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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung betrifft einen intracavity-gepumpten Laser mit ersten Pumpmitteln (10) zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln (13), bestehend aus einem ersten thuliumdotierten Kristall (13) zum Pumpen eines zweiten holmiumdotierten Kristalls (14), wobei sich der erste und zweite Kristall in demselben Resonator befinden, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser geeignete Mittel (17) zur Aufweitung des Laserstrahls zwischen den ersten Pumpmitteln und den zweiten Pumpmitteln und/oder zwischen den zweiten Pumpmitteln und dem zweiten Kristall besitzt. DOLLAR A Anwendung: insbesondere in der Medizin und im Bereich der Lidarsysteme.
    公开号:DE102004030949A1
    申请号:DE200410030949
    申请日:2004-06-26
    公开日:2005-02-24
    发明作者:Antoine Dr. Hirth
    申请人:Deutsch-Franzosisches Forschungsinstitut Saint-Louis；Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis；
    IPC主号:H01S3-08
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laser und betrifft insbesondereeine intracavity-gepumpte Laserquelle.
    [0002] Laser,die bei einer fürdas Augenlicht weniger gefährlichenWellenlängevon 2 μmbetrieben werden, könnenin unterschiedlichen Bereichen, wie z.B. Medizin, Lidarsystemenoder atmosphärischen Sondierungen,zum Einsatz kommen. Bei der letzten Anwendungsmöglichkeit muss eine hohe Strahlungsleistungdes Lasers und eine großeatmosphärische Transmissionbei der entsprechenden Wellenlänge vorliegen.
    [0003] Für die Emissionbei dieser Wellenlängewird bekanntermaßeneine TmYAG-Laserquelle verwendet, die gute Strahleigenschaften aufweistund beispielsweise mit handelsüblichenLaserdioden bei einer Wellenlängeum 0,785 μmgepumpt werden kann.
    [0004] Zudembesitzen die thuliumdotierten Kristalle, wie etwa TmYAG, aufgrundder Cross-Relaxation zwischen Tm3+-Nachbarioneneinen Pumpwirkungsgrad von ca. 2.
    [0005] ImBereich der Emission des Tm3+-Thuliumionsje nach Mutterkristall kommt es aufgrund von Absorptionslinien,insbesondere von Wasser, zu einer erheblichen Reduzierung der atmosphärischen Transmission.
    [0006] ZurLösungdieses Problems wird bekanntermaßen eine HoYAG-Laserquelleeingesetzt, die eine Emissionswellenlänge von ca. 2,10 μm aufweist,bei der ein weitaus besserer Wert der atmosphärischen Transmission erzieltwird. Diese Laserquelle kann mit direkt bei 1,9 μm emittierenden Laserdiodengepumpt werden, wie im Patent US5315608 vorgeschlagen. Solche Dioden erfordern jedoch einekomplexe Realisierung und liefern niedrige Leistungen.
    [0007] Mitdem Patent US4974230 kanndieses Problem gelöstwerden. Hier wird der Einsatz eines YLF-Kristalls beschrieben, dermit Thulium und Holmium einer Konzentration von 6% bzw. 0,4% codotiertist und mit bei 0,792 μmWellenlängeemittierenden Laserdioden gepumpt wird.
    [0008] DiesesMaterial weist jedoch Schwierigkeiten aufgrund von elektronischenNiveauänderungen (UpConversion) auf, was zu größeren Verlustenim Kristall und zu einer geringeren Lebensdauer des oberen Laserniveausführt.Zudem ist die Lasermaterial-Schwelle, d.h. die notwendige Mindestenergiemengezum Lasen des Materials, hoch.
    [0009] Esterowitzet al. haben in ihrem Artikel mit dem Titel „Intracavity-pumped 2,09 μm HoYAG laser", Optics lettersvol.17, n°10/May15, 1992, vorgeschlagen, ein Intracavity-Pumpen durchzuführen. Dazubefinden sich in demselben Resonanzraum, wie in 1 dargestellt, ein erster mit 12% Thulium dotierterYAG-Kristall 2 undein zweiter mit 0,5% Holmium dotierter YAG-Kristall 3.Der Resonator 4 ist einerseits durch einen Spiegel 5 miteiner bei ca. 2,1 μmWellenlängehoch reflektierenden Beschichtung und einer hohen Transmission beieiner Wellenlänge vonca. 0,785 μmsowie einen Auskoppler 6 mit einer konkaven Fläche undeiner bei 2,0 μmhoch reflektierenden Beschichtung 7 mit einer Reflektivität von 98,5%bei 2,1 μmabgegrenzt. Der erste Kristall wird mit ersten Pumpmitteln 8 bestehendaus Laserdioden gepumpt, währendder erste Kristall 2 ein Pumpmittel des zweiten Kristalls 3 darstellt.
