WO2014072055A1 - Optisch endgepumpter slab-verstärker mit verteilt angeordneten pumpmodulen - Google Patents

Optisch endgepumpter slab-verstärker mit verteilt angeordneten pumpmodulen Download PDF

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Peter RUSSBÜLDT
Guido Rotarius
Thomas Sartorius
Johannes Weitenberg
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Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • the present invention relates to an optical end-pumped amplifier and / or oscillator comprising a plate-shaped optical gain medium bounded by two opposing major surfaces and two opposing first and second side surfaces, and a plurality of pump laser units for optically pumping the gain medium through at least one of the first Has side surfaces.
  • the pump laser units direct pump laser radiation as
  • Such amplifiers or oscillators are also under the terms InnoSlab amplifier in
  • the gain medium is usually formed by a suitably doped crystal.
  • the pumped volume is very well adapted to the radiation characteristics of laser diode bars. These amplifiers enable the amplification of laser radiation to high average powers with almost diffraction-limited beam quality.
  • the mean output power can be calculated across the width or the aspect ratio of the cross-section of the pumped
  • a hybrid resonator of cylindrical mirrors is arranged around the amplification medium in order to control those in the volume pumped
  • Hybrid resonator perpendicular to the linearly pumped volume or the correspondingly elongated Pump cross-section stable and unstable parallel to the pumped line. Since laser diode bars or stacks of several laser diode bars are usually used as pumping light sources, the direction perpendicular to the pumped line can also be referred to as the fast direction and the direction parallel to the pumped line can also be referred to as the slow direction. With a suitable
  • Resonator design can be achieved not only in the fast direction of a diffraction-limited beam quality, but also in the slow direction. This assumes that the induced thermal lens in the amplifier material is homogeneous in the slow direction. This can be done by
  • Homogenization of the radiation distribution of the laser diode bars used for pumping in the slow direction can be achieved before being imaged or focused in the gain medium.
  • Figure 1 shows an example of such an amplifier arrangement in plan view ( Figure la) and in side view ( Figure lb).
  • the pump light source 1 consists of a stack of laser diode bars whose pump laser radiation is coupled via a focusing optics 2 into a homogenizer 3, which is realized by a waveguide.
  • Exiting homogenized pump laser radiation is then focused via pumping optics 4 through one of the resonator mirrors 5 of the hybrid resonator into the amplification medium 6, for example an Nd: YVO 4 crystal.
  • pump laser units 9 consisting of pump light source, focusing optics, homogenizer and pumping optics is a line-shaped in cross-section
  • Such optically pumped amplifiers also known by the terms Innoslab laser or Innoslab amplifier, are described, for example, in WO 97/029529 A1 or in WO 00/74185 A1.
  • DE 196 17 711 A1 also shows such an InnoSlab laser or InnoSlab amplifier.
  • Previously used pump assemblies for Innoslab lasers or Innoslab amplifiers include a laser diode stack as a pumping light source, a focusing optics, a homogenizer, pumping optics for focusing into the gain crystal and a dichroic pumping mirror to separate laser and pump light radiation. To produce the required high pump intensities, however, the homogenization and
  • Laser crystals the previously implemented pumping optics require by far the largest share of the total effort of the laser or amplifier system.
  • a technically given brilliance of laser diode ingots 100-200 W, about 100 nm in the slow direction, as of 2012
  • the beam quality of the pump laser radiation is the
  • Laser diode bars with a combined total of 600W pump power require 2 x 14 lenses, making the overall optics of the pump laser units large and expensive.
  • Another difficulty is the incident angle range of the pump laser radiation on the separation of the laser to be amplified from the pump laser radiation
  • Angle of incidence pumping at a wavelength near the laser wavelength such as the zero line of Yb 3+ laser ions.
  • US 2004/0052284 AI describes a slab laser, in which the gain medium is used as a waveguide.
  • the pump laser radiation does not propagate freely through the gain medium as with respect to the short axis in an InnoSlab laser InnoSlab amplifier is the case.
  • WO 2012/014191 AI does not concern InnoSlab laser or
  • InnoSlab amplifier with the appropriate pumping requirements, but a fiber laser, in which a waveguide takes place in the gain medium.
  • the object of the present invention is to provide an optical amplifier arrangement for an Innoslab laser or Innoslab amplifier with a plate-shaped gain medium, which requires a lower optical complexity for the pump laser units with the same amplifier performance as the arrangements of the prior art described above Further power scaling from previously about 500-1000W to up to 5000W and more possible or simplified.
  • the task is with the optically pumped
  • Amplifier or oscillator according to claim 1 solved.
  • Advantageous embodiments of the amplifier or oscillator are the subject of the dependent
  • the proposed optically pumped amplifier and / or oscillator comprises a plate-shaped optical gain medium bounded by two opposing major surfaces and two opposing first and second side surfaces, respectively.
  • This gain medium may be a doped one
  • Be laser crystal preferably a Ytterbiumdotierter laser crystal, as in the preceding Innoslab lasers or Innoslab amplifiers is used.
  • the amplifier or oscillator includes a plurality of pump laser units for optically pumping the gain medium through at least one of the first side surfaces over which one to reinforce
  • Laser beam propagated through the gain medium. It is thus in the proposed optically pumped amplifier or oscillator to a so-called.
  • the pump laser units direct pump laser radiation as a beam on the at least one first side surface and are so
  • the generated pump laser radiation when passing through the gain medium has an elongate beam cross section with a short and a parallel to the major surfaces of the gain medium extending long axis, preferably an elongated, rectangular beam cross section with an aspect ratio greater than 1: 3.
  • the pump laser radiation propagates freely through the medium, as is known from InnoSlab lasers or InnoSlab amplifiers, so it is not guided as in a waveguide.
  • the power density distribution of the pump laser radiation is across the width of the Gain medium preferably at least approximately constant.
  • This optics can be, for example, the beam shaping optics, an optional homogenizer and the pump optics.
  • pump laser sources single or stacked laser diode bars are preferably used.
  • the typical output power of a pump laser unit is in the range 100-1000W.
  • the short axis of the beam cross section thus corresponds to the fast direction, the long axis of the slow direction of
  • the pump laser units are also referred to below as pump modules.
  • laser pump sources other lasers such as, for example, solid state, fiber, dye or gas lasers can be used.
  • the pump laser radiation can also be brought to the pump optics via fiber bundles.
  • the proposed optically pumped amplifier or oscillator is characterized in that on the one hand in each case a plurality of pump laser units are used for pumping through one of the first side surfaces or through both first side surfaces.
  • the optical axes of the pump laser units are arranged so that the beam bundles of the pump laser units with their major axes in a plane perpendicular to the short axis at an angle to each other, ie not parallel to each other, impinge on the respective first side surface and thereby the beam cross sections the beam on the first Overlay side surface.
  • the pumping can take place from one side, ie via one of the first side surfaces or symmetrically from both sides, ie via both first side surfaces.
  • Main axis of the beam is to understand the axis of the center of gravity of the beam.
  • the previously realized one pump beam path per side or first side surface of the gain medium is thus divided into N ⁇ 2 beam paths or pump laser units which direct the pump laser radiation at different angles in the plane parallel to the main surfaces of the gain medium on the respective side surface.
  • the numerical aperture of the individual incident ones can thereby be determined
  • the numerical aperture of the incident pump laser radiation is large in the slow direction, while it is negligibly small in the fast direction.
  • the numerical aperture required on the image side of the optics of the individual pump laser units can be divided into several
  • Pump laser units are reduced to the Nth part.
  • the necessary pumping intensity in the gain medium is then achieved by the angle superimposition of the N beam of the pump laser radiation.
  • the number of optical elements per pump laser unit can thereby be reduced. In the case mentioned in the introduction to the description, if the number of pump units doubles to 4 pump units according to FIG.
  • the required diameter of the pump optics and the length of the beam paths in the pump laser units are reduced by about half. As a result, the entire pumping arrangement can be made more compact.
  • Another advantage of the proposed angle superposition of many simple, equally constructed pump laser units is the ease of scaling to larger widths
  • the gain medium is arranged between at least two mirrors, which multiply the laser beam to be amplified by the
  • Steer gain medium preferably on one
  • ytterbium-doped laser crystals may also be used at two different wavelengths, e.g. at 940nm and 968nm for Yb: YAG crystals, pumping and thus increasing the pumping intensity by wavelength superposition. Pumping at 968 nm is under the influence of dichroic pumping mirrors due to the mirror design
  • the wavelength superposition can take place directly at the location of the pump laser sources or laser diodes or only in the gain medium by two separate
  • the gain medium must allow pumping at these wavelengths.
  • the wavelength is again reflected into the amplification medium via a dichroic mirror arranged in the pump beam path of the opposite pump laser unit, and vice versa.
  • a dichroic mirror arranged in the pump beam path of the opposite pump laser unit, and vice versa.
  • Polarization coupling at the location of the pump laser sources can also increase the pumping intensity.
  • Polarization can also be used to refract the pump laser radiation, as with the different wavelengths.
  • a combination of different polarizations and different wavelengths is possible to increase the pumping intensity.
  • the second side surfaces of the reinforcing medium are optically polished and the first side surfaces extend at an angle of 90 ° to the major surfaces, which in turn are not optically polished but are preferably roughened or ground.
  • the major surfaces which in turn are not optically polished but are preferably roughened or ground.
  • the second side surfaces are optically polished to over Waveguide or reflection to achieve a uniform distribution of the pump laser radiation across the width of the gain medium as well as a greater depth of the gain medium.
  • this polished second side surfaces could form gallery modes, which are then avoided by the tilting of the first side surfaces. In this way, a symmetrical illumination when pumping the gain medium from one or both sides can be achieved without the formation of such disturbing gallery modes.
  • the pump laser units are with respect to
  • pump laser units used.
  • an odd number of pump laser units is likewise conceivable, since a pairwise symmetrical arrangement with a pump module whose main axis is perpendicular to the first side surface coincides with itself.
  • the arrangement of the pump laser units on one side of the gain medium is preferably mirror-symmetrical
  • the pump laser units selected on the other side of the gain medium, so that both sides are pumped symmetrically to each other. This leads to a uniform distribution of the pump laser radiation in the gain medium.
  • the pump laser powers of the individual pump laser units are the same. However, it is also possible to use different pump laser powers for the individual pump laser units,
  • the proposed amplifier can be constructed such that the laser beam to be amplified only passes once through the amplification medium.
  • a folded arrangement is used in which the laser beam to be amplified is directed several times through one or more mirrors through the gain medium.
  • a laser oscillator with a corresponding gain medium or laser crystal is to be understood as the optical amplifier.
  • the proposed optical amplifier is particularly suitable for the implementation of Q-switched oscillators with short ns pulse durations and for the amplification of pulsed laser radiation to high average
  • the average output power can be over the
  • Width or the aspect ratio of the pumped volume almost arbitrarily in the kW range scale.
  • Fig. 1 is an example of an optically pumped
  • Fig. 2 shows a first example of an optically pumped
  • Fig. 3 shows a second example of an optical signal
  • Fig. 5 shows an example of the tilt of the first
  • Fig. 6a shows an example of the beam path to
  • Gain medium in plan view of the main surface of the gain medium
  • Fig. 6b the example of Figure 6a in side view.
  • Fig. 7 shows another example of the beam path of the laser beam to be amplified by the gain medium in plan view of the main surface of the gain medium.
  • Figure 2 now shows an example of an optically end-pumped amplifier according to the present invention.
  • the arrangement shown in Figure 2 shows a slab crystal 7 as a gain medium between two resonator mirrors 5.
  • the laser beam 8 to be amplified is folded twice by these mirrors, so that it passes through the slab crystal 7 a total of three times.
  • Each pump module has a laser diode bar 10, an upstream focusing optics 2 for coupling into a homogenizer 3, i. here one for the
  • Waveguide Waveguide, a deflection mirror 11 and a
  • the pump modules 9 and thus the entire pumping arrangement can thus be made more compact. Even- understandably, the number of pumping modules 9 per
  • the following parameters or dimensions for the pumping modules can be used with an exemplary width of the slab box 7 of 10-40 mm:
  • FIG. 3 shows a further example of a
  • Pumping arrangement according to the present invention.
  • only the gain medium 6 with the individual pump modules 9 is shown.
  • four pumping modules 9 are used per pumping side surface of the gain medium 6.
  • these pumping modules 9 are symmetrical in pairs
  • laser diode bars 10 are used as pump laser sources emitting at different wavelengths ⁇ , ⁇ 2. This is also indicated in the figure. In this case, a wavelength superposition takes place in the amplification medium 6. In this way, the pump power density and / or the energy deposited in the amplification medium can be increased.
  • the laser diode bars 10 may also consist of two polarization-coupled laser diodes. In the example of Figure 3 is additionally still a so-called. Pumplicht Wegfaltung realized, in which a through the gain medium through and unabsorbed portion of the pump laser radiation is passed through a mirror again through the gain medium. For this purpose, each pumping modules of different wavelengths in the beam direction of
  • dichroic mirrors 13 which are permeable to the wavelength of the pump laser radiation of the respective pump module but highly reflective for the wavelength of the pump laser beam which has passed through the amplification medium from the opposite side can be used in the respective beam paths.
  • a waveguide of the pump laser radiation in the slow direction in the amplification medium should be made possible.
  • the first side surfaces should then be tilted from a perpendicular orientation to the major surfaces and these major surfaces should not be polished, i. e.g. roughened or sanded.
  • For a uniform distribution of the pump laser radiation in the gain medium should also be chosen a symmetrical arrangement of the pumping modules with respect to the respective side surface.
  • Innoslab laser is the pumping radiation on the optical axis 14 of the laser or amplifier, as indicated in Figure 3, and with smaller numerical Aperture irradiated through the first side surfaces.
  • the slab crystal is usually doped so high that the pump laser radiation 12 is already absorbed in the front region of the laser crystal, as shown schematically in Figure 4a in view through one of the main surfaces of the slab crystal 7. Therefore, the four remaining side surfaces of the slab crystal, ie, the two major surfaces as well as the two second side surfaces, are matte ground and only the first two side surfaces are optically polished.
  • the gain medium is preferably also optically polished on the two second side surfaces. The reason for this will be explained with reference to FIG. If the pumped light radiation 12 falls on the first side surface or facet of the slab crystal 7 at an angle to the optical axis, shadow regions 18 form
  • first side surfaces or entrance facets of the slab crystal 7 are tilted so much that no unwanted fashion can form, without including the two major main surfaces, which also serve for heat dissipation. This is shown in the figure 5, which in the upper part in perspective view the slab crystal 7 with one of
  • the tilt angle ⁇ is in this cross section of the angle between the
  • ground rough surface of the two main surfaces 15 is the oscillation of the unwanted modes
  • the tilt angle ⁇ can also be smaller. In this case, it is exploited that only the central area of the Slab crystal is pumped and the
  • Gallery modes by unpumped areas are so large that the absorption in these areas is greater than the gain in the pumped area, gallery modes are also suppressed.
  • FIG. 6a shows a further example in plan view of FIG
  • the two resonator mirrors are designed and arranged in this arrangement so that they form a kind of hybrid resonator which is unstable in the plane parallel to the major surfaces of the slab crystal 7 and stable in the plane perpendicular thereto.
  • cylindrical resonator mirrors 5 are used whose foci lie together at a point F outside the resonator.
  • the input beam is coupled off-axis into the resonator, as can be seen in FIG. 6a.
  • Fig. 6b shows the relationships in side view (top view of the second side surface of the slab crystal).
  • Arrangement of the resonator 5 is selected so that, taking into account the thermal lensing effect of the slab crystal 7 each have a beam waist on the resonator 5 occurs.
  • Fig. 7 is shown in plan view of the main surface of the slab crystal 7.
  • two planar resonator 5 are used, which are arranged at an angle ß to each other, about the full divergence angle to be amplified
  • Laser beam 8 corresponds.
  • the pumping modules are not shown in FIGS. 6 and 7.
  • optical axis in Figure 3 although advantageous but not mandatory for the function of the proposed optical amplifier required.
  • amplifier materials which, in the unpumped state, are too
  • Each pumping module with geometrically separated from the other pumping modules beam path excites the gain medium in the slow direction preferably over the entire or almost entire width of the gain medium.
  • the geometrically separate beam path of the pump modules is spatially superimposed on the location of the gain medium over the angle. An arrangement of beam cross sections or pumping lines does not take place.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch endgepumpten Verstärker mit einem plattenförmigen optischen Verstärkungsmedium (6, 7) sowie mehreren Pumplasereinheiten (9) zum optischen Pumpen des Verstärkungsmediums (6, 7) durch mindestens eine seiner schmalen Seitenflächen (17). Die Pumplasereinheiten (9) sind so ausgebildet, dass die Pumplaserstrahlung (12) beim Durchtritt durch das Verstärkungsmedium (6, 7) einen lang gestreckten Strahlquerschnitt mit einer kurzen und einer parallel zu den Hauptflächen (15) des Verstärkungsmediums (6, 7) verlaufenden langen Achse aufweist und bezüglich der kurzen Achse frei durch das Verstärkungsmedium (6, 7) propagiert. Sie sind dabei so angeordnet, dass jeweils die Strahlenbündel mehrerer Pumplasereinheiten (9) mit ihren Hauptachsen in einer Ebene senkrecht zur kurzen Achse unter einem Winkel zueinander auf eine der gepumpten Seitenflächen (17) auftreffen, wobei sich die Strahlquerschnitte der Strahlenbündel überlagern. Mit dem vorgeschlagenen Verstärker lassen sich die Pumplasereinheiten gegenüber bekannten Anordnungen bei gleicher Verstärkerleistung kompakter, einfacher und damit kostengünstiger aufbauen.

Description

Optisch endgepumpter Slab-Verstärker mit verteilt angeordneten Pumpmodulen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch endgepumpten Verstärker und/oder Oszillator, der ein plattenförmiges optisches Verstärkungsmedium, das durch zwei sich gegenüberliegende Hauptflächen und jeweils zwei sich gegenüberliegende erste und zweite Seitenflächen begrenzt ist, und mehrere Pumplasereinheiten zum optischen Pumpen des Verstärkungsmediums durch mindestens eine der ersten Seitenflächen aufweist. Die Pumplasereinheiten richten Pumplaserstrahlung als
Strahlenbündel auf mindestens eine erste Seitenfläche und sind so ausgebildet, dass die Pumplaserstrahlung beim Durchtritt durch das Verstärkungsmedium einen langgestreckten Strahlquerschnitt mit einer kurzen und einer parallel zu den Hauptflächen verlaufenden langen Achse aufweist. In Richtung der kurzen Achse propagiert die Pumplaserstrahlung frei durch das Medium ohne die Hauptflächen zu tangieren, das Medium wird partiell endgepumpt. Derartige Verstärker bzw. Oszillatoren sind auch unter den Begriffen InnoSlab-Verstärker in
Verbindung mit Spiegeln, die den zu verstärkenden
Laserstrahl mehrfach durch das Verstärkungsmedium lenken, oder als InnoSlab-Laser in Verbindung mit einem instabilen Resonator bekannt. Das Verstärkungsmedium wird dabei in der Regel durch einen geeignet dotierten Kristall gebildet. Ein optisch gepumpter Verstärker mit einem
plattenförmigen Verstärkungsmedium bietet viele
Vorteile gegenüber anderen Verstärker- bzw. Laserkonzepten. Durch das partielle Endpumpen eines
langgestreckten, rechteckigen Querschnitts mit einem Seitenverhältnis größer 1:3, im Folgenden als Linie bezeichnet, wird eine Reduktion thermischer
Aberrationen gegenüber einem endgepumpten Stablaser und damit eine gute Strahlqualität bei hohen mittleren Leistungen erreicht. Das gepumpte Volumen ist sehr gut an die Abstrahlcharakteristik von Laserdioden-Barren anpassen. Diese Verstärker ermöglichen die Verstärkung von Laserstrahlung auf hohe mittlere Leistungen bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität. Die mittlere Ausgangsleistung lässt sich über die Breite bzw. das Aspektverhältnis des Querschnitts des gepumpten
Volumens nahezu beliebig skalieren. Über die beiden großflächigen Hauptflächen des Verstärkungsmediums lässt sich eine effiziente Kühlung des Verstärkungs- mediums erreichen.
Stand der Technik
Bei bekannten Anordnungen zum optischen Pumpen eines plattenförmigen Verstärkungsmediums ist sowohl in Oszillatoren als auch in Verstärkern ein Hybridresonator aus Zylinderspiegeln um das Verstärkungs- medium angeordnet, um die im gepumpten Volumen
gespeicherte Energie effizient zu extrahieren. Zusammen mit der sich im Betrieb im Verstärkermaterial
ausbildenden homogenen Zylinderlinse ist der
Hybridresonator senkrecht zum linienformig gepumpten Volumen bzw. dem entsprechend langgestreckten Pumpquerschnitt stabil und parallel zur gepumpten Linie instabil. Da als Pumplichtquellen in der Regel Laserdioden-Barren oder Stapel aus mehreren Laserdioden- Barren eingesetzt werden, kann die Richtung senkrecht zur gepumpten Linie auch als Fast-Richtung und die Richtung parallel zur gepumpten Linie auch als Slow- Richtung bezeichnet werden. Mit einem geeigneten
Resonatordesign kann nicht nur in Fast-Richtung eine beugungsbegrenzte Strahlqualität erreicht werden, sondern auch in Slow-Richtung . Dies setzt voraus, dass die induzierte thermische Linse im Verstärkermaterial in Slow-Richtung homogen ist. Dies kann durch
Homogenisierung der Strahlungsverteilung der zum Pumpen eingesetzten Laserdioden-Barren in Slow-Richtung erreicht werden, bevor sie in das Verstärkungsmedium abgebildet bzw. fokussiert wird.
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine derartige Verstärkeranordnung in Draufsicht (Figur la) und in Seitenansicht (Figur lb) . Die Pumplichtquelle 1 besteht in diesem Beispiel aus einem Stapel aus Laserdioden- Barren, deren Pumplaserstrahlung über eine Fokussier- optik 2 in einen Homogenisator 3 eingekoppelt wird, der durch einen Wellenleiter realisiert ist. Die am
gegenüberliegenden Ende aus dem Homogenisator 3
austretende homogenisierte Pumplaserstrahlung wird dann über eine Pumpoptik 4 durch einen der Resonatorspiegel 5 des Hybridresonators in das Verstärkungsmedium 6, bspw. einen Nd: YV04-Kristall , fokussiert. Durch
geeignete Ausbildung der Pumplasereinheiten 9 bestehend aus Pumplichtquelle, Fokussieroptik, Homogenisator und Pumpoptik wird ein im Querschnitt linienförmiges
Pumpvolumen in dem Verstärkungsmedium 6 gepumpt . Derartige optisch gepumpte Verstärker, auch unter den Begriffen Innoslab-Laser oder Innoslab-Verstärker bekannt, sind bspw. in der WO 97/029529 AI oder in der WO 00/74185 AI beschrieben. Auch die DE 196 17 711 AI zeigt einen derartigen InnoSlab-Laser bzw. InnoSlab- Verstärker. Die bisher verwendeten Pumpanordnungen für Innoslab-Laser oder Innoslab-Verstärker umfassen einen Laserdioden-Stapel als Pumplichtquelle, eine Fokussier- optik, einen Homogenisator, eine Pumpoptik für die Fokussierung in den Verstärkerkristall und einem dichroitischen Pumpspiegel, um Laser- und Pumplichtstrahlung zu trennen. Zur Erzeugung der erforderlichen hohen Pumpintensitäten kann jedoch die Homogenisierung und
Abbildung der linienförmigen Leistungsdichteverteilung auf die Eintrittsfläche des Verstärkungsmediums optisch sehr aufwändig sein. Der Aufwand für die Pumpoptiken steigt mit wachsender numerischer Apertur und Linienbreite bzw. Aspektverhältnis des Strahlquerschnitts. Dies gilt insbesondere aber nicht ausschließlich für Ytterbium-dotierte Lasermaterialien, die besonders hohe Pumpintensitäten in der Größenordnung 50kW/cm2, kleine Linienhöhen << 1mm und kleine Pumplichtdivergenzen in Fast-Richtung erfordern. Im Falle von Innoslab-Lasern bzw. Innoslab-Verstärkern mit Ytterbium-dotierten
Laserkristallen, erfordern die bisher realisierten Pumpoptiken den bei weitem größten Anteil am Gesamt- aufwand des Laser- bzw. Verstärkersystems. Bei einer technisch gegebenen Brillanz von Laserdioden-Barren (100-200W, etwa lOOOmmmrad in slow-Richtung, Stand 2012), kann es zur Erzeugung der notwendigen Pumpintensität im Verstärkungsmedium bzw. Laserkristall erforderlich sein, die Pumplaserstrahlung der Laserdioden-Barren um den Faktor 5 in Slow-Richtung
verkleinert in das Verstärkungsmedium abzubilden. Dabei wird die Strahlqualität der Pumplaserstrahlung der
Laserdioden-Barren in Fast-Richtung bei der Abbildung erhalten. Die notwendige große numerische Apertur der Abbildung in das Verstärkungsmedium von NA = 0,5 in Slow-Richtung in Verbindung mit dem großen Bildfeld in Slow-Richtung bei Erhaltung der beugungsbegrenzten Strahlqualität in Fast-Richtung kann bspw. für 4
Laserdiodenbarren mit zusammen 600W Pumpleistung insgesamt 2 x 14 Linsen erfordern, so dass die gesamte Optik der Pumplasereinheiten groß und teuer wird. Eine weitere Schwierigkeit besteht im Einfallswinkelbereich der Pumplaserstrahlung auf den zur Trennung der zu verstärkenden Laser- von der Pumplaserstrahlung
notwendigen dichroitischen Pumpspiegel . Der große
Winkelbereich von bis zu NA 0,5 lässt sich zwar
technisch realisieren, allerdings nur auf Kosten einer verkleinerten Zerstörschwelle der dichroitischen
Pumpspiegel, die diese Elemente damit zum schwächsten Glied in der Optikkette machen. Weiterhin verhindert der dichroitische Pumpspiegel aufgrund der großen
Einfallswinkel das Pumpen mit einer Wellenlänge nahe der Laserwellenlänge, wie bspw. der Zero-Linie von Yb3+-Laserionen.
Die US 2004/0052284 AI beschreibt einen Slab- Laser, bei dem das Verstärkungsmedium als Wellenleiter genutzt wird. Die Pumplaserstrahlung propagiert dabei nicht frei durch das Verstärkungsmedium wie dies bezüglich der kurzen Achse bei einem InnoSlab-Laser bzw. InnoSlab-Verstärker der Fall ist. Auch die WO 2012/014191 AI betrifft keinen InnoSlab-Laser bzw.
InnoSlab-Verstärker mit den entsprechenden Pumpanforderungen, sondern einen Faserlaser, bei dem eine Wellenleitung im Verstärkungsmedium erfolgt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Verstärkeranordnung für einen Innoslab-Laser oder Innoslab-Verstärker mit einem plattenförmigen Verstärkungsmedium anzugeben, die bei gleicher Verstärkerleistung wie die oben beschriebenen Anordnungen des Standes der Technik einen geringeren optischen Aufwand für die Pumplasereinheiten erfordert bzw. eine weitere Leistungsskalierung von bisher etwa 500-1000W auf bis zu 5000W und mehr ermöglicht oder vereinfacht .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem optisch gepumpten
Verstärker bzw. Oszillator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verstärkers bzw. Oszillators sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Der vorgeschlagene optisch gepumpte Verstärker und/oder Oszillator weist ein plattenförmiges optisches Verstärkungsmedium auf, das durch zwei sich gegenüberliegende Hauptflächen und jeweils zwei sich gegen- überliegende erste und zweite Seitenflächen begrenzt ist. Dieses Verstärkungsmedium kann ein dotierter
Laserkristall sein, vorzugsweise ein Ytterbiumdotierter Laserkristall, wie er auch in den vorangehend erläuterten Innoslab-Lasern bzw. Innoslab-Verstärkern eingesetzt wird. Der Verstärker bzw. Oszillator weist mehrere Pumplasereinheiten zum optischen Pumpen des Verstärkungsmediums durch mindestens eine der ersten Seitenflächen auf, über die ein zu verstärkender
Laserstrahl durch das Verstärkungsmedium propagiert. Es handelt sich damit bei dem vorgeschlagenen optisch gepumpten Verstärker bzw. Oszillator um einen sog.
endgepumpten oder longitudinal gepumpten Verstärker bzw. Oszillator, bei dem die Pumplaserstrahlung im Wesentlichen entlang der Achse der zu verstärkenden Laserstrahlung in das Verstärkungsmedium eingekoppelt wird. Die ersten Seitenflächen, durch die sowohl die Pumplaserstrahlung als auch die zu verstärkende
Laserstrahlung in das Verstärkungsmedium ein- bzw. aus dem Verstärkungsmedium austritt, weisen dabei im
Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt mit einer größeren Breite als Höhe auf . Die Pumplasereinheiten richten Pumplaserstrahlung als Strahlenbündel auf die mindestens eine erste Seitenfläche und sind so
ausgebildet, dass die erzeugte Pumplaserstrahlung beim Durchtritt durch das Verstärkungsmedium einen lang gestreckten Strahlquerschnitt mit einer kurzen und einer parallel zu den Hauptflächen des Verstärkungs- mediums verlaufenden langen Achse aufweisen, vorzugsweise einen langgestreckten, rechteckigen Strahlquerschnitt mit einem Seitenverhältnis größer 1:3.
Bezüglich der kurzen Achse propagiert die Pumplaserstrahlung dabei frei durch das Medium, wie dies von InnoSlab-Lasern bzw. InnoSlab-Verstärkern bekannt ist, wird also nicht wie in einem Wellenleiter geführt. In Richtung der langen Achse ist die Leistungsdichteverteilung der Pumplaserstrahlung über die Breite des Verstärkungsmediums vorzugsweise zumindest annähernd konstant. Unter einer Pumplasereinheit ist hierbei die Kombination aus Pumplaserquelle und vorgeschalteter Optik zu verstehen, durch die die Pumplaserstrahlung auf das Verstärkungsmedium gerichtet wird. Bei dieser Optik kann es sich bspw. um die Strahlformungsoptik, einen optionalen Homogenisator und die Pumpoptik handeln. Als Pumplaserquellen werden vorzugsweise einzelne oder übereinander gestapelte Laserdioden- Barren eingesetzt. Die typische Ausgangleistung einer Pumplasereinheit liegt im Bereich 100-1000W. Die kurze Achse des Strahlquerschnitts entspricht damit der Fast- Richtung, die lange Achse der Slow-Richtung der
Pumplaserstrahlen der Laserdioden-Barren. Die Pump- lasereinheiten werden im Folgenden auch als Pumpmodule bezeichnet. Als Pumplaserquellen können auch andere Laser wie bspw. Festkörper-, Faser-, Farbstoff- oder Gaslaser eingesetzt werden. Die Pumplaserstrahlung kann auch über Faserbündel an die Pumpoptik herangeführt werden.
Der vorgeschlagene optisch gepumpte Verstärker bzw. Oszillator zeichnet sich dadurch aus, dass zum einen jeweils mehrere Pumplasereinheiten zum Pumpen durch eine der ersten Seitenflächen oder durch beide ersten Seitenflächen eingesetzt werden. Zum anderen sind die die optischen Achsen der Pumplasereinheiten so angeordnet, dass die Strahlenbündel der Pumplasereinheiten mit ihren Hauptachsen in einer Ebene senkrecht zur kurzen Achse unter einem Winkel zueinander, d.h. nicht parallel zueinander, auf die jeweilige erste Seitenfläche auftreffen und sich dabei die Strahl- querschnitte der Strahlenbündel auf der ersten Seitenfläche überlagern. Das Pumpen kann dabei von einer Seite, d. h. über eine der ersten Seitenflächen oder auch symmetrisch von beiden Seiten, d.h. über beide ersten Seitenflächen erfolgen. Unter der
Hauptachse des Strahlenbündels ist dabei die Achse des Schwerpunktes des Strahlenbündels zu verstehen.
Bei der vorgeschlagenen Verstärkeranordnung wird somit der bisher realisierte eine Pumpstrahlengang pro Seite bzw. erster Seitenfläche des Verstärkungsmediums auf N ^ 2 Strahlengänge bzw. Pumplasereinheiten aufgeteilt, die die Pumplaserstrahlung unter verschiedenen Winkeln in der Ebene parallel zu den Hauptflächen des Verstärkungsmediums auf die jeweilige Seitenfläche richten. Bei gegebener Brillanz der als Pumplichtquelle vorzugsweise verwendeten Laserdioden lässt sich dadurch die numerische Apertur der einzelnen einfallenden
Strahlenbündel in Slow-Richtung bzw. in der Ebene parallel zu den Hauptflächen des Verstärkungsmediums auf den N-ten Teil verkleinern. Die numerische Apertur der einfallenden Pumplaserstrahlung ist in Slow- Richtung groß, während sie in Fast-Richtung vernachlässigbar klein ist. Dadurch kann die bildseitig notwendige numerische Apertur der Optik der einzelnen Pumplasereinheiten durch eine Aufteilung auf mehrere
Pumplasereinheiten auf den N-ten Teil reduziert werden. Die notwendige Pumpintensität im Verstärkungsmedium wird dann durch die Winkelüberlagerung der N Strahlenbündel der Pumplaserstrahlung erreicht. Dies verein- facht den optischen Aufbau der einzelnen Pumplasereinheiten aufgrund der kleineren numerischen Apertur deutlich und ermöglicht eine Senkung der Kosten durch den Ersatz einer oder zwei (bei beidseitigem Pumpen) aufwändiger Pumplasereinheiten durch viele kleinere, einfacher aufgebaute, baugleiche und damit rationell fertigbare Pumplasereinheiten. Die Anzahl der optischen Elemente pro Pumplasereinheit lässt sich dadurch senken. In dem in der Beschreibungseinleitung genannten Fall reduziert sich bei einer Verdoppelung der Anzahl Pumpeinheiten auf 4 Pumpeinheiten gemäß Fig.2 die
Anzahl der Linsen von 14 auf 10. Gleichzeitig
verringern sich der notwendige Durchmesser der Pump- Optiken und die Länge der Strahlwege in den Pumplasereinheiten auf etwa die Hälfte. Dadurch kann die gesamte Pumpanordnung kompakter ausgeführt werden. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Winkelüberlagerung vieler einfacher, gleich aufgebauter Pumplasereinheiten ist die leichte Skalierung zu größeren Breiten der
Verstärkermedien bzw. Slab-Kristalle und größeren
Pumpleistungen. Mit einer weitgehend standardisierten Pumplasereinheit kann dann aufgrund der Modularität durch die Möglichkeit verschieden viele dieser
Pumplasereinheiten bzw. Pumpmodule mit ihren Pumplaserstrahlenbündeln im Winkel zu überlagern eine Laserplattform für unterschiedliche Laserleistungsklassen realisiert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verstärkers ist das Verstärkungsmedium zwischen mindestens zwei Spiegeln angeordnet, die den zu verstärkenden Laserstrahl mehrfach durch das
Verstärkungsmedium lenken, vorzugsweise auf einer
Zickzack-Linie unter StrahlaufWeitung in der Ebene parallel zu den Hauptflächen des Verstärkungsmediums. Es kann sich dabei um eine InnoSlab Anordnung handeln, wie sie bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert wurde. Die Pumplasereinheiten sind dann beim vorgeschlagenen Verstärker so angeordnet, dass sie das Verstärkungsmedium an den Resonatorspiegeln vorbei pumpen. Damit ist kein Durchgang durch einen der
Resonatorspiegel erforderlich, so dass dichroitische Pumpspiegel entfallen können. Dies ermöglicht das
Pumpen mit Wellenlängen in direkter Nachbarschaft der Laserwellenlänge (Zero-Line-Pumpen) ohne Einschränkung durch das Design von dichroitischen Pumpspiegeln. So können bspw. Ytterbium-dotierte Laserkristalle auch mit zwei verschiedenen Wellenlängen, z.B. bei 940 nm und 968 nm für Yb : YAG-Kristalle , gepumpt werden und damit durch Wellenlängenüberlagerung die Pumpintensität erhöht werden. Ein Pumpen bei 968 nm ist aufgrund des Spiegeldesigns dichroitischer Pumpspiegel unter
Beibehaltung bisheriger Pumpanordnungen gemäß dem Stand der Technik nicht oder nur eingeschränkt möglich. Die Wellenlängenüberlagerung kann dabei unmittelbar am Ort der Pumplaserquellen bzw. Laserdioden erfolgen oder auch erst im Verstärkungsmedium durch zwei getrennte
Pumplasereinheiten unterschiedlicher Wellenlänge. Wird über beide ersten Seitenflächen gepumpt, so können sich am Verstärkungsmedium jeweils Pumplasereinheiten unterschiedlicher Wellenlänge gegenüberliegen, um über geeignete dichroitische Spiegel eine Rückfaltung der
Pumplaserstrahlung zu erreichen. Das Verstärkungsmedium muss dabei selbstverständlich das Pumpen bei diesen Wellenlängen ermöglichen. Die durch das Verstärkungs- medium propagierte Pumplaserstrahlung der einen
Wellenlänge wird dabei über einen im Pumpstrahlengang der gegenüberliegenden Pumplasereinheit angeordneten dichroitischen Spiegel nochmals in das Verstärkungs- medium reflektiert und umgekehrt. Das Gleiche gilt auch für die Polarisation der Pumplaserquellen. Durch
Polarisationskopplung am Ort der Pumplaserquellen kann ebenfalls die Pumpintensität erhöht werden. Die
Polarisation kann auch wie bei den unterschiedlichen Wellenlängen zum Rückfalten der Pumplaserstrahlung genutzt werden. Auch eine Kombination unterschiedlicher Polarisationen und unterschiedlicher Wellenlängen ist zur Erhöhung der Pumpintensität möglich. Durch die Kombination beider Techniken der unterschiedlichen Polarisation und unterschiedlichen Wellenlänge kann die benötigte numerische Apertur zur Erreichung der
erforderlichen Pumpintensität nochmals reduziert werden. Dies reduziert dann wiederum auch den Aufwand für die einzelnen Pumplasereinheiten und stellt einen weiteren erheblichen (impliziten) Vorteil der winkelüberlagerten Pumpanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung dar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorge- schlagenen Verstärkers sind die zweiten Seitenflächen des Verstärkungsmediums optisch poliert und die ersten Seitenflächen verlaufen unter einem Winkel 90° zu den Hauptflächen, die wiederum nicht optisch poliert sondern vorzugsweise aufgeraut oder geschliffen sind. Üblicherweise sind derartige plattenförmige Verstärkermedien nach dem Stand der Technik nur an den ersten Seitenflächen für den Ein- und Austritt der Pumpstrahlung sowie der verstärkten Laserstrahlung poliert und an den zweiten Seitenflächen matt geschliffen, um parasitäre Oszillationen innerhalb des Verstärkungs- mediums, sog. Galeriemoden, zu unterdrücken. In der vorgeschlagenen Ausgestaltung werden jedoch auch die zweiten Seitenflächen optisch poliert, um über Wellenleitung bzw. Reflexion eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Pumpenlaserstrahlung über die Breite des Verstärkungsmediums sowie über eine größere Tiefe des Verstärkungsmediums zu erreichen. Durch diese polierten zweiten Seitenflächen könnten sich jedoch Galeriemoden ausbilden, die dann durch die Verkippung der ersten Seitenflächen vermieden werden. Auf diese Weise kann eine symmetrische Ausleuchtung beim Pumpen des Verstärkungsmediums von einer oder beiden Seiten ohne Ausbildung derartiger störender Galeriemoden erreicht werden.
Die Pumplasereinheiten sind bezüglich der
jeweiligen ersten Seitenfläche vorzugsweise so
angeordnet bzw. ausgerichtet, dass die Pumplaserstrahlen jeweils paarweise symmetrisch auf die erste Seitenfläche auftreffen. Darunter ist zu verstehen, dass in der durch die Pumplaserstrahlen aufgespannten Einfallsebene die Senkrechte auf die erste Seitenfläche auch die Winkelhalbierende von jeweils zwei der
Pumplaserstrahlen bildet. Vorzugsweise wird dabei pro erste Seitenfläche eine geradzahlige Anzahl von
Pumplasereinheiten eingesetzt. Eine ungerade Anzahl Pumplasereinheiten ist aber ebenfalls denkbar, da eine paarweise symmetrische Anordnung zu einem Pumpmodul, dessen Hauptachse senkrecht zur ersten Seitenfläche ist, mit sich selbst zusammenfällt. Beim Pumpen durch beide ersten Seitenflächen wird dabei vorzugsweise die Anordnung der Pumplasereinheiten auf der einen Seite des Verstärkungsmediums spiegelsymmetrisch zur
Anordnung der Pumplasereinheiten auf der anderen Seite des Verstärkungsmediums gewählt, so dass auch beide Seiten symmetrisch zueinander gepumpt werden. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der Pumplaserstrahlung im Verstärkungsmedium. Bei gleicher Anzahl an Pumplasereinheiten auf beiden Seiten des Verstärkungs- mediums sind vorzugsweise die Pumplaserleistungen der einzelnen Pumplasereinheiten gleich. Es können jedoch auch unterschiedliche Pumplaserleistungen für die einzelnen Pumplasereinheiten eingesetzt werden,
insbesondere bei ungleicher Anzahl an Pumplasereinheiten auf beiden Seiten des Verstärkungsmediums .
Grundsätzlich kann der vorgeschlagene Verstärker so aufgebaut sein, dass der zu verstärkende Laserstrahl lediglich einmalig durch das Verstärkungsmedium läuft. Bevorzugt wird jedoch eine gefaltete Anordnung genutzt, bei der der zu verstärkende Laserstrahl mehrfach über einen oder mehrere Spiegel durch das Verstärkungsmedium gelenkt wird. Unter dem optischen Verstärker ist dabei in der vorliegenden Patentanmeldung auch ein Laser- Oszillator mit einem entsprechenden Verstärkungsmedium bzw. Laserkristall zu verstehen.
Der vorgeschlagene optische Verstärker eignet sich besonders zur Realisierung gütegeschalteter Oszillatoren mit kurzen ns-Pulsdauern sowie für die Verstärkung gepulster Laserstrahlung auf hohe mittlere
Leistungen bei nahe beugungsbegrenzter Strahlqualität. Die mittlere Ausgangsleistung lässt sich über die
Breite bzw. das Aspektverhältnis des gepumpten Volumens nahezu beliebig in den kW-Bereich skalieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene optisch gepumpte Verstärker rd nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher
erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für einen optisch gepumpten
Verstärker des Standes der Technik;
Fig. 2 ein erstes Beispiel für einen optisch gepumpten
Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 ein zweites Beispiel für einen optisch
gepumpten Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Darstellung der Verteilung der Pumplaserstrahlung im Verstärkungsmedium beim Blick durch eine der Hauptflächen;
Fig. 5 ein Beispiel für die Verkippung der ersten
Seitenflächen des Verstärkungsmediums bei einer
Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verstärkers, Fig. 6a ein Beispiel für den Strahlengang des zu
verstärkenden Laserstrahls durch das
Verstärkungsmedium in Draufsicht auf die Hauptfläche des Verstärkungsmediums;
Fig. 6b das Beispiel der Fig. 6a in Seitenansicht; und Fig. 7 ein weiteres Beispiel für den Strahlengang des zu verstärkenden Laserstrahls durch das Verstärkungsmedium in Draufsicht auf die Hauptfläche des Verstärkungsmediums.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die aus dem Stand der Technik bekannten Pump- anordnungen für optisch endgepumpte Verstärker wurden bereits in Zusammenhang mit der Figur 1 in der
Beschreibungseinleitung erläutert. Figur 2 zeigt nun ein Beispiel für einen optisch endgepumpten Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in Figur 2 gezeigte Anordnung zeigt einen Slab-Kristall 7 als Verstärkungsmedium zwischen zwei Resonatorspiegeln 5. Der zu verstärkende Laserstrahl 8 wird durch diese Spiegel zweifach gefaltet, so dass er den Slab-Kristall 7 insgesamt dreimal durchläuft. Im vorliegenden
Beispiel werden für jede Seite des Slab-Kristalls 7 zwei Pumpmodule 9 eingesetzt, die jeweils symmetrisch bezüglich der jeweiligen Seitenfläche und auch
spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Jedes Pumpmodul weist einen Laserdioden-Barren 10, eine vorgeschaltete Fokussieroptik 2 zur Einkopplung in einen Homogenisator 3, d.h. hier einen für die
Homogenisierung der Pumplaserstrahlung geeigneten
Wellenleiter, einen Umlenkspiegel 11 sowie eine
Pumpoptik 4 auf. Durch das winkelüberlagerte Pumpen des Slab-Kristalls 7 treffen die jeweiligen Strahlenbündel der Pumplaserstrahlung 12 an den Spiegeln 5 vorbei auf die jeweiligen Seitenflächen des Slab-Kristalls 7, so dass keine dichroitischen Pumpspiegel erforderlich sind. Durch Pumpen der jeweiligen Seitenfläche durch zwei getrennte, winkelüberlagerte Pumplaserstrahlenbündel 12, die in der Figur 2 als Linien entsprechend den Hauptachsen 20 der Strahlenbündel angedeutet sind, muss für die einzelnen Pumpmodule 9 eine geringere numerische Apertur erreicht werden als beim Pumpen mit nur einem Pumpmodul pro Seitenfläche gemäß dem Stand der Technik. Damit verringert sich die Anzahl der optischen Elemente, insbesondere der Linsen, im
jeweiligen Pumpmodul gegenüber dem Stand der Technik.
Die Pumpmodule 9 und somit die gesamte Pumpanordnung können damit auch kompakter ausgeführt werden. Selbst- verständlich kann die Anzahl der Pumpmodule 9 pro
Seitenfläche auch erhöht werden.
Bex einer beispielhaften Breite des Slab-Knstalls 7 von 10-40mm können bspw. die folgenden Parameter bzw. Dimensionen für die Pumpmodule verwendet werden:
• Höhe der gepumpten Linie 0,2-2mm
• Pumpleistung pro Modul 100-1000W
• Maximale Linsendurchmesser in den Pumpmodulen l-5x Slabbreite, typisch 2-3x
• Baulänge der einzelnen Pumpmodule 10-30x
Slabbreite
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer
Pumpanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist lediglich das Verstärkungsmedium 6 mit den einzelnen Pumpmodulen 9 dargestellt. Hierbei werden vier Pumpmodule 9 je zu pumpender Seitenfläche des Verstärkungsmediums 6 eingesetzt. Auf jeder Seite sind diese Pumpmodule 9 paarweise symmetrisch
angeordnet. Die Pumpmodule der linken Seite sind wiederum spiegelsymmetrisch zu den Pumpmodulen der rechten Seite angeordnet, wie dies aus der Figur 3 zu erkennen ist. In diesem Beispiel werden Laserdioden- Barren 10 als Pumplaserquellen eingesetzt, die bei unterschiedlichen Wellenlängen λΐ, λ2 emittieren. Dies ist in der Figur ebenfalls angedeutet. Hierbei erfolgt eine Wellenlängenüberlagerung im Verstärkungsmedium 6. Auf diese Weise kann die Pumpleistungsdichte und/oder die im Verstärkungsmedium deponierte Energie erhöht werden. Die Laserdioden-Barren 10 können auch aus jeweils zwei polarisationsgekoppelten Laserdioden bestehen. Im Beispiel der Figur 3 wird zusätzlich noch eine sog. Pumplichtrückfaltung realisiert, bei der ein durch das Verstärkungsmedium hindurch getretener und nicht absorbierter Anteil der Pumplaserstrahlung über einen Spiegel nochmals durch das Verstärkungsmedium geleitet wird. Hierzu sind jeweils Pumpmodule unterschiedlicher Wellenlängen in Strahlrichtung der
Pumplaserstrahlung gegenüberliegend angeordnet, wie dies in der Figur dargestellt ist. Dadurch können in den jeweiligen Strahlengängen dichroitische Spiegel 13 eingesetzt werden, die für die Wellenlänge der Pumplaserstrahlung des jeweiligen Pumpmoduls durchlässig, für die Wellenlänge des von der gegenüberliegenden Seite durch das Verstärkungsmedium hindurch getretenen Pumplaserstrahls jedoch hochreflektierend ist.
Für das winkelüberlagerte Pumpen des vorgeschlagenen Verstärkers sollte eine Wellenleitung der Pumplaserstrahlung in Slow-Richtung im Verstärkungs- medium ermöglicht werden. Dies erfordert optisch polierte zweite Seitenflächen des Verstärkungsmediums. Zur Vermeidung von Galeriemoden sollten dann die ersten Seitenflächen gegenüber einer senkrechten Ausrichtung zu den Hauptflächen verkippt und diese Hauptflächen nicht poliert, d.h. z.B. aufgeraut oder geschliffen sein. Für eine gleichmäßige Verteilung der Pumplaserstrahlung im Verstärkungsmedium sollte zudem eine symmetrische Anordnung der Pumpmodule bezüglich der jeweiligen Seitenfläche gewählt werden. Bei den bisher realisierten Pumpanordnungen für
Innoslab-Laser wird die Pumpstrahlung auf der optischen Achse 14 des Lasers bzw. Verstärkers, wie sie in der Figur 3 angedeutet ist, und mit kleiner numerischer Apertur durch die ersten Seitenflächen eingestrahlt. Außerdem ist der Slab-Kristall in der Regel so hoch dotiert, dass die Pumplaserstrahlung 12 schon im vorderen Bereich des Laserkristalls absorbiert wird, wie in der Figur 4a im Blick durch eine der Hauptflächen des Slab-Kristalls 7 schematisch dargestellt ist. Daher werden die vier verbleibenden Seitenflächen des Slab-Kristalls, d. h. die beiden Hauptflächen sowie die beiden zweiten Seitenflächen, matt geschliffen und nur die zwei ersten Seitenflächen optisch poliert.
Dadurch werden parasitäre Oszillationen innerhalb des Laserkristalls (Galeriemoden) unterdrückt.
Beim vorliegenden optisch endgepumpten Verstärker wird das Verstärkungsmedium vorzugsweise auch an den beiden zweiten Seitenflächen optisch poliert. Der Grund hierfür wird anhand der Figur 4 erläutert. Fällt die Pumplichtstrahlung 12 unter einem Winkel zur optischen Achse auf die erste Seitenfläche bzw. Facette des Slab- Kristalls 7, so bilden sich Schattenbereiche 18
innerhalb des Slab-kristalls aus. Dies ist in der Figur 4b dargestellt. Der Slab-Kristall wird dadurch
ungleichmäßig über die Breite gepumpt. Dies führt bei Innoslab-Lasern zu einer Verschlechterung der
Strahleigenschaften und sollte vermieden werden. Durch Polieren auch der zweiten Seitenflächen des Slab- Kristalls werden diese ebenfalls als optische Flächen ausgeführt, so dass die Pumpstrahlung 12 in Slow- Richtung im Slab-Kristall 7 als Wellenleiter geführt wird. Dadurch entsteht zunächst ein Überlagerungs- bereich 19, in dem eine doppelt so große Pumplicht - leistung absorbiert wird. Der Überlagerungsbereich 19 ist ebenfalls in der Figur 4b dargestellt. Ordnet man nun paarweise Pumpmodule symmetrisch um die optische Achse 14 des Lasers bzw. Verstärkers an, so wird eine gleichmäßige Pumplichtabsorption über die Breite des Slab-Kristalls 7 erreicht, wie in der Figur 4c zu erkennen ist. Die Figuren 4a-c zeigen jeweils die
Draufsicht auf eine der Hauptflächen des Slab-Kristalls 7.
Durch die optisch polierten zweiten Seitenflächen des Slab-Kristalls, die für die Wellenleitung der
Pumpstrahlung benötigt werden, können sich allerdings Galeriemoden ausbilden, die einen Laserbetrieb
unmöglich machen. Um dies zu verhindern, müssen
zusätzlich die ersten Seitenflächen bzw. Eintritts- facetten des Slab-Kristalls 7 so stark verkippt werden, dass sich keine unerwünschte Mode ausbilden kann, ohne die beiden großen Hauptflächen mit einzubeziehen, die auch der Wärmeabfuhr dienen. Dies ist in der Figur 5 dargestellt, die im oberen Teil in perspektivischer Darstellung den Slab-Kristall 7 mit einer der
geschliffenen Hauptflächen 15 und einer polierten zweiten Seitenfläche 16 sowie den beiden ersten
Seitenflächen 17 zeigt. Im unteren Teil ist ein
Querschnitt durch diesen Slab-Kristall 7 senkrecht zu den Hauptflächen 15 und ersten Seitenflächen 17
dargestellt, der den Verkippungswinkel α der beiden ersten Seitenflächen 17 zeigt. Der Verkippungswinkel α ist in diesem Querschnitt der Winkel zwischen der
Flächennormalen auf die erste Seitenfläche 17 und einer der Hauptflächen 15. Durch die Streuung an der
geschliffenen rauen Oberfläche der beiden Hauptflächen 15 wird das Anschwingen der unerwünschten Moden
unterdrückt. Damit sich keine Galeriemoden ausbilden können, die nur über die optisch polierten ersten
Seitenflächen 17 und die für die Wellenleitung des Pumplichts benötigten optisch polierten zweiten
Seitenflächen 16 laufen, sondern auch die geschliffenen Hauptflächen 15 für die Wärmeabfuhr in die Galeriemoden einbezogen werden, muss der Verkippungswinkel α >~ arctan(h/L) sein, wobei L der Länge des Slab-Kristalls in Richtung der optischen Achse und h der Höhe, d.h. des Abstandes der beiden Hauptflächen 15, entsprechen. Dann ergibt sich z.B. α = 6° für h = 1mm und L = 10mm. Im Falle von 3- bzw. quasi 3 -Niveau-Laserkristallen wie Yb:YAG kann der Verkippungswinkel α auch kleiner sein. In diesem Fall wird ausgenutzt, dass nur der zentrale Bereich des Slab-Kristalls gepumpt wird und das
umgebene, nicht gepumpte Lasermaterial die Laserstrahlung absorbiert. Ist die Weglänge möglicher
Galeriemoden durch ungepumpte Bereiche so groß, dass die Absorption in diesen Bereichen größer ist als die Verstärkung im gepumpten Bereich, werden Galeriemoden ebenfalls unterdrückt.
Ein beispielhafter Strahlverlauf der zu
verstärkenden Laserstrahlung 8 zwischen den Resonatorspiegeln 5 ist in der Figur 3 angedeutet . Die Figur 6a zeigt ein weiteres Beispiel in Draufsicht auf die
Hauptfläche des Slab-Kristalls 7 als Verstärkungsmedium, bei dem der Laserstrahl auf einer Zickzack- Linie unter StrahlaufWeitung in der Ebene parallel zu den Hauptflächen zwischen den Resonatorspiegeln 5 propagiert. Durch die Strahlaufweitung wird bei der
Verstärkung eine annähernd gleichbleibende Leistungsdichte erreicht. Die beiden Resonatorspiegel sind bei dieser Anordnung so ausgelegt und angeordnet, dass sie eine Art Hybridresonator bilden, der in der Ebene parallel zu den Hauptflächen des Slab-Kristalls 7 instabil und in der dazu senkrechten Ebene stabil ist . Hierzu werden im vorliegenden Beispiel zylindrische Resonatorspiegel 5 verwendet, deren Foki gemeinsam auf einem Punkt F außerhalb des Resonators liegen. Der Eingangsstrahl wird off-axis in den Resonator eingekoppelt, wie in der Figur 6a zu erkennen ist. Fig. 6b zeigt die Verhältnisse in Seitenansicht (Draufsicht auf die zweite Seitenfläche des Slab-Kristalls) . Die
Anordnung der Resonatorspiegel 5 ist so gewählt, dass unter Berücksichtigung der thermischen Linsenwirkung des Slab-Kristalls 7 jeweils eine Strahltaille an den Resonatorspiegeln 5 auftritt.
Eine besonders einfache Resonatoranordnung ist in
Fig. 7 in Draufsicht auf die Hauptfläche des Slab- Kristalls 7 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung werden zwei plane Resonatorspiegel 5 verwendet, die unter einem Winkel ß zueinander angeordnet werden, der etwa dem Volldivergenzwinkel des zu verstärkenden
Laserstrahls 8 entspricht. Die Pumpmodule sind in den Figuren 6 und 7 nicht dargestellt.
Die oben dargestellten Anordnungen stellen
selbstverständlich lediglich Beispiele dar. So ist die symmetrische Anordnung (spiegelsymmetrisch zur
optischen Achse) in Figur 3 zwar vorteilhaft aber nicht zwingend für die Funktion des vorgeschlagenen optischen Verstärkers erforderlich. Im Falle von Verstärker- materialien, die im ungepumpten Zustand die zu
verstärkende Laserstrahlung absorbieren, kann die
Verkippung der ersten Seitenflächen in der bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verstärkers auch kleiner ausfallen als beschrieben. Jedes Pumpmodul mit geometrisch von den anderen Pumpmodulen getrenntem Strahlengang regt das Verstärkungsmedium in Slow- Richtung vorzugsweise über die gesamte oder nahezu gesamte Breite des Verstärkungsmediums an. Damit wird der geometrisch getrennte Strahlengang der Pumpmodule am Ort des Verstärkungsmediums über den Winkel räumlich überlagert. Ein Aneinandersetzen von Strahlquerschnitten bzw. Pumplinien findet dabei nicht statt.
Bezugszeichenliste
1 Pumplichtquelle
2 Fokussieroptik
3 Homogenisator
4 Pumpoptik
5 Resonatorspiegel
6 Verstärkungsmedium
7 Slab-Kristall
8 Laserstrahl
9 Pumplasereinheit/Pumpmodu1
10 Laserdioden-Barren
11 Umlenkspiegel
12 Pumplaserstrahlung
13 dichroitischer Spiegel
14 optische Achse
15 Hauptfläche
16 zweite Seitenflächen
17 erste Seitenflächen
18 Schattenbereich
19 Überlagerungsbereich
20 Hauptachse

Claims

Patentansprüche
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator, der ein plattenförmiges optisches Verstarkungs- medium (6, 7), das durch zwei sich gegenüberliegende Hauptflächen (15) und jeweils zwei sich gegenüberliegende erste (17) und zweite
Seitenflächen (16) begrenzt ist, und mehrere Pumplasereinheiten (9) zum optischen Pumpen des Verstärkungsmediums (6, 7) durch mindestens eine der ersten Seitenflächen (17) aufweist, über die ein zu verstärkender Laserstrahl durch das
Verstärkungsmedium (6, 7) propagiert,
wobei die Pumplasereinheiten (9) Pumplaserstrahlung (12) als Strahlenbündel auf die
mindestens eine erste Seitenfläche (17) richten und so ausgebildet sind, dass die von den
Pumplasereinheiten (9) emittierte Pumplaserstrahlung (12) beim Durchtritt durch das
Verstärkungsmedium (6, 7) einen langgestreckten Strahlquerschnitt mit einer kurzen und einer parallel zu den Hauptflächen (15) verlaufenden langen Achse aufweist und bezüglich der kurzen Achse frei durch das Verstärkungsmedium (6, 7) propagiert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumplasereinheiten (9) so angeordnet sind, dass jeweils die Strahlenbündel mehrerer Pumplasereinheiten (9) mit ihren Hauptachsen (20) in einer Ebene senkrecht zur kurzen Achse unter einem Winkel zueinander auf eine der ersten Seitenflächen (17) oder auf beide erste Seitenflächen (17) auftreffen und sich die Strahlquerschnitte der Strahlenbündel jeweils auf der oder den ersten Seitenflächen (17) überlagern.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweiten Seitenflächen (16) optisch poliert sind und die ersten Seitenflächen (17) unter einem Winkel 90° zu den Hauptflächen (15) verlaufen.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verstärkungsmedium (6, 7) zwischen mindestens zwei Spiegeln (5) angeordnet ist, die den zu verstärkenden Laserstrahl mehrfach durch das Verstärkungsmedium (6, 7) lenken.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach Anspruch 3 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens zwei Spiegel (5) den zu verstärkenden Laserstrahl unter Strahlaufweitung auf einer Zickzack-Linie durch das Verstärkungs- medium ( 6 , 7 ) lenken .
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach Anspruch 3 oder 4 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumplasereinheiten (9) so angeordnet sind, dass sie die Pumplaserstrahlung (12) an den Spiegeln (5) vorbei auf die jeweilige erste
Seitenfläche (17) richten.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumplasereinheiten (9) so angeordnet sind, dass sie die Strahlenbündel in einer von den Hauptachsen (20) aufgespannten Ebene symmetrisch auf die jeweilige erste Seitenfläche (17) richten.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede der ersten Seitenflächen (17) des
Verstärkungsmediums (6, 7) von der gleichen Anzahl an Pumplasereinheiten (9) gepumpt wird, wobei die Pumplasereinheiten (9) auf der einen Seite des Verstärkungsmediums (6, 7) spiegelsymmetrisch zu den Pumplasereinheiten (9) auf der anderen Seite des Verstärkungsmediums (6, 7) angeordnet sind.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens zwei der Pumplasereinheiten (9) Pumplaserstrahlung (12) mit voneinander
verschiedenen Wellenlängen emittieren.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach Anspruch 7 ,
dadurch gekennzeichnet, dass jeweils sich in Pumplaserstrahlrichtung am Verstärkungsmedium (6, 7) gegenüberliegende
Pumplasereinheiten (9) Pumplaserstrahlung (12) mit voneinander verschiedenen Wellenlängen emittieren.
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils ein dichroitischer Spiegel (13) so im Strahlengang der Pumplaserstrahlung (12) der sich gegenüberliegenden Pumplasereinheiten (9)
angeordnet ist, dass er durch das Verstärkungsmedium (6, 7) propagierte Pumplaserstrahlung (12) der jeweils gegenüberliegenden Pumplasereinheit (9) in das Verstärkungsmedium (6, 7) zurück reflektiert .
Optisch gepumpter Verstärker und/oder Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumplasereinheiten (9) als Pumplaserquellen einzelne oder polarisationsgekoppelte Laserdioden-Barren oder horizontale und/oder vertikale Stapel aus Laserdioden-Barren aufweisen
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