to the invention can be pumped with a conventional laser diode 5 without additional adaptation optics and used as a laser.
  • the beam of the laser diode 5, which is used to pump the laser-active domain 2 is divergent and the beam cross section is elliptical.
  • the beam characteristic in the near field differs from the far field, with divergence angles of around 30 ° being common. Due to diffraction effects, the beam diverges most strongly in an area perpendicular to the PN junction of the diode. Further away from the PN junction, the far field, the beam field becomes elliptical again, but this time with its long axis perpendicular to the PN junction. At a distance of approx.
  • the pump beam has an essentially circular cross section.
  • the solid body according to the invention can be attached directly to the laser diode 5 or be arranged in the immediate vicinity of the laser diode 5, that is to say in an area in which the beam cross section of the laser diode 5 is approximately circular.
  • the passive domain 1 faces the laser diode 5, while the laser-active domain 2 faces the laser diode 5.
  • the distance between the laser diode 5 and the laser-active domain 2 is chosen so that the beam of the laser diode 5 when it enters the laser-active domain.
  • ne 2 has an essentially circular beam cross section. Due to the extremely short absorption length of the laser-active domain, deviations in the beam cross-section from the desired circular beam cross-section along the laser-active domain 2 have no practical effects.
  • Another advantage of the arrangement shown in FIG. 3 is that thermal stresses in the solid state caused by beam divergences of the laser diode 5 are reduced.
  • the solid body according to the invention can thus be connected directly to the laser diode 5, which is used to pump the laser-active domain 2, instead of a window, which, as shown in FIG. 2, usually serves as dust protection in conventional lasers.
  • the passive domain primarily serves as a mechanical support for the laser-active domain.
  • the passive domain can serve as a spacer between the laser-active domain 2 and the laser diode 5, in order, for example, to maintain the distance between the laser diode 5 and the laser-active domain 2 that is required to achieve an essentially circular beam cross section of the pump beam in the laser-active domain 2.
  • the laser-active domain 2 has a thickness of approximately 50 ⁇ m, a laser diode (not shown) being used for pumping.
  • the laser-active domain 2 is doped with ytterbium and additionally with up to 10% thulium (Tm). By The combined doping with ytterbium (Yb) and thulium (Tm) enables excitation with a wavelength of 900-1000 nm, the laser beam having a wavelength of 2 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a solid body according to the invention, which has a first domain 10 which has a thickness of approximately 40 ⁇ m and consists of KYbW which is doped with 1 at% Nd.
  • the domain 10 is arranged between two domains 12, 14, which consist of potassium yttrium olframate (KYW). Since the refractive index of KYW is lower than the refractive index of KYbW, domain 10 forms a waveguide.
  • the solid body shown in FIG. 5 can be used, for example, in conjunction with a chip laser that emits at 1.4 ⁇ m.
  • One of the domains 12, 14 is made particularly thin in order to reduce the thermal resistance.
  • the absorption of the pump radiation is quasi-resonantly transmitted to the Nd.
  • the resonator mirrors are transparent at 1.06 ⁇ m and highly reflective at 1.35 ⁇ m in the second laser transition.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a solid body according to the invention, which forms a high-power disk laser in this exemplary embodiment.
  • the solid has this
  • Potassium lutetium yttrium olframate (K u ⁇ . X W) exists and serves as a mechanical support for the first domain 22.
  • the second domain 24 serves as a medium for index matching (index matching medium) reduce losses caused by ASE (amplified spontaneous emission).
  • the first domain 22 On its side facing away from the second domain 24, the first domain 22 is provided with a plurality of mirrors 26 arranged in layers one above the other, these mirrors 26 alternatingly consisting of KYW and KYbW and the relatively large difference in the refractive index of KYW and KYbW being exploited , If the reflection of the mirrors 26 is not sufficient, a dielectric mirror 28 can be provided on the side of the mirror 26 facing away from the first domain 22. Since only a part of the required total reflection has to be generated by the mirror 28, the mirror 28 can be made particularly thin, which significantly reduces its thermal resistance. In this way, a high-performance disk laser is implemented that is simple and inexpensive to manufacture.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a solid body according to the invention which has a first domain 32 which consists of KYbW.
  • the solid body according to the invention can be used in a variety of ways.
  • the solid body according to the invention can be used particularly advantageously for laser applications, for example wise for chip lasers without adjustment optics, ultra-thin disk lasers for single-frequency operation with particularly high power, planar waveguide lasers and high-power lasers without losses due to ASE.
  • the teaching according to the invention enables the implementation of thin disk lasers, since, due to the particularly short absorption length, for example of KYbW, a single pass of the pump beam through the laser-active domain is sufficient. This eliminates the complex arrangements that are required in conventional disk lasers in order to generate a multiple pass of the pump beam through the laser medium.
  • mirrors can be provided between which the laser radiation oscillates during operation of the short pulse laser 36.
  • the mirrors can be connected directly to the end faces of the solid, for example by vapor deposition.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a device according to the invention for amplifying laser radiation, which is designed as a regenerative amplifier 46 in this embodiment.
  • the regenerative amplifier 46 has a solid body 48 as the gain medium, which can be constructed, for example, like the solid body shown in FIG. 8.
  • the regenerative amplifier 46 has a laser resonator, between the resonator mirrors 50, 52 of which the solid body 48 is arranged as the gain medium.
  • the regenerative amplifier 46 also has an optical switch 54 and a polarizing beam splitter 56, the optical switch 54 serving to amplify one in the laser resonator
  • An optical isolator 62 is provided to separate a laser beam 58 to be amplified from the amplified laser beam 60.
  • the solid body according to the invention enables simple and inexpensive implementation of a a regenerative amplifier

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Festkörper, aufweisend und in einem optisch benutzten Bereich bestehend aus monoklinischen Elementarzellen. Hierbei liegt der Festkörper an jeder Stelle zumindest im optisch benutz­ten Bereich im wesentlichen dem gleichen kristallogra­phischen Koordinatensystem zugrunde, wobei der Festkörper per im optisch benutzten Bereich wenigstens zwei hin­sichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung unterschied­liche Domänen aufweist. Vorzugsweise weist der erfindungsgemässe Festkörperzumindest im optisch benutzten Bereich als Bestandteil der monoklinischen Elementarzellen Wolframat und Kalium und/oder Rubidium auf.

Description

Festkörper
Die Erfindung betrifft einen Festkörper. Zur Herstellung von Festkörperlasern werden beispielsweise Festkörper in Form von Kristallen verwendet, die aus Granat (YAG) , Vanadat (YVO) , Fluorid (YLF) , Saphir (Sa) und Glas bestehen. In diese Kristalle werden, beispielsweise als Dotierung, Ionen eingebracht, wobei im Vergleich zu einem Gaslaser die Konzentration dieser Ionen höher ist, so daß mit Festkörperlasern höhere Leistungen erreicht werden können. Als Ionen zur Dotierung eignen sich beispielsweise Elemente, die dem verwendeten Kristall chemisch ähnlich sind. Daher enthalten viele für Festkörperlaser verwendete Kristalle Yttrium (Y) , das leicht durch Ionen seltener Erden ersetzt werden kann. Als seltene Erden werden die 13 Elemente Cer (Ce) , Praseodym (Pr) , Neodym (Nd) , Promethium (Pm) , Samarium (Sm) , Europium (Eu) , Gadolinium (Gd) , Terbium (Tb) , Dysprosium (Dy) , Holmium (Ho) , Erbium (Er) , Thulium (Tm) , Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu) bezeichnet. Als Dotierungs-Ionen in einem Kristall liegen diese Ionen gewöhnlich in dreiwertiger Form vor. Ein wesentliches Merkmal bei der Auswahl von Kristallen für Festkörperlaser ist ihre Wärmeleitfähigkeit, da in dem Kristall ein erheblicher Anteil der Anregungsenergie in Wärme umgesetzt wird. Eine inhomo- gene Temperaturverteilung in dem Kristall kann zu Änderungen des Brechungsindexes führen, die Linseneffekte hervorrufen und die Resonatoreigenschaften des Festkörperlasers empfindlich verändern können.
Der wichtigste Festkörperlaser ist der Neodym-Laser, bei dem die Laserstrahlung von Nd3+-Ionen erzeugt wird. Das Nd3+-Ion wird dabei häufig in einen YAG-Kri- stall eingebracht, der eine hohe optische Verstärkung sowie geeignete mechanische und thermische Eigenschaften aufweist. Derartige YAG-Kristalle können daher sowohl für kontinuierlich emittierende als auch für ge- pulste Laser verwendet werden. Ein wesentlicher Nachteil beispielsweise von Nd:YAG-Kristallen ist die starke, über den Querschnitt des Kristalls variierende Doppelbrechung, die als Folge der Erwärmung durch die Anregung entsteht. Durch diese Doppelbrechung wird der Laserstrahl polarisiert und die Strahlqualität bei
Hochleistungslasern stark herabgesetzt. Dies erfordert den Einsatz von polarisationserhaltenden Kristallen. Der Einsatz derartiger polarisationserhaltender Kristalle oder von Anpassungsschichten zwischen einer Pumpquelle und dem Kristall führt jedoch zu einer Begrenzung der Leistung des Lasers, da es an den Grenzflächen zu einer totalen inneren Reflexion von Spontanemissionen (ASE) kommt, die eine ungewollte Erwärmung des Kristalls hervorrufen. Ein anderes für Festkörperlaser verwendetes Material ist Glas, beispielsweise Silikat- oder Phosphatglas, das beispielsweise mit Nd3+-Ionen dotiert werden kann. Derartige Gläser können höher mit Ionen dotiert werden, weshalb sie für Hochleistungs-Nd-Lasersysteme verwendet werden.
Es ist ferner bekannt, Wolframate als Kristalle für die Herstellung von Lasermaterialien zu verwenden, wobei das Ausgangsmaterial beispielsweise mit Ionen seltener Erden dotiert werden kann. Als geeignetes Dotierungsmaterial zur Herstellung von Festkörperlasern mit Strahlung im Mikrometerbereich ist beispielsweise Ytterbium (Yb) bekannt. Ein solcher Laser kann beispielsweise mittels einer Indium-Gallium- Arsenit-Laserdiode mit einer Wellenlänge von 0,9 - 1 μm angeregt werden, so daß auch einfache Energiequellen, beispielsweise Dioden mit einer Wellenlänge von 965 oder 980 nm zur Anregung des Kristalls verwendet werden können. Eine Dotierung mit Ytterbium (Yb) bietet gegen- über einer Dotierung mit Neodym (Nd) wesentliche Vorteile. Ein besonderer Vorteil besteht in dem relativ geringen Laserquanteneffekt, der zu einer geringeren Wärmeentwicklung in dem Kristall führt . Des weiteren erlaubt der sehr große Absorptionskoeffizient die Ver- wendung von dünnen Kristallschichten.
Durch eine Reduzierung der Dicke des Kristalls wird die Phasenabweichung zweier benachbarter longitu- dinaler Moden so klein, daß der Spatial-Hole-Burning- Effekt nicht auftritt. Dies führt zu Single-Frequency- Laserstrahlung.
Andererseits muß die Dicke des Kristalls ausreichend groß sein, um einen ausreichenden Anteil der Anregungsenergie zu absorbieren. Dabei hängt die minimale Dicke, die für einen solchen Betrieb erforderlich ist, von dem Grad der Dotierung des Kristalls ab. Für Dotierungen in der Größenordnung von 1,4 x 1021 cm"3 können Dicken von weniger als 100 μm erreicht werden.
Kristalle mit einer Dicke von weniger als 100 μm sind in der Fertigung jedoch nicht ohne weiteres hand- habbar, so daß die Herstellung von Hochleistungslasern mit derartigen Kristallen sehr aufwendig und damit teuer ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper anzugeben, der insbesondere auf einfache und kostengünstige Weise die Fertigung von Hochleistungs- lasern ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst . Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird unter einem optisch benutzten Bereich der für die jeweilige optische Applikation ver- wendete Bereich des Festkörpers verstanden. Bildet der Festkörper beispielsweise einen Laser, so ist der optisch benutzte Bereich derjenige Bereich, der beispielsweise vom Pumpstrahl einer Pumpquelle erfaßt wird und/oder von einem erzeugten Laserstrahl passiert wird. Unter einer Domäne wird erfindungsgemäß ein Bereich einer chemisch definierten Zusammensetzung verstanden, der aus wenigstens einer Elementarzelle besteht .
Unter einer aktiven Zone wird erfindungsgemäß bei- spielsweise bei einer optischen Applikation ein Bereich verstanden, in dem eine optische Absorption für den jeweiligen Wellenlängenbereich stattfindet. Demgegenüber findet beispielsweise bei einer optischen Applikation in einer nicht-aktiven Zone in dem jeweiligen Wel- lenlängenbereich keine Absorption statt.
Erfindungsgemäß kann der erfindungsgemäße Kristall eine einkristalline Struktur aufweisen, wobei beispielsweise eine erste aktive Domäne mittels eines geeigneten Verfahrens auf eine zweite nicht-aktive Domäne aufgebracht werden kann.
Entsprechend den jeweiligen Anforderungen können auch mehr als zwei Domänen vorgesehen sein.
Bestehen beide Domänen aus dem gleichen Ausgangs- aterial, so ergibt sich erfindungsgemäß, daß der Fest- körper aus monoklinischen Elementarzellen besteht, wobei der Festkörper in einem optisch benutzten Bereich an jeder Stelle im wesentlichen das gleiche kristallo- graphische Koordinatensystem aufweist . Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, die erfindungsgemäß vorgesehenen wenigstens zwei Domänen als separate Elemente aus monoklinischen Elementarzellen herzustellen, wobei die Verbindung der Domänen erfindungsgemäß derart erfolgt, daß in einem optisch be- nutzten Bereich des Festkörpers an jeder Stelle im wesentlichen das gleiche kristallographische Koordinatensystem vorliegt.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die beiden Domänen aus geeigneten, jedoch zueinander hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung unterschiedlichen Ausgangsmaterialien zu fertigen, solange erfindungsgemäß gewährleistet ist, daß der aus den wenigstens zwei Domänen zusammengesetzte Festkörper aus monoklinischen Elementarzellen besteht, wobei in einem optisch benutz- ten Bereich des Festkörpers an jeder Stelle im wesentlichen das gleiche kristallographische Koordinatensystem vorliegt.
Vorzugsweise bildet eine der Domänen eine laseraktive Zone, während die andere Domäne eine passive, also nicht-aktive Zone bildet. In der laseraktiven Zone tritt hierbei der Lasereffekt auf, während die passive Zone beispielsweise als Halterung für die laseraktive Zone dienen kann. Beispielsweise kann die passive Zone einen Abstandshalter zur Einstellung eines vorbestimm- ten Abstandes zwischen der laseraktiven Zone und einer Pumpquelle bilden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre besteht darin, daß der erfindungsgemäße Festkörper bei Verwendung als Laser unmittelbar mit einer Pumpquelle verbunden werden kann, ohne daß aufwendige Anpassungs- schichten oder Anpassungsoptiken zwischen der Pumpquelle und dem Festkörper erforderlich sind. Durch geeignete Wahl der Dicke der passiven Domäne in Strahlrichtung der Pumpquelle ist es beispielsweise möglich, die laseraktive Zone unmittelbar an der Pumpquelle zu befestigen, wobei die Dicke der passiven Domäne so gewählt werden kann, daß der divergierende Pumpstrahl der Pump- quelle im Bereich der laseraktiven Domäne in der ge- wünschten Weise ein im wesentlichen kreisförmiges Strahlprofil aufweist.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Kalium- Ytterbium-Wolframat (im folgenden: KYbW) besteht in einer extrem kurzen Absorptionslänge von etwa 13,3 μm bei 980 nm. Ein weiterer besonderer Vorteil von KYbW besteht in einem sehr geringen Laserquantendefekt .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten stark schematisierten Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Festkörpers dargestellt sind.
Es zeigt :
Fig. 1 eine Nahfeld- und Fernfeld-StrahlCharakteristik eines typischen Diodenlasers als Pumpquelle,
Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen im Inneren eines Gehäuses angeordneten Laser gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörpers in Form eines Lasers, Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Festkörpers in Form eines Lasers, Fig. 5 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Festkörpers in Form eines
Wellenleiters , Fig. 6 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäße Festkörpers in Form eines Hochleistungs-Scheibenlasers,
Fig. 7 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörpers in Form eines Bragg-Reflektors , Fig. 8 eine stark schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Kurzpulslasers und Fig. 9 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines erfindungs- gemäßen regenerativen Verstärkers.
Es wird zunächst auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen .
Fig. 1 stellt die Nahfeld- und Fernfeld-Strahl- Charakteristik eines Diodenlasers als Pumpquelle dar.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die Pumpquelle ein divergierendes Strahlprofil auf, wobei das Strahl- profil in einem vorbestimmten Abstand von der Pumpquelle nahezu kreisförmig ist. In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörpers dargestellt, der bei diesem Ausführungsbeispiel eine erste Domäne 1 und eine zweite Domäne 2 aufweist, die bei diesem Ausführungsbeispiel eine einkristalline Struktur bilden. Die erste Domäne 1 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine passive Domäne und besteht aus Kalium-Yttrium-Wolfra- mat, während die zweite Domäne 2 eine laseraktive Domäne bildet und aus Kalium-Ytterbium-Wolframat besteht. Der Festkörper ist an seiner Oberseite 4 und seiner Unterseite 3 mit Reflektorschichten beschichtet, um einen Laserresonator zu bilden.
Der erfindungsgemäße Festkörper kann mit einer herkömmlichen Laserdiode 5 ohne zusätzliche Anpassungs- optik gepumpt und als Laser verwendet werden. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Strahl der Laserdiode 5, der zum Pumpen der laseraktiven Domäne 2 dient, divergent und der Strahlquerschnitt elliptisch geformt. Dabei unterscheidet sich die Strahlcharakteristik im Nah- feld vom Fernfeld, wobei Divergenzwinkel von etwa 30° üblich sind. Aufgrund von Beugungseffekten divergiert der Strahl am stärksten in einem Bereich senkrecht zum PN-Übergang der Diode. In weiterer Entfernung vom PN- Übergang, dem Fernfeld, wird das Strahlfeld wieder el- liptisch, diesmal aber mit seiner langen Achse senkrecht zum PN-Übergang. In einer Entfernung von ca. 275 μm vom PN-Übergang zwischen Nah- und Fernfeld hat der Pumpstrahl einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt . Der erfindungsgemäße Festkörper kann unmittelbar an der Laserdiode 5 befestigt oder in unmittelbarer Nähe der Laserdiode 5 angeordnet werden, also in einem Bereich, in dem der Strahlquerschnitt der Laserdiode 5 näherungsweise kreisförmig ist. Dabei ist die passive Domäne 1 der Laserdiode 5 zugewandt, während die laseraktive Domäne 2 der Laserdiode 5 abgewandt ist. Die Entfernung zwischen der Laserdiode 5 und der laseraktiven Domäne 2 ist hierbei so gewählt, daß der Strahl der Laserdiode 5 beim Eintritt in die laseraktive Domä- ne 2 einen im wesentlichen kreisförmigen Strahlquerschnitt aufweist . Aufgrund der äußerst kurzen Absorptionslänge der laseraktiven Domäne sind Abweichungen des Strahlquerschnitts von dem gewünschten kreisför- migen Strahlquerschnitt entlang der laseraktiven Domäne 2 ohne praktische Auswirkungen.
Ein weiterer Vorteil der in Fig. 3 dargestellten Anordnung besteht darin, daß durch Strahldivergenzen der Laserdiode 5 hervorgerufene thermische Spannungen im Festkörper reduziert sind.
Somit kann der erfindungsgemäße Festkörper anstelle eines Fensters, das, wie in Fig. 2 dargestellt, bei herkömmlichen Lasern üblicherweise als Staubschutz dient, direkt mit der Laserdiode 5, die zum Pumpen der laseraktiven Domäne 2 dient, verbunden werden. Hierbei dient die passive Domäne bei diesem Ausführungsbeispiel vor allem als mechanischer Träger für die laseraktive Domäne. Darüber hinaus kann die passive Domäne als Abstandhalter zwischen der laseraktiven Domäne 2 und der Laserdiode 5 dienen, um beispielsweise den zur Erzielung eines im wesentlichen kreisförmigen Strahlquerschnitts des Pumpstrahles in der laseraktiven Domäne 2 erforderlichen Abstand zwischen der Laserdiode 5 und der laseraktiven Domäne 2 einzuhalten. In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörpers in Form eines Lasers dargestellt, der eine erste passive Domäne 1 und eine zweite aktive, hier laseraktive Domäne 2 aufweist, die mit einem Träger 6 verbunden ist. Die laseraktive Domä- ne weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 50 μm auf, wobei zum Pumpen eine nicht dargestellte Laserdiode verwendet wird. Bei diesem Ausführungs- beispiel ist die laseraktive Domäne 2 mit Ytterbium und zusätzlich mit bis zu 10% Thulium (Tm) dotiert. Durch die kombinierte Dotierung mit Ytterbium (Yb) und Thulium (Tm) ist eine Anregung mit einer Wellenlänge von 900-1000 nm möglich, wobei der Laserstrahl eine Wellenlänge von 2 μm aufweist . In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörpers dargestellt, der eine erste Domäne 10 aufweist, die eine Dicke von etwa 40 μm aufweist und aus KYbW besteht, das mit 1 at-% Nd dotiert ist. Die Domäne 10 ist zwischen zwei Domänen 12, 14 angeordnet, die aus Kalium-Yttrium- olframat (KYW) bestehen. Da der Brechungsindex von KYW geringer ist als der Brechungsindex von KYbW, bildet die Domäne 10 einen Wellenleiter. Der in Fig. 5 dargestellte Festkörper kann beispielsweise in Verbindung mit einem Chipla- ser verwendet werden, der bei 1.4 μm emittiert.
Eine der Domänen 12, 14 ist besonders dünn ausgebildet, um den Wärmewiderstand zu verringern. Die Absorption der Pumpstrahlung wird quasi-resonant auf das Nd übertragen. Die Resonatorspiegel sind bei 1.06 μm durchlässig und bei dem zweiten Laserübergang bei 1.35 μm hochreflektierend.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörpers dargestellt, der bei diesem Ausführungsbeispiel einen Hochleistungs- Scheibenlaser bildet. Der Festkörper weist bei diesem
Ausführungsbeispiel eine laseraktive erste Domäne 22 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel aus KYbW besteht . Ferner weist der Festkörper eine mit der ersten Domäne 22 verbundene zweite Domäne 24 auf, die bei die- sem Ausführungsbeispiel passiv ausgebildet ist und aus
Kalium-Lutetium-Yttrium- olframat (K u^.xW) besteht und als mechanischer Träger für die erste Domäne 22 dient. Darüber hinaus dient die zweite Domäne 24 als Medium zur Indexanpassung (index matching medium) , um die durch ASE (amplified spontaneous emission) verursachten Verluste zu verringern.
Hinsichlich der Verringerung der durch ASE auftretenden Verluste wird auf das US-Patent US 6,347,109 verwiesen, dessen Inhalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Auf ihrer der zweiten Domäne 24 abgewandten Seite ist die erste Domäne 22 mit einer Mehrzahl von Schicht- artig übereinander angeordneten Spiegeln 26 versehen, wobei diese Spiegel 26 abwechselnd aus KYW und KYbW bestehen und der relativ große Unterschied in dem Brechnungsindex von KYW und KYbW ausgenutzt wird. Falls die Reflexion der Spiegel 26 nicht ausreichend ist, kann auf der der ersten Domäne 22 abgewandten Seite der Spiegel 26 ein dielektrischer Spiegel 28 vorgesehen sein. Da durch den Spiegel 28 nur ein Teil der erforderlichen Gesamtreflexion erzeugt werden muß, kann der Spiegel 28 besonders dünn ausgeführt sein, was seinen Wärmewiderstand wesentlich verringert. Auf diese Weise ist ein Hochleistungs-Scheibenla- ser realisiert, der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Festkörpers dargestellt, der eine erste Domäne 32 aufweist, die aus KYbW besteht.
Der Festkörper weist ferner eine zweite Domäne 34 auf, die aus KYW besteht. Der Festkörper bildet bei diesem Ausführungsbeispiel einen verteilten Bragg-Reflektor (distributed bragg reflector) , bei dem eine Modulation des komplexen Brechungsindexes sowohl einen Realteil als auch einen Imaginärteil aufweist.
Der erfindungsgemäße Festkörper ist vielfältig einsetzbar. Besonders günstig ist der erfindungsgemäße Festkörper für Laseranwendungen verwendbar, beispiels- weise für Chiplaser ohne Anpassungsoptik, ultradünne Scheibenlaser für einen Einfrequenz-Betrieb bei besonders hoher Leistung, planare Wellenleiter-Laser und Hochleistungslaser ohne Verluste durch ASE. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Lehre die Realisierung dünner Scheibenlaser, da aufgrund der besonders geringen Absorptionslänge beispielsweise von KYbW ein einziger Durchlauf des Pumpstrahles durch die laseraktive Domäne ausreichend ist. Somit entfallen aufwendige Anordnungen, die bei herkömmlichen Scheibenlasern erforderlich sind, um einen mehrfachen Durchlauf des Pumpstrahles durch das Lasermedium zu erzeugen.
Die bei bestimmten Ausführungsbeispielen vorgesehene passive Domäne kann als mechanischer Träger für eine laseraktive Domäne, zur Steuerung bzw. Anpassung des Brechungsindexes oder zur Erzeugung einer hohen kubischen Nichtlinearität dienen.
In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kurzpulslasers 36 dargestellt, der einen erfindungsgemäßen Festkörper aufweist, der bei diesem
Ausführungsbeispiel mehrschichtig ausgebildet ist und eine laseraktive Domäne 2 aufweist, die sandwichartig zwischen zwei passiven Domänen 1, 1' angeordnet ist. Mit den der laseraktiven Domäne 2 abgewandten Flächen der passiven Domänen 1, 1' sind Beschichtungen 38, 40 verbunden. Zur Kühlung des Festkörpers ist ein Kühlkörper 42 vorgesehen, der mit dem der passiven Domäne 1' abgewandten Fläche der Beschichtung 40 verbunden ist. Zum Pumpen der laseraktiven Domäne 2 des Festkörpers ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Laserdiode 44 vorgesehen, die Pumpstrahlung in die laseraktive Domäne 2 emittiert.
Zur Bildung eines Laserresonators können in der Zeichnung nicht dargestellte Spiegel vorgesehen sein, zwischen denen bei Betrieb des Kurzpulslasers 36 die Laserstrahlung oszilliert. Um die Anzahl der Bauteile und damit den Aufwand zur Herstellung des Kurzpulslasers 36 gering zu halten, ist es zweckmäßig, daß die Spiegel direkt mit den Endflächen des Festkörpers verbunden sind, beispielsweise durch Aufdampfen.
Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung ermöglicht die Verstärkung von Laserstrahlung durch einen einfachen oder mehrfachen Durchgang der Laserstrahlung durch die laseraktive Domäne 2. Zusätzliche Spiegel sind hierzu grundsätzlich nicht erforderlich.
In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verstärkung von Laserstrahlung dargestellt, die bei diesem Ausführungsbei- spiel als regenerativer Verstärker 46 ausgebildet ist. Der regenerative Verstärker 46 weist als Verstärkungsmedium einen Festkörper 48 auf, der beispielsweise so aufgebaut sein kann wie der in Fig. 8 dargestellte Festkörper. Der regenerative Verstärker 46 weist einen Laserresonator auf, zwischen dessen Resonatorspiegeln 50, 52 der Festkörper 48 als Verstärkungsmedium angeordnet ist. Der regenerative Verstärker 46 weist ferner einen optischen Schalter 54 und einen polarisierenden Strahlteiler 56 auf, wobei der optische Schalter 54 dazu dient, einen in dem Laserresonator verstärkten
Puls oder Pulszug auszukoppeln, sobald eine gewünschte Verstärkung erreicht ist. Zur Trennung eines zu verstärkenden Laserstrahles 58 von dem verstärkten Laserstrahl 60 ist ein optischer Isolator 62 vorgesehen. Aufbau und Funktionsweise eines regenerativen Verstärkers sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert .
Der erfindungsgemäße Festkörper ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die Realisierung ei- nes regenerativen Verstärkers,

Claims

Ansprüche
1. Festkörper, aufweisend und in einem optisch benutzten Bereich bestehend aus monoklinischen Elementarzellen, wobei der Festkörper an jeder Stelle zumindest im optisch benutzten Bereich im wesentlichen dem gleichen kristallographischen Koordinatensystem zugrunde liegt, und der Festkörper im optisch benutzten Bereich wenigstens zwei hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung un- terschiedliche Domänen aufweist.
2. Festkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch benutzte Bereich mindestens eine aktive und mindestens eine nicht-aktive Zone aufweist.
3. Festkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zumindest im optisch benutzten Bereich als Bestandteil der monoklinischen Elementarzellen Wolframat und Kalium und/oder Rubidium aufweist.
4. Festkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zumindest im optisch benutzten Bereich als Bestandteil der monoklinischen Elementarzellen min- destens ein Element aus der Gruppe Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, T , Yb, Lu aufweist.
5. Festkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zumindest im optisch benutzten Bereich als Substitut für Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu als Bestandteil mindestens ein Element aus der Gruppe La, Ce, Pr, Nd, Pm aufweist.
6. Festkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der optisch benutzte Bereich aus KYb(W04)2 oder aus Yb-substituiertem KYb(W04)2 besteht, wobei es sich bei den Substitutionsatomen um die in Anspruch 5 erwähnten und beim KYb (W04) 2 um eine Niedertemperaturmodifikation handelt.
7. Festkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der chemischen Zusammensetzung zwischen den mindestens zwei Domänen in einer einzigen Richtung verläuft.
8. Festkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der passiven Zone des optisch benutzten Bereiches mindestens ein Element X aus der Gruppe Y, Gd, Lu in der Zusammensetzung KxRbyX(W04)2 enthalten ist, mit x=0-l und y=l-0, wobei y+x=l .
9. Festkörper nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Zusammensetzung um KX(W04)2, KxRbyX(W04)2 oder RbX(W04)2 handelt, mit x=0-l und y=l-0, wobei y+x=l .
10. Festkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der aktiven Zone
LnxKYby (W04) 2 enthalten ist, wobei Ln mindestens ein Ele- ment aus der Gruppe Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu ist, mit x=0-l und y=l-0, wobei x+y=l.
11. Festkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei RExKYby (W04) 2 um REK(W04)2, RExKYby(W04)2 oder KYb(W04)2 handelt, mit x=0-l und y=l-0, wobei x+y=l .
12. Festkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Bereiche mit substituierten Atomen aufweist, die gebildet worden sind mittels Epitaxie, insbesondere Molekularstrahl- oder Flüs- sig-Epitaxie, hydrothermaler Züchtung, CVD, Sputtern oder Diffusionsbonden.
13. Festkörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche mit substituierten Atomen bei schichtartiger Ausgestaltung eine Dicke von etwa 50 μm, insbesondere von 30 μm, aufweisen.
14. Kohärente elektromagnetische Strahlung erzeugende Vorrichtung, insbesondere Laser, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Festkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
15. Verwendung eines Festkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für einen Laser, insbesondere Scheiben- oder Chiplaser.
16. Verwendung eines Festkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Wellenleiter, Spiegel oder Bragg- Reflektor.
17. Verwendung eines Festkörpers nach einem der An- sprüche 1 bis 13 als Wellenleiter, dessen Spiegel als Bragg-Reflektoren ausgebildet sind.
18. Vorrichtung zur Verstärkung kohärenter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit einem Verstärkungsmedium,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verstärkungsmedium einen Festkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist .
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Verstärkung gepulster elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung ausgebildet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als regenerativer Verstärker (46) ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmedium innerhalb eines Resonators angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verst rkungsmedium außerhalb eines Resonators angeordnet ist.
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