Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Verstärker-Anordnung, die insbesondere geeignet ist, einen von einer Laserquelle bzw. einem Oszillator ausgestrahlten Laserstrahl mit einem hohen Verstärkungsfaktor zu verstärken.

Im aligemeinen ist die erzielbare Ausgangsleistung von Lasern, insbesondere Festkörperlasern, bei hoher Strahlqualität durch die thermische Linsenwirkung des Verstärkungsmediums begrenzt. Um eine hohe Laserleistung bei hoher Strahlqualität zu erzielen, wird bislang eine Oszillator-Verstärker-Anordnung verwendet. Dabei ist der Oszillator derart ausgelegt, daß er einen Laserstrahl mit hoher Strahlqualität und relativ geringer Leistung abgibt. Der vom Oszillator abgegebene Laserstrahl wird darauf hin in den nachgeschalteten Verstärker eingestrahit und verstärkt, so daß sich unter Beibehaltung der Strahiqualität eine hohe Strahlleistung ergibt.

Eine derartige Anordnung mit nachgeschaltetem Verstärker ist beispielsweise in Fig. 6 gezeigt. In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen optischen Verstärker, Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Oszillator und Bezugszeichen 14 bezeichnet die optischen Komponenten, mit denen die optische Abbildung realisiert wird.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Anordnung handelt es sich um eine Laseranordnung, bei der sowohl der Oszillator als auch der Verstärker ein stabförmiges Festkörpermedium aufweisen. Aufgrund der verfügbaren Verstärkung, die nicht zuletzt durch die verstärkte Spontanemission und parasitäre Oszillation beschränkt ist, beträgt der typische Verstärkungsfaktor bei einem Verstärker dieser Art etwa 1,2 bis 3 pro Umlauf.

Bei einem schwachen Oszillator ist dieser Verstärkungsfaktor oft zu gering, um eine effiziente Ausnutzung des Verstärkungsmediums zu erzielen.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht in einer regenerativen Verstärker- Anordnung, bei der das Verstärkungsmedium in einem Resonator mit einer Pockels-Zelle und einem Polarisator (regenerativer Resonator) eingebaut ist. Der zu verstärkende Laserstrahl wird durch die Pockels-Zelle und den Polarisator in den regenerativen Resonator eingekoppelt. Nach mehreren Umläufen durch das Vestärkungsmedium ist der Laserstrahl mehrfach verstärkt, und er wird zum Schluß wieder durch die Pockels-Zelle und den Polarisator aus dem regenerativen Resonator ausgekoppelt. Dadurch wird zwar eine effiziente Verstärkung ermöglicht, die beschriebene Realisierung ist jedoch sehr aufwändig und beschränkt anwendbar für Laserpulse kürzer als einige 10 ps.

Zur weiteren Steigerung der Laserleistung können mehrere Verstärkerstufen verwendet werden. Solche mehrstufigen Verstärker-Anordnungen sind immer mit hohen Kosten verbunden. Darüber hinaus sind sie sehr voluminös und weisen einen hohen Platzbedarf auf, und sie sind wenig zuverlässig.

Zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors wird in der US-Patentschrift Nr. 4 703 491 eine Laseranordnung mit einem teilweise durchlässigen Auskoppelspiegel und einem vollständig reflektierenden Falt-Spiegel auf einer Seite des aktiven Lasermediums und einem weiteren vollständig reflektierenden Falt-Spiegel auf der anderen Seite des aktiven Lasermediums vorgeschlagen. Das optische System ist derart gestaltet, daß ein Laserstrahl mehrfach durch das aktive Lasermedium hindurchläuft, so daß eine lange effektive Resonatorlänge erhalten wird. Bei dieser Anordnung läuft der Strahl nach Mehrfachfaltung bzw. Multipass in sich zurück.

In der DE-A-196 09 851 wird darüber hinaus ein Bandleiterlaser beschrieben, mit einem fast votfständig reflektierenden Endspiegel, einem teilweise reflektierenden Auskoppelspiegel, die auf jeweils unterschiedlichen Seiten des aktiven Lasermediums angeordnet sind, sowie zwei zu den Stirnffächen des Resonators geneigten Faltspiegeln auf beiden Seiten des aktiven Lasermediums. Durch diese Anordnung wird ein Multipass- Resonator realisiert. Wie insbesondere in Fig. 3 gezeigt ist, hat einer der Faltspiegel eine konkav gekrümmte Spiegelfläche, wodurch der Strahiquerschnitt des Laserstrahis in einer Durchlaufrichtung aufgeweitet wird. In der umgekehrten Durchlaufrichtung wird der Strahiquerschnitt des Laserstrahls jedoch wieder verringert. Dies führt zu einer erhöhten Belastung der optischen Komponenten innerhalb des Resonators. Beim Durchgang vom

Auskoppelspiegel zum vollständig reflektierenden Endspiegel nimmt nämlich infolge des sich verkleinernden Strahlquerschnitts die Leistungsdichte drastisch zu, was hinsichtlich der effektiven Ausnutzung des Verstärkungsmediums und der Belastung der optischen Komponenten ungünstig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine optische Verstärker- Anordnung zu schaffen, bei der die Nachteile des Stands der Technik beseitigt sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine optische Verstärker-Anordnung, mit einem Verstärkungsmedium, welches einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt mit einer langen Kante und einer kurzen Kante aufweist, sowie mindestens zwei hochreflektierenden Spiegeln, zwischen denen das Verstärkungsmedium angeordnet ist, wobei die lange bzw. die kurze Kante des Querschnitts entlang der x-Achse bzw. der y- Achse steht, die z-Achse die optische Achse ist und die x-, y-und z-Achse ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, die Spiegel derart gestaltet und angeordnet sind, daß ein von einem Oszillator eingestrahlter zu verstärkender Strahl in der xz-Ebene mehrfach durch das Verstärkungsmedium durchläuft und verstärkt wird, und die Abmessung des zu verstärkenden Strahls in der x-Richtung nach jedem Durchgang größer wird.

Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen detaillierter beschrieben.

Fig. 1 a zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt in der xz-Ebene ; Fig. 1 b zeigt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt in der yz-Ebene ; Fig. 1c zeigt das Verstärkungsmedium im Querschnitt in der xy-Ebene ; Fig. 2 zeigt die schematische Aufweitung des zu verstärkenden Strahls gemäß einer zweiten Ausführungsform ;

Fig. 3a zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt in der xz-Ebene ; Fig. 3b zeigt die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt in der yz-Ebene; Fig. 4 zeigt ein Festkörper-Verstärkungsmedium, das entlang der y-Richtung einen dotierten Mittelbereich und zwei undotierte Randbereiche aufweist ; Fig. 5 zeigt eine Verstärker-Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ; und Fig. 6 zeigt eine herkömmliche Verstärker-Anordnung.

Die Elemente in der optischen Verstärker-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein slabförmiges Verstärkungsmedium sowie zwei speziell ausgelegte und angeordnete hochreflektierende Spiegel, zwischen denen das Verstärkungsmedium angeordnet ist. Die Vorteile des slabförmigen Verstärkungsmediums ist die quasi eindimensionale Wärmeleitung und eine eindimensionale Linsenwirkung, was bei einem Festkörpermedium eine Minimierung der Depolarisationsveriuste bedeutet.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 das Verstärkungsmedium mit einem näherungsweise rechteckigen Querschnitt. Das Verstärkungsmedium ist zwischen mindestens zwei hochrefiektierenden Spiegeln 2,3 angeordnet. Zur Vereinfachung der Darstellung wird ein rechtwinkliges Koordinatensystem eingeführt. Die x-Achse bzw. y- Achse steht dabei parallel zur langen bzw. kurzen Kante des Querschnitts, und die z- Achse steht parallel zur optischen Achse. Ein nicht dargestellter Oszillator gibt einen Laserstrahl mit hoher Strahlqualität und relativ geringer Leistung ab. Der zu verstärkende Strahl 4 aus dem Oszillator (Eingangsstrahl) wird im wesentlichen parallel zur optischen Achse in das Verstärkungsmedium eingestrahlt. Durch eine geeignete Auslegung der beiden Spiegel läuft der Strahl im wesentlichen in der xz-Ebene zwischen den Spiegel mehrfach durch das Verstärkungsmedium hin und her. Dadurch wird der Strahl mehrfach verstärkt Durch diese Anordnung wird sichergestellt, daß einerseits die hohe Strahlqualität des verstärkten Strahis nicht beeinträchtigt wird, andererseits ein hoher Verstärkungsfaktor realisiert wird

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die optische Verstärker-Anordnung, vorzugsweise die beiden Spiegel, so ausgelegt, da# die Abmessung des Ausgangsstrahls in der x- Richtung größer wird als die des Eingangsstrahls. Dadurch kann bei einer Verstärkung des durchlaufenden Strahis eine annähernd gleichbleibende Leistungsdichte erreicht werden.

Dies ist hinsichtlich des Sättigungsverhaltens der Verstärkung und zur Reduzierung der Intensität auf den optischen Komponenten, insbesondere dem Verstärkungsmedium, vorteilhaft.

Ein effizienter Betrieb des Verstärkers setzt nämlich voraus, da# die Laserintensität mit der Sättigungsintensität des Lasermediums vergleichbar ist. Dies bedeutet, daß bei einer Zunahme der Laserleistung der Querschnitt des Laserstrahis entsprechend vergrößert werden muß. Die effektivste Ausnutzung der Verstärkung wird erreicht, indem die Abmessung des Strahls in der x-Richtung nach jedem Durchgang, vorzugsweise mit einem konstanten Faktor M größer wird.

Der Faktor M ist eine Funktion der Klein-Signal-Verstärkung und der Intensität des Eingangsstrahls in Relation zur Sättigungsintensität. Für die Verstärkung von cw-bzw. qcw-Lasern ist der Faktor M gegeben durch : 1+(Is/Iin).g0#M# worin li, die Intensität des Eingangsstrahls, Is die Sättigungsintensität des Verstärkungsmediums und g0# die gesamte Klein-Signal-Verstärkung pro Umlauf bezeichnet.

Für einen gepulsten Laser ist der optimale Faktor M gegeben durch : 1+(Es/Ein).g0#M# worin E, die Energieflußdichte des Eingangsstrahls, Es die Sättigungs-Energieflußdichte des Verstärkungsmediums und go ! die gesamte Klein-Signal-Verstärkung pro Umlauf bezeichnet.

Eine besonders einfache Verstärker-Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Diese wird realisiert, indem zwei plane Spiegel verwendet werden. Die beiden planen Spiegel werden unter einem Winkel ß zueinander angeordnet, der etwa dem Volidivergenzwinkel a des Eingangsstrahis gleich ist. Der Winkel ct wird für eine effiziente Verstärkung im wesentlichen durch die Klein-Signal-Verstärkung, die Sättigungsintensität, die Leistung des Eingangsstrahis und den Abstand zwischen den beiden Spiegeln definiert.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 3a gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Spiegel 2,3 so ausgelegt und angeordnet, daß sie eine Art Hybrid-Resonator bilden, der in der xz-Ebene instabil und in der yz-Ebene stabil ist.

Der Eingangsstrahl 4 wird off-axis in den Resonator eingekoppelt.

Zur Stabilisierung des optischen Resonators in der yz-Ebene können eine oder mehrere zