"Optisch gepumpter Verstärker, insbesondere Festkörper-Verstärker"

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Verstärker, insbesondere einen Festkörper-Verstärker, mit einem Verstärkungsmedium und mit einer opti¬ schen Pumpanordnung, über die Pumpstrahlung in das Verstärkungsmedium quer zu dessen Abstrahlrichtung eingekoppelt wird, wobei die Pumpstrahlung vor der Ein- kopplung geformt wird, und der durch das Verstärkungsmedium hindurchgehende Strahlungsanteil der Pumpstrahlung in das Verstärkungsmedium mittels Reflexions¬ einheit zurückreflektiert wird.

Optisch gepumpte Verstärker der vorstehend angegebenen Art sind allgemein bekannt.

Die rasanten Entwicklungen von Hochleistungs-Diodenlasern, insbesondere unter den Aspekten von Zuverlässigkeit und Kosten, haben insbesondere dazu geführt, Diodenlaser zum optischen Pumpen von Verstärkern und Lasern einzusetzen. Die Strahleigenschaften und spektralen Eigenschaften von Hochleistungs-Diodenlasern ermöglichen vielfältige Systemkonfigurationen im Vergleich zum Pumpen mit kon¬ ventionellen Blitz-Lampen bzw. Bogen-Lampen. Im allgemeinen wird die axiale Pum¬ panordnung für Laser mit einer Ausgangsleistung bis zu einigen 10W verwendet, während die transversale Pumpanordnung für die Skalierung der Ausgangsleistung bevorzugt eingesetzt wird.

Bezüglich der Geometrie des Gain- bzw. Verstärkungsmediums ist zwischen Stabla¬ sern und Slablasern zu unterscheiden. Die Stablaser haben zwar runde Ausgangs¬ strahlen, weisen aber große, durch thermooptische Effekte bedingte, Depolarisati- onsverluste auf. Diese Verluste verringern die erzielbare Effizienz, insbesondere dann, wenn polarisierte Ausgangsstrahlung erwünscht ist. Bei Lasern mit slabförmi- gem Medium liegt ein geringerer Depolarisationsverlust vor. Diese Erwartung wird aber nur dann erfüllt, wenn eine geeignete Pumpstrahlverteilung und Kühlanordnung vorliegt bzw. bereitgestellt werden kann.

In Figur 4 ist nun eine Pumpanordnung gemäß dem Stand der Technik für Slab-La- ser beschrieben. Das slabförmige Lasermedium 1 wird von einem Diodenlaserstack gepumpt, indem die von jedem linearen Diodenlaserarray 3 ausgehende Strahlung über jeweils eine Zylinderlinse 4 in eine Kopplungsoptik 5 eingekoppelt wird. An der gegenüberliegenden Seite des Lasermediums 1 ist ein Retrospiegel 6 angeordnet, der die beim ersten Durchgang der Diodenlaserstrahlung durch das Lasermedium 1 nicht absorbierte Strahlung bzw. Leistung in das Lasermedium zurückkoppelt. Hier¬ durch wird ein zweifacher Durchgang durch das Lasermedium 1 realisiert. Für eine Einkopplungseffizienz der Pumpstrahlung von 86% ist die Verteilung der absorbier¬ ten Leistungsdichte in der Pumprichtung in Figur 5 dargestellt. Die vordere Kante, in die die Pumpstrahlung eingestrahlt wird, ist hierbei mit Null angegeben, während die hintere Kante, aus der die Pumpstrahlung austritt, mit 1 bezeichnet ist. Aus dieser graphischen Darstellung ist zu erkennen, daß es nicht möglich ist, mit dieser Pumpanordnung eine homogene Beleuchtung bzw. ein homogenes Pumpen des slabförmigen Lasermediums 1 bei einer annehmbaren Kopplungsefftzienz (größer 70%) zu erreichen. Die nicht homogene Verteilung der Pumpstrahlung in dem Laser¬ medium führt wiederum zu thermooptischen Störungen und somit zur verringerten Strahlqualität, da eine anzustrebende eindimensionale Wärmeleitung in dem slabför¬ migen Lasermedium nicht vorliegt.

Ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik liegt der vorlie¬ genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die anhand des Stands der Technik aufge¬ zeigten Probleme zu lösen, insbesondere dahingehend, die absorbierte

Leistungsdichte der in ein Verstärkungsmedium eingekoppelten Pumpstrahlung über den Querschnitt des Festkörpermediums zu homogenisieren.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem optischen Verstärker der eingangs ge¬ nannten Art, dadurch gelöst, daß die Pumpstrahlung zumindest annähernd polari¬ siert ist, daß im Strahlengang der Pumpstrahlung vor der Einkopplung in das Ver¬ stärkungsmedium ein Polarisations-Strahlteiler angeordnet ist, dem ein Spiegel zu¬ geordnet ist, daß der Strahlungsanteil, der von dem Polarisations-Strahlteiler durch das Verstärkungsmedium hindurchgeführt und nicht absorbiert wird, so von der Re¬ flexionseinheit in das Verstärkungsmedium zurückreflektiert wird, daß der bei die¬ sem zweiten Durchgang durch das Verstärkungsmedium nicht absorbierte Strah¬ lungsanteil auf den Polarisationsteiler geführt wird, wobei die Polarisationsrichtung dieses Strahlungsanteils gedreht wird, und daß dieser Strahlungsanteil von dem Po¬ larisations-Strahlteiler zu dem ihm zugeordneten Spiegel geführt und von diesem zu¬ rück über den Polarisations-Strahlteiler in das Verstärkungsmedium reflektiert wird.

Das Prinzip der Erfindung liegt darin, daß durch eine geeignete Pumpanordnung ein nur definiert partielles Volumen des Mediums mit der Pumpstrahlung gepumpt wird. Hierbei wird zur Erhöhung der Homogenität der Pumpleistungsverteilung die Polari¬ sationseigenschaft der Pumpstrahlung, wobei vorzugsweise Diodenlaserstrahlung eingesetzt wird, in Form eines vierfachen Durchgangs durch das Lasermedium unter Verwendung eines Polarisations-Strahlteilers ausgenutzt.

Vorzugsweise sollte bereits der Polarisationsgrad der Pumpstrahlung größer als 80% betragen; dies ist der Fall, wenn das Verstärkungsmedium mit Diodenlaser¬ strahlung gepumpt wird.

In einer einfachen Anordnung kann die Drehung der Polarisationsrichtung mittels ei¬ ner λ/4-Platte erfolgen.

Damit ein einfacher Aufbau erreicht wird, sollte die Polarisationsrichtung der Pump¬ strahlung vor dem Polarisations-Strahlteiler, und zwar vor dem ersten Durchgang dort hindurch, so angeordnet bzw. gedreht werden, daß sie für den Polarisations-

Strahlteiler eine p-Polarisation, d.h. daß die Polarisationsrichtung parallel zu der Einfallsebene steht, darstellt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen¬ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere auch im Vergleich zu dem Stand der Technik. In der Zeichnung zeigt

Figur 1 eine erste Ausführungsform eines optisch gepumpten Festkörper-Verstärkers,

Figur 2 eine weitere Anordnung, die in ihrem Prinzip auf der Anordnung der Figur 1 basiert,

Figur 3 eine dritte Anordnung, bei der als Pumpstrahlung Diodenlaserstrahlung eingesetzt wird,

Figur 4 einen Festkörperlaser, der mit Diodenlaserstrahlung gepumpt wird, nach dem Stand der Technik, und

Figur 5 ein Diagramm, das die in dem Verstärkermedium absorbierte Leistung in Bezug auf die relative Position in dem Verstärkungsmedium entlang der Richtung der Pumpstrahlung bei einem zweifachen Durchgang der Pump¬ strahlung durch das Medium und einem vierfachen Durchgang der Pump¬ strahlung durch das Medium darstellt.

Das erfindungsgemäße Prinzip liegt darin, durch eine geeignete Pumpanordnung nur ein definiert partielles Volumen des Mediums zu pumpen. Hierbei wird eine pola¬ risierte Pumpquelle 7, vorzugsweise eine Diodenlaserfeldanordnung, wie sie auch in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, eingesetzt. Deren Pumpstrahlung wird über eine Kopplungsoptik 8 und einen Polarisations-Strahlteiler 9 in das zu pumpende Laser¬ medium 10 eingekoppelt. Die in dem Lasermedium 10 nicht absorbierte Strahlung wird auf der dem Polarisations-Strahlteiler 9 gegenüberliegenden Seite des Laser¬ mediums 10 an einer Retro-Reflexionseinrichtung 11. Die Drehung der Polarisati¬ onsrichtung erfolgt unter Verwendung einer λ/4-Platte. Die bei diesem zweiten Durchgang durch das Lasermedium 10 wiederum nicht absorbierte Pumpstrahlung

führt mit einer gedrehten Polarisationsrichtung auf den Polarisations-Strahlteiler 9 und wird aus dem Strahlengang, der mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist, seit¬ lich ausgekoppelt und auf einen Retro-Spiegel 13.

Diese Strahlung führt dann zurück zu dem Polarisations-Strahlteiler 9 und wird, ent¬ lang des Strahlengangs 12, wiederum in das Lasermedium 10 eingekoppelt. Durch die Verwendung des Polarisations-Strahlteilers 9, der Retro-Reflexionseinheit 11 mit Polarisationsdrehung und dem Retro-Spiegel 13 wird somit ein Vierfach-Durchgang der Pumpstrahlung durch das Lasermedium ermöglicht. In einem solchen Fall ist die normierte absorbierte Laserleistungsdichte (p) in der Pumprichtung gegeben durch die folgende Gleichung:

p = α [e ^"αx + e-" ²¹ " + e^ ² ' ^* ^ + e^ ⁴¹ ^]

wobei

α : Absorptionskoeffizient

x : relative Position entlang der Richtung der Pumpstrahlung

I : Breite des slabförmigen Mediums in der Pumpstrahlrichtung

bedeutet.

In Gegenüberstellung dazu ist die normierte absorbierte Leistungsdichte (p) bei ei¬ nem Zweifach-Durchgang, wie er in Figur 4 dargestellt ist, gegeben durch:

p = α [e- + e^ ²¹ " ⁰ ]

Wie nun die Figur 5 zeigt, kann durch den vierfachen Durchgang der Pumpstrah¬ lung, in der Graphik der Figur 5 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, im Ver¬ gleich zu einem Zweifach-Durchgang, in der Graphik in Figur 5 mit einer unterbro¬ chenen Linie dargestellt, entsprechend einer Pumpanordnung nach dem Stand der Technik, über dessen Querschnitt in Richtung des Strahlengangs 12 (siehe Figur 1) homogener gestaltet werden.

Eine zusätzliche Verbesserung der Homogenität ist darüberhinaus dann gegeben, wenn das Lasermedium von oben und von unten, d.h. senkrecht zu dem Strahlen- gang 12 in Figur 1 , kontaktgekühlt wird und dessen Pumpseiten thermisch isoliert werden. Dies bringt mit sich, daß die homogen absorbierte Leistungsdichte in der Pumprichtung zu einer eindimensionalen Wärmeleitung senkrecht zur Pumprichtung führt und somit Depolarisationsverluste praktisch nicht auftreten. Weiterhin kann die Höhe des gepumpten Querschnitts des Lasermediums, d.h. senkrecht zu der Rich¬ tung der Pumpstrahlung und der Laserstrahlung, so dimensioniert werden, daß sie vergleichbar mit dem Modenradius ist. Damit kann ein Laser mit einem hohen Wir¬ kungsgrad bei einer hohen Strahlqualität realisiert werden.

Für eine Skalierung der Laserleistung kann eine Pumpanordnung, wie sie anhand der Figur 1 erläutert ist, in doppelter Anordnung, und zwar in Richtung entlang der axialen Erstreckung des Lasermediums angeordnet werden. Eine solche Ausfüh¬ rungsform ist in Figur 2 gezeigt. Die jeweiligen Pumpanordnungen sind beidseitig des Lasermediums 10 angeordnet, wobei für die weiteren Komponenten die entspre¬ chenden Bezugszeichen, die auch in Figur 1 dargestellt und beschrieben sind, ver¬ wendet sind, so daß sich die entsprechenden Ausführungen zu den einzelnen Bau¬ teilen der Figur 1 entsprechend auf die Bauteile der Figur 2 übertragen lassen. Eine solche Anordnung erhöht zusätzlich die Homogenität der absorbierten Leistungs¬ dichte im Sinne des Integrals entlang der Achse des Lasermediums.

Die vorstehend anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Pumpanordnungen kön¬ nen für alle Arten von optischem Pumpen eingesetzt werden. Ein Beispiel, bei dem mit Diodenlaserstrahlung ein Festkörperverstärker bzw. ein Laser gepumpt wird, ist in Figur 3 gezeigt. Es ist bekannt, daß Hochleistungs-Diodenlaser polarisierte Strah¬ lung mit einem Polarisationsverhältnis von 20:1 bevorzugt parallel zum PN-Über- gang emittieren. Daher wird in der Anordnung der Figur 3 die von einem Diodenla- serstack bzw. einem Diodenlaserarray 14, bei dem mehrere lineare Diodenlaseremit- teranordnungen 15 übereinandergestapelt sind, abgegebene Strahlung jeweils über eine Zylinderlinse 16 in der Fastrichtung, d.h. senkrecht zum PN-Übergang, kolli- miert und als Pumpstrahlungsquelle eingesetzt. In den Strahlengang der Diodenla¬ serstrahlung ist dann eine λ/2-Platte 17 eingesetzt, die zur Drehung der Polarisation

der Diodenlaserstrahlung um 90° dient, d.h. die Polarisationsrichtung hinter der λ/2-Platte besitzt eine p-Polarisation bezogen auf den nachgeordneten Polarisator. Mit einer Kopplungsoptik 18 wird die p-polarisierte Diodenlaserstrahlung über einen Polarisator 19 in das Lasermedium 20 eingekoppelt. Hinter dem Lasermedium 20 liegt eine λ/4-Platte 21 sowie ein erster Retro-Spiegel 22. Mit dem Retro-Spiegel wird die beim ersten Durchgang durch das Lasermedium 20 nicht absorbierte Di¬ odenlaserstrahlung zurück in das Medium 20 eingekoppelt. Gleichzeitig wird die Po¬ larisation um 90° bei zweifachem Durchgang durch die λ/4-Platte gedreht. Die beim zweiten Durchgang durch das Lasermedium 20, d.h. nach Reflexion von dem Retro- Spiegel 22, nicht absorbierte Diodenlaserstrahlung mit s-Polarisation wird von dem Polarisator bzw. dem Polarisations-Strahlteiler 19 zu einem zweiten Retro-Spiegel 23 hin reflektiert und von dort wieder zurück über den Polarisationsteiler für einen dritten Durchgang in das Lasermedium 20 eingekoppelt. Die nach dem dritten Durchgang durch das Lasermedium 20 nicht absorbierte Diodenlaserstrahlung wird nochmals von dem ersten Retro-Spiegel 22 zurück in das Medium eingekoppelt und gleichzeitig wird die Polarisation der Diodenlaserstrahlung wieder p-polarisiert. Die nach dem vierten Durchgang durch das Lasermedium 20 noch nicht absorbierte Di¬ odenleistung läuft dann durch den Polarisator 19 hindurch und gilt als Verlustleistung.

Wie insbesondere auch aus Figur 3 ersichtlich ist, liegen die Vorteile einer solchen Pumpanordnung, insbesondere einer Pumpanordnung, mit der ein Lasermedium mit¬ tels Diodenlaserstrahlung gepumpt wird, in der erzielbaren, eindimensionalen Wär¬ meleitung, dem geringen Depolarisationsverlust, einer geringen thermooptischen Störung sowie der Möglichkeit, das gepumpte Volumen an das Laservolumen anzu¬ passen, indem entsprechende Kopplungsoptiken sowie entsprechende Retro-Spie¬ gel 22 und 23 eingesetzt werden (nimmt man auf die Figur 3 Bezug). Weiterhin ist ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Strahlqualität gegeben.

Die Strahlqualität und Intensitätsverteilung aus den Verstärkern bzw. Lasern mit rechteckigem Querschnitt können mit zum Beispiel treppenstufenartig angeordneten Spiegeln homogenisiert bzw. an Anwendungen adaptiert werden, indem der Strahl¬ querschnitt jeweils umgeformt bzw. in Gruppen unterteilt und dann umgruppiert wird.