    [0010] Eindifferentieller Wirkungsgrad von 42% konnte bei einer Ausgangsleistungvon 140 mW (TmYAG und HoYAG) erzielt werden.
    [0011] ImVergleich zum Einsatz eines Tm- und Ho-codotierten Kristalls weistder Intracavity-Laser von Esterowitz zahlreiche Vorteile auf, undzwar: – Einenbesseren Wirkungsgrad: 42%. Grundsätzlich kann die vom Ho-dotiertenKristall absorbierte Nutzleistung besser gesteuert und ein über diegesamte Längedes Kristalls 3 gleichmäßiges Pumpenmit geringen Reabsorptionsverlusten vorgenommen werden. – Einenkompakteren Aufbau mit weniger Elementen. – Eineneinfachen Schutz des Aufbaus vor Absorptionseffekten von Wasserdampfin der Umgebungsluft (kürzererWeg).
    [0012] Dieerzielte Leistung ist jedoch niedrig und der Anstieg der Pumpstrahlleistungführt zueinem schlechteren räumlichenProfil des vom HoYAG-Kristallemittierten Strahls und zu einem unmöglichen Einsatz im gepulstenoder kontinuierlichen Betrieb.
    [0013] Esist nämlichfestzustellen, dass die kontinuierliche Emission von TmYLF bei Anordnungdes HoYAG-Kristalls im Resonator in gepulste Emission umgewandeltwird. Die aufeinanderfolgenden Impulse erfolgen unregelmäßig miteiner Pulsdauer von einigen μs.Bei der gepulsten Emission von TmYLF wird fast bei jedem ImpulsgenügendEnergie abgegeben, um eine Populationsinversion und eine HoYAG-Emissionzu ermöglichen.Ist der akustooptische Modulator abgeschaltet, entspricht jedem TmYLF-Impulsein HoYAG-Impuls mit variabler Dauer zwischen 200 und 600 ns jenach Pumpniveau der Dioden. Durch Einsatz eines Triggersystems,im vorliegenden Fall eines akustooptischen Modulators, bei einerFrequenz von 5 bis 15 kHz wird keine größere Regelmäßigkeit der aufeinanderfolgendenImpulse erreicht.
    [0014] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung für diese Probleme zu findenund eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher ein Laserstrahl miteiner im oberen Watt-Bereich liegenden Leistung ohne Zerstörung desräumlichenProfils des vom HoYAG-Kristall emittierten Strahls mit einem möglichenEinsatz im kontinuierlichen und gepulsten Betrieb erzeugt wird.
    [0015] DieseAufgabe wird gemäß einerersten Ausführungsformdurch einen intracavity-gepumpten Laser mit ersten Pumpmitteln zumPumpen von zweiten Pumpmitteln bestehend aus einem ersten thuliumdotiertenKristall zum Pumpen eines zweiten holmiumdotierten Kristalls gelöst, wobeisich der erste und zweite Kristall in demselben Resonator befinden,dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser Mittel zur Aufweitungeines Laserstrahls im erwähntenResonator zwischen dem ersten und zweiten Kristall besitzt.
    [0016] Gemäß einerbesonderen Ausführungsform bestehtdie Strahlaufweitungsvorrichtung aus einer Brennpunktsvorrichtung,wie z.B. einer Konkav- und Konvexlinse.
    [0017] Gemäß einerweiteren besonderen Ausführungsformbesteht die Strahlaufweitungsvorrichtung mindestens aus einem Prisma.
    [0018] Gemäß einerAusführungsformfür eineneinfacheren Einsatz der Strahlaufweitungsvorrichtung aufgrund ihrerunkritischen Ausrichtung ist das Prisma ein YAG-Kristall. Dieserbesitzt einen hohen Brechungsindex und eine gute Transparenz beieiner Wellenlängevon 2,1 μm.
    [0019] Gemäß einerbesonderen Ausführungsform für den Ausgleichder spektralen Dispersion der Strahlen und die Sicherstellung desAustritts des aufgeweiteten Strahls in derselben Richtung wie dereinfallende Strahl besteht die Strahlaufweitungsvorrichtung auszwei hintereinander angeordneten Prismen mit demselben Scheitelwinkel β, die jedochentgegengesetzt zueinander angeordnet sind.
    [0020] Gemäß einerzusätzlichenAusführungsform sinddie Scheitelwinkel β derbeiden erwähntenPrismen identisch.
    [0021] Gemäß einerbesonderen Ausführungsform zurEinstellung der Emissionswellenlängedes ersten Kristalls auf die gewünschteWellenlängebesitzt der Laser eine Wellenlängen-Wahlvorrichtungbeispielsweise bestehend aus einem Fabry-Pérot-Etalon aus Siliziumoxid.
    [0022] Gemäß einerweiteren Ausführungsformzur Aufrechterhaltung des Laserbetriebs in einem Emissionsbereichmit möglichsthohem Wirkungsgrad besteht der erste Kristall aus thuliumdotiertemYLF und enthältder Resonator mit dem ersten Kristall einen ersten Spiegel, dereine Beschichtung mit einem spektralen Profil aufweist, wodurchder Betrieb des Pumplasers bei einer Wellenlänge von ca. 1,91 μm sichergestelltwird, bei welcher eine maximale Verstärkung erreicht wird.
    [0023] Gemäß einerweiteren Ausführungsformder Erfindung zur erheblichen Reduzierung der Gefahr des Auftretensdes thermischen Linseneffektes umfasst der Laser zwei transversaleIntracavity-Resonatoren.
    [0024] Gemäß einerweiteren Ausführungsformzur erheblichen Reduzierung der Abmessungen jedes Resonators istdas einzige gemeinsame Element der beiden Resonatoren der zweiteholmiumdotierte Kristall.
    [0025] Gemäß einerzusätzlichenAusführungsform besitztder Resonator mit dem ersten Werkstoff einen Strahlteiler, der beider Wellenlänge,bei welcher das Lasen des ersten thuliumdotierten Kristalls erfolgt, hochreflektierend ist und bei der Wellenlänge, bei welcher das Lasendes zweiten holmiumdotierten Kristalls erfolgt, eine sehr hohe Transmissionbesitzt, wobei dieser Strahlteiler beispielsweise für Wellenlängen zwischen λ = 1,91 und1,953 μmbei einer Polarisation „S" hoch reflektierendsein und fürWellenlängenvon ca. 2,1 μmbei einer Polarisation „P" eine maximale Transmissionaufweisen und eventuell unter einem bestimmten Einfallswinkel zurStrahlrichtung angeordnet sein kann.
    [0026] Gemäß einerbesonderen Ausführungsform werdender erste und zweite Kristall unter folgenden Kristallen oder alsKombination dieser Kristalle ausgewählt: YSAG (Ytterbium-und Scandium-Aluminium-Granat) oder YSAG (Ytterbium- und Scandium-Aluminium-Granat)bzw. YSGG (Ytterbium- und Scandium-Gallium-Granat), YGG (Ytterbium- und Gallium-Granat),GGG (Gallium- und Gadolinium-Granat),GSGG (Gadolinium- und Scandium-Gallium-Granat), GSAG (Gallium- undGadolinium-Aluminium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat),LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat), YAP (Yttrium- undAluminium-Perovskit),YLF (Yttrium- und Lithium-Fluorid), LuLF (Lutetium- und Lithium-Fluorid),YVO4 (Yttrium-Vanadat).
    [0027] WeitereEigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen ausder Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung sowieden beigefügtenFiguren hervor, wobei:
    [0028] in 1 der Stand der Technikdargestellt wird;
    [0029] in 2a und 2b die allgemeinen Bauelemente einerAusführungsformder Erfindung schematisch dargestellt werden;
    [0030] in 3a und 3b eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestelltwird;
    [0031] in 4a und 4b eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestelltwird;
    [0032] in 4c eine Modifikation dieserdritten Ausführungsformzur Steigerung der Pumpleistung dargestellt wird;
    [0033] in 5 ein Beispiel einer Strahlaufweitungsvorrichtungfür denEinsatz mit der dritten Ausführungsformder Erfindung dargestellt wird.
    [0034] 2a und 2b zeigen die allgemeinen Bauelementeeines intracavity-gepumptenLasers gemäß einerAusführungsformder Erfindung, bei welcher der Laser erste Pumpmittel 10 bestehendaus Laserdioden zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln 13 bestehendaus einem ersten thuliumdotierten Kristall zum Pumpen eines zweitenholmiumdotierten Kristalls 14 aufweist, wobei der ersteund zweite Kristall in demselben Resonator 11 angeordnetsind.
    [0035] DieserResonator 11 ist einerseits durch einen ersten Spiegel 12 miteiner bei ca. 1,9 und 2,1 μm Wellenlänge reflektierendenBeschichtung 12a an Resonatorseite und einer hohen Transmissionfür die Wellenlängen derLaserdioden sowie einen zweiten Auskoppelspiegel 15 miteiner bei 1,91 μmhoch reflektierenden Beschichtung 15a auf einer Spiegelfläche an derSeite von Resonator 11 mit einer Reflektivität von ca.95% bei 2,1 μm,d.h. der Emissionswellenlängedes Lasers, abgegrenzt. Zudem besitzt die der Beschichtung des erstenSpiegels 12 gegenüberliegendeFlächeeine hohe Transmission fürdie Wellenlängender Laserdioden.
    [0036] DieserResonator besitzt außerdemeine Strahlaufweitungsvorrichtung 17 zwischen den beidenKristallen 13 und 14.
    [0037] Dabeihandelt es sich um eine üblicheStrahlaufweitungsvorrichtung, welche die Vergrößerung der Strahlabmessungenund somit die Reduzierung der Strahlleistungsdichte bei gleichzeitigerBeibehaltung der Gesamtleistung des Strahls ermöglicht.
    [0038] Derverwendete erste und zweite Kristall sind YAG-Kristalle (Ytterbium-und Aluminium-Granat). Jeder andere Kristalltyp oder jede geeigneteKombination von Kristallen könntejedoch ebenfalls verwendet werden, wie z.B. YSAG (Ytterbium- undScandium-Aluminium-Granat) oder YSAG (Ytterbium- und Scandium-Aluminium-Granat) bzw. YSGG(Ytterbium- und Scandium-Gallium-Granat), YGG (Ytterbium- und Gallium-Granat),GGG (Gallium- und Gadolinium-Granat), GSGG (Gadolinium- und Scandium-Gallium-Granat),GSAG (Gallium- und Gadolinium-Aluminium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- undGallium-Granat), LLGG (Lutetium-, Lanthan- und Gallium-Granat),YAP (Yttrium- und Aluminium-Perovskit), YLF (Yttrium- und Lithium-Fluorid),LuLF (Lutetium- und Lithium-Fluorid), YVO4 (Yttrium-Vanadat)...
    [0039] DieseLaservorrichtung funktioniert wie folgt. Für eine deutlichere Darstellungzeigt 2a die Pumpstrahlenund 2b den vom zweitenKristall erzeugten Strahl.
    [0040] Einerster Pumpstrahl 18 wird von den Laserdioden 10 emittiert.Dieser Strahl durchdringt ohne Verluste den ersten Spiegel 12 unddessen dazugehörigeBeschichtung 12a sowie anschließend den TmYAG-Kristall 13,in dem er fast vollständig(zu ca. 80%) absorbiert wird. Somit beginnt das Lasen dieses erstenKristalls durch Emittieren eines Laserstrahls 16 mit einerWellenlängevon 1,91 μm.Dieser Strahl 16 durchdringt dann die Strahlaufweitungsvorrichtung 17,in welcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 erhöht wird,wobei die Strahlleistungsdichte ebenfalls um einen Faktor 10 reduziertwird. Der aufgeweitete Pumpstrahl 19, der aus der Strahlaufweitungsvorrichtung 17 austritt,durchdringt den zweiten Kristall 14, in dem er teilweiseabsorbiert wird. Der nicht absorbierte Teil wird von der Beschichtung 15a inRichtung des zweiten Kristalls 14 reflektiert, in dem ererneut teilweise absorbiert wird. Der vom zweiten Kristall 14 absorbierteTeil des Strahls aus dem ersten Kristall führt, durch den zweiten Kristall,zu einer Emission eines Strahls 20 bei einer Wellenlänge vonca. 2,1 μm.Beim Austritt aus dem zweiten Kristall werden 95% dieses Strahls 20 vonder Beschichtung 15a des zweiten Spiegels 15 reflektiert,während5% des Strahls diesen durchdringen. Dieser Teil des Strahls 9 kannsomit bekanntermaßenan der Außenseitedes Resonators genutzt werden. Somit kommt es zwischen den jeweiligen Beschichtungender Spiegel 12 und 15 zu einer Überlagerungder Strahlen 16, 19, 20, 21 ausdem ersten bzw. zweiten Kristall.
    [0041] In 3a und 3b wird eine zweite Ausführungsformder Erfindung dargestellt, in welcher der Laser transversale Intracavity-Resonatorenaufweist. Er besitzt erste Pumpmittel 10 bestehend ausbei 0,792 μmWellenlängefunktionierenden Laserdioden zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln 33 bestehend auseinem ersten Kristall 33 aus Yttrium- und Lithium-Fluorid,der mit 3,5% Thulium dotiert ist und eine aktive Länge von8 mm aufweist, zum Pumpen eines zweiten Kristalls 14 ausYAG, der mit 0,3% Holmium dotiert ist und eine aktive Länge L von20 mm aufweist, wobei der erste und zweite Kristall in zwei Intracavity-Resonatorenangeordnet sind, d.h. einen gemeinsamen Teil aufweisen.
    [0042] Dererste Resonator 48, nämlichder des ersten Kristalls TmYLF, ist einerseits durch einen ersten Spiegel 22 miteiner im Wellenlängenbereichvon 1,9–2,1 μm reflektierendenBeschichtung 25 an Resonatorseite und einer hohen Transmissionfür die Wellenlängen derLaserdioden sowie einen zweiten Spiegel 23 mit einer insbesonderebei Wellenlängen zwischen1,9 und 2,1 μmhoch reflektierenden Beschichtung 26 auf einer Spiegelfläche an Resonatorseiteabgegrenzt. Zudem besitzt die der Beschichtung des ersten Spiegels 22 gegenüberliegendeFlächeeine hohe Transmission fürdie Emissionswellenlängender Laserdioden. Die Längedieses Resonators beträgtca. 60 mm.
    [0043] DieserResonator besitzt, ausgehend vom ersten Spiegel 22, einenPumpwellenlängen-Wähler 45,den ersten Kristall TmYLF 33, einen Strahlteiler 32,eine Strahlaufweitungsvorrichtung 28 und den zweiten KristallHoYAG 14. Mit der eingesetzten Strahlaufweitungsvorrichtung 28 wirdin eine einzige Richtung senkrecht zur Strahlrichtung die Strahlbreiteum einen Faktor von ca. 10 erhöht.
    [0044] Derzweite Resonator 50, nämlichder des zweiten Kristalls HoYAG, ist einerseits durch den zweitenSpiegel 23 des ersten Resonators und andererseits durcheinen dritten Auskoppelspiegel 24 mit einer Beschichtung 27 anResonatorseite mit einer Reflektivität von ca. 95% bei 2,1 μm, d.h. derEmissionswellenlängedes HoYAG-Lasers, abgegrenzt.
    [0045] DieserResonator besitzt einerseits, ausgehend vom zweiten Spiegel 23 biszum Strahlteiler 32, dieselben Elemente 23, 26, 14, 28 wieder erste Resonator, da es sich hierbei um den gemeinsamen Teil derbeiden Resonatoren handelt, und andererseits hinter dem Strahlteiler 32 undzwischen dem Strahlteiler und dem dritten Spiegel 24 eineTriggervorrichtung bestehend aus einem akustooptischen Modulator 34.Die Längedieses Resonators beträgt ca.80 mm.
    [0046] Dasich der HoYAG-Stab im gemeinsamen Teil der beiden Intracavity-Resonatoren befindet,d.h. auf der Strecke, wo sich die beiden Strahlen überlagern,durchdringen diese den Stab. Der Strahlteiler 32 dientzur Trennung des durch TmYLF erzeugten Strahls von dem durch HoYAGerzeugten Strahl durch Einflussnahme auf die Polarisations- undWellenlängendifferenz,um die Verzerrung des HoYAG-Strahls aufgrund des thermischen Linseneffektes zuvermeiden, der durch den Pumpstrahl aus den Dioden im ersten KristallTmYLF erzeugt wird. Der unter einem Einfallswinkel von 45° angeordnete Strahlteiler 32 übernimmtteilweise diese Rolle; er ist bei einer Wellenlänge von ca. λ = 1,91 μm für eine Polarisation „S" hoch reflektierendund besitzt eine maximale Transmission bei einer Wellenlänge von ca.2,1 μm für eine Polarisation „P".
    [0047] Umzudem eine Funktionsweise mit einer möglichst hohen HoYAG-Sättigungsschwelle zu ermöglichen,müssendie zweiten Pumpmittel eher bei einer Wellenlänge von 1,91 μm als einerWellenlänge von1,953 μmbetrieben werden. Zu diesem Zweck ist einerseits die Verwendungeines spektralen Profils des Spiegels 22 vorzuziehen, wodurchder Pumplaser 33 eher bei einer Wellenlänge im Bereich von 1,91 μm als von1,953 μmbetrieben und die Wellenlängen-Wahlvorrichtungzur Einstellung der Emissionswellenlänge des ersten Kristalls 33 aufdie gewünschteWellenlängeverwendet werden kann. Diese Wellenlängen-Wahlvorrichtung 45 bestehtin diesem Beispiel aus einem Fabry-Pérot-Etalon aus Siliziumoxid.
    [0048] DieseLaservorrichtung funktioniert wie folgt. Für eine deutlichere Darstellungzeigt 3a die Pumpstrahlenund 3b den vom zweitenKristall erzeugten Strahl.
    [0049] Einerster Pumpstrahl 18 wird von den Laserdioden 10 emittiert.Dieser Strahl durchdringt ohne Verluste den ersten Spiegel 22 unddessen dazugehörigeBeschichtung 25 sowie anschließend den Wähler 45 und dann denersten Kristall TmYLF, mit dem eine Wechselwirkung entsteht. Diesererste Kristall 33 erzeugt somit einen Strahl 29 zumPumpen des zweiten Kristalls HoYAG 14. Dieser Strahl 29 miteiner Wellenlängevon ca. 1,91 μmwird vom Strahlteiler 32 in Richtung der Strahlaufweitungsvorrichtung 28 reflektiert,in welcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 erhöht wird,wobei die Strahlleistungsdichte ebenfalls um einen Faktor 10 reduziertwird. Der aus der Strahlaufweitungsvorrichtung 28 austretendePumpstrahl 30 dringt somit in den zweiten Kristall 14 ein,mit dem eine Wechselwirkung entsteht. Somit erfolgt das Lasen deszweiten Kristalls 14 durch Emittieren eines Strahls 35 beieiner Wellenlängevon ca. 2,1 μm.
    [0050] Wiein 3a dargestellt, wirdder vom ersten Kristall emittierte Pumpstrahl, der mit dem zweitenKristall nicht in Wechselwirkung stand, vom Spiegel 23 reflektiertund durchdringt erneut den zweiten Kristall, in dem eine Wechselwirkungentsteht, anschließenddurchdringt der nicht in Wechselwirkung stehende Teil die Strahlaufweitungsvorrichtung 28, bevorer überden Strahlteiler 32 in Richtung des ersten Spiegels 22 geleitetwird.
    [0051] Wiein 3b dargestellt, wirdder Emissionsstrahl des zweiten Kristalls 14 vom zweitenSpiegel 23 reflektiert, durchdringt dann den zweiten Kristall 14 unddie Strahlaufweitungsvorrichtung 28, welche den einfallendenStrahl 35 in einen Strahl 36 mit einem um einenFaktor 10 reduzierten Querschnitt umwandelt. Dieser Strahl 36 durchdringtanschließendden Strahlteiler 32 und den akustooptischen Modulator 34,bevor er teilweise von der Beschichtung 27 des Spiegels 24 reflektiertwird, wobei der übertrageneTeil des Strahls 9 somit bekanntermaßen an der Außenseitedes Resonators genutzt werden kann.
    [0052] Zwischender Beschichtung 26 des Spiegels 23 und dem Strahlteiler 32 überlagernsich die jeweiligen Strahlen des ersten und zweiten Kristalls.
    [0053] In 4a, 4b und 5 wirdeine dritte Ausführungsformder Erfindung dargestellt, in welcher der Laser ebenfalls transversaleIntracavity-Resonatoren aufweist. Er besitzt erste Pumpmittel 10 bestehend ausbei 0,792 μmWellenlängefunktionierenden Laserdioden zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln bestehendaus einem ersten Kristall 33 aus Yttrium- und Lithium-Fluorid, der mit 3,5% Thulium dotiert ist und eine aktive Länge von8 mm aufweist, zum Pumpen eines zweiten Kristalls 14 ausYAG, der mit 0,3% Holmium dotiert ist und eine aktive Länge L von20 mm aufweist, wobei der erste und zweite Kristall in zwei Intracavity-Resonatorenangeordnet sind, d.h. einen gemeinsamen Teil aufweisen.
    [0054] Dererste Resonator 49, nämlichder des ersten Kristalls TmYLF, besitzt dieselben, in derselben Reihenfolgeangeordneten Elemente wie in der zweiten Ausführungsform der Erfindung, d.h.einen ersten Spiegel 22 mit einer im Wellenlängenbereichvon 1,91 und 2,1 μmreflektierenden Beschichtung 25 an Resonatorseite und einerhohen Transmission fürdie Wellenlängender Laserdioden, einen Pumpwellenlängen-Wähler 45, den erstenKristall TmYLF 33, einen bei ca. 1,91 und 2,1 μm Wellenlänge hochreflektierenden Strahlteiler 46, eine Strahlaufweitungsvorrichtung 37, 43, 44 sowieden zweiten Kristall HoYAG 14 und einen zweiten Spiegel 42 miteiner insbesondere bei einer Wellenlänge zwischen 1,9 und 2,1 μm hoch reflektierendenBeschichtung 26 auf einer Spiegelfläche an Resonatorseite. Zudembesitzt die der Beschichtung des ersten Spiegels 22 gegenüberliegendeFlächeeine hohe Transmission fürdie Emissionswellenlängender Laserdioden. Die Längedieses Resonators beträgtca. 60 mm.
    [0055] Derzweite Resonator 51, nämlichder des zweiten Kristalls HoYAG, ist einerseits durch einen drittenSpiegel 39 mit einer bei 2,1 μm, d.h. der Emissionswellenlänge desLasers, hoch reflektierenden Beschichtung 40 an Resonatorseiteabgegrenzt. Er enthältebenfalls den zweiten Kristall HoYAG 14 sowie einen akustooptischenModulator 34 und schließlich einen Auskoppelspiegel 24 miteiner Beschichtung 27, die eine Reflektivität von ca.95% bei 2,1 μm aufweist.
    [0056] Daseinzige gemeinsame Element zwischen dem ersten und zweiten Resonatorist der zweite Kristall HoYAG, wodurch jegliche Überlagerung der Pumpstrahlenmit dem Emissionsstrahl des zweiten Kristalls vermieden und somitdie Gefahr von Störungenaufgrund der im ersten Kristall auftretenden thermischen Linse maximaleingeschränktwird.
    [0057] Außerdem kannaufgrund dieser Anordnung der Bauelemente des Lasers die Länge deszweiten Resonators erheblich begrenzt werden, da diese nur ca. 40mm beträgt.
    [0058] Wiein 5 dargestellt, bestehtdie Strahlaufweitungsvorrichtung 37 aus zwei hintereinander angeordnetenPrismen 43 und 44 mit demselben Scheitelwinkel β, die jedochentgegengesetzt zueinander angeordnet sind.
    [0059] Diescheinbar am besten und einfachsten umzusetzende Lösung aufgrundeiner weniger kritischen Ausrichtung ist die Verwendung von Prismen ausundotiertem YAG (n = 1,8050 bei 1,9 μm).
    [0060] Miteinem einzigen Prisma kann leicht ein Vergrößerungsfaktor von ca. 3 erzieltwerden. In Abhängigkeitdes Einfallswinkels i beträgtdie Vergrößerung vonStrahl G: G = (1/n)·[(n2 – sin2i)/(1 – sin2i)]1/2,wobeiG gegen unendlich strebt, wenn i gegen π/2 strebt.
    [0061] EinEinfallswinkel von 75° wurdegewählt,da bei diesem Wert eine gute Antireflexbehandlung bei einer Polarisation „P" sichergestellt werdenkann. Der Scheitelwinkel β einesPrismas beträgtsomit 32°21'. I= L·tg β I'tg(π/2 – i) = d,wobeid der Durchmesser des Eingangsstrahls ist.
    [0062] Weisendie beiden Prismen 43 und 44 denselben Winkel β, jedochunterschiedliche Größen auf,betragen die Mindestabmessungen: I + I' = L·tg β + d/tg(π/2 – i) = d[G·tgβ + 1/tg(π/2 – i)]
    [0063] Beizwei identischen Prismen wird I + I' zu: I + I' = L(tg β + (1 – 1/G2 + tg2 β)
    [0064] BeiG = 10, 1/G2 « 1: I + I' =L(1 + sinβ)/cosβ
    [0065] Bei β = 32°21' beträgt I + I' = 1,8 L und L >= d·G.
    [0066] BeiG = 10 und d < 1mm überschreitendie Gesamtabmessungen in Abhängigkeitder Resonatorlängenicht 18 mm, wodurch kurze Resonatorlängen beibehalten werden können.
    [0067] EineVorrichtung mit 2 hintereinander angeordneten Prismen, die entgegengesetztzueinander stehende Scheitelwinkel aufweisen, besitzt zwei Vorteile:Einerseits wird die spektrale Dispersion der Strahlen ausgeglichenund andererseits tritt der aufgeweitete Strahl in derselben Richtungwie der einfallende Strahl aus.
    [0068] DieseLaservorrichtung funktioniert wie folgt. Für eine deutlichere Darstellungzeigt 4a die Pumpstrahlenund 4b den vom zweitenKristall erzeugten Strahl.
    [0069] Einerster Pumpstrahl 18 wird von den Laserdioden 10 emittiert.Dieser Strahl durchdringt ohne Verluste den ersten Spiegel 22 unddessen dazugehörigeBeschichtung 25 sowie anschließend den Wähler 45 und den erstenKristall TmYLF 33, mit dem eine Wechselwirkung entsteht.Der erste Kristall 33 erzeugt somit einen Strahl 29 zumPumpen des zweiten Kristalls HoYAG 14. Dieser Strahl 29 miteiner Wellenlängevon ca. 1,91 μmwird vom Strahlteiler 46 in Richtung der Strahlaufweitungsvorrichtung 37 reflektiert,in welcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 erhöht wird,wobei die Strahlleistungsdichte ebenfalls um einen Faktor 10 reduziertwird. Der Pumpstrahl 29 dringt somit in den zweiten Kristall 14 ein,mit dem eine Wechselwirkung entsteht. Somit erfolgt das Lasen deszweiten Kristalls durch Emittieren eines zweiten Strahls 41 beieiner Wellenlängevon 2,1 μm,der die Strahlaufweitungsvorrichtung 37 nicht durchdringtund senkrecht zum von TmYLF emittierten Pumpstrahl steht. Somitmuss der Werkstoff, aus dem die Prismen bestehen, für die Emissionswellenlänge vonHoYAG, d.h. 2,1 μm,nicht durchlässig sein.
    [0070] Wiein 4a dargestellt, wirdder vom ersten Kristall emittierte Pumpstrahl, der mit dem zweitenKristall nicht in Wechselwirkung stand, vom Spiegel 42 reflektiertund durchdringt erneut den zweiten Kristall, in dem eine Wechselwirkungentsteht, anschließenddurchdringt er die Strahlaufweitungsvorrichtung 37, inwelcher der Strahlquerschnitt um einen Faktor 10 reduziert wird,bevor er überden Strahlteiler 46 in Richtung des ersten Spiegels 22 geleitetwird.
    [0071] Wiein 4b dargestellt, wirdder Emissionsstrahl des zweiten Kristalls 14 vom drittenSpiegel 39 reflektiert, durchdringt dann den zweiten Kristall 14,den akustooptischen Modulator 34, bevor er teilweise vomSpiegel 24 reflektiert wird, wobei der übertragene Teil des Strahls 9 somitbekanntermaßenan der Außenseitedes Resonators genutzt werden kann.
    [0072] Beidieser Ausführungsformbesitzt der Strahlteiler 46 keine besondere Funktion, außer der Richtungsänderungdes vom ersten Kristall 33 erzeugten Strahls mit einemWinkel von π/2Radiant. Er könntesomit entfernt werden und der Resonator 49 wäre somitlongitudinal und senkrecht zum Resonator 51 angeordnet.Dieser Strahlteiler 46, der die vom ersten Kristall andessen Seite emittierte Laserstrahlung 29 reflektiert unddie von den Dioden an der anderen Seite emittierte Strahlung durchlässt, könnte jedochzur Steigerung der Pumpleistung des ersten Kristalls 33 eingesetztwerden. Es reicht nämlichaus, wie in 4c dargestellt,eine zweite Konstruktion bestehend aus Dioden 10, einemSpiegel 22 mit dessen Beschichtung 25 sowie einemWähler 45 symmetrischzum Strahlteiler 46 anzuordnen. Somit würde der erste Kristall einerseitsdirekt mit der Strahlung aus der ersten Konstruktion und andererseitsmit der Strahlung aus der zweiten Konstruktion über den Strahlteiler 46 gepumptwerden. Mit dieser Lösung kann,im Vergleich zur Vorrichtung aus 4a,die Nutzleistung zum Pumpen des ersten Kristalls 33 verdoppeltwerden.
    [0073] Durchlongitudinales oder transversales Pumpen von HoYAG werden aufgrundder Reduzierung der Pumpleistungsdichte infolge der Strahlaufweitungdie Schwankungen bei der Emission von TmYLF und HoYAG verringertbzw. beseitigt. Durch Wahl einer Vorrichtung zur Strahlaufweitungin einer einzigen Richtung durch Beibehaltung der Höhe des Pumpstrahlsist ein transversaler Aufbau leicht durchführbar. Beim longitudinalenPumpen muss der Strahl dieses Element bei 2,1 μm durchdringen und es bestehtdas Problem der Wahl einer Vorrichtung mit sehr geringen Absorptionsverlustenbei dieser Wellenlänge.
    [0074] Selbstverständlich kanndas oben beschriebene Ausführungsbeispielauf unterschiedliche Art und Weise modifiziert werden, ohne denRahmen der Erfindung zu sprengen.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Intracavity-gepumpter Laser mit ersten Pumpmitteln(10) zum Pumpen von zweiten Pumpmitteln (13, 33)bestehend aus einem ersten thuliumdotierten Kristall (13, 33)zum Pumpen eines zweiten holmiumdotierten Kristalls (14),wobei sich der erste und zweite Kristall in demselben Resonatorbefinden, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser eineLaserstrahlaufweitungs-Vorrichtung (17, 28, 37)im erwähntenResonator zwischen dem ersten und zweiten Kristall besitzt.
    [2] Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassdie Strahlaufweitungsvorrichtung aus einer Brennpunktsvorrichtung,wie z.B. einer Konkav- und Konvexlinse, besteht.
    [3] Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassdie Strahlaufweitungsvorrichtung mindestens aus einem Prisma besteht.
    [4] Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dassdie Strahlaufweitungsvorrichtung mindestens aus einem YAG-Kristall-Prismabesteht.
    [5] Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaufweitungsvorrichtungaus zwei hintereinander angeordneten Prismen (43, 44)mit demselben Scheitelwinkel β besteht,die jedoch entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.
    [6] Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dassdie Scheitelwinkel β derbeiden erwähnten Prismenidentisch sind.
    [7] Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser eine Wellenlängen-Wahlvorrichtung(45) beispielsweise bestehend aus einem Fabry-Pérot-Etalon(45) aus Siliziumoxid besitzt.
    [8] Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall (33)aus thuliumdotierten YLF besteht und dass der Resonator, der diesenersten Kristall (33) enthält, einen ersten Spiegel (22)aufweist, der eine Beschichtung (25) mit einem spektralenProfil besitzt, das den Betrieb des zweiten Pumplasers (33) beieiner Wellenlängevon ca. 1,91 μmgewährleistet.
    [9] Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser zwei transversale Intracavity-Resonatoren (48, 50; 49, 51)aufweist.
    [10] Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dassdas einzige gemeinsame Element der beiden Resonatoren (49, 51)der zweite holmiumdotierte Kristall (14) ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004030949B4|2008-03-27|
    FR2858721A1|2005-02-11|
    FR2858721B1|2006-02-24|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2007-04-12| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2008-09-25| 8364| No opposition during term of opposition|
    2016-01-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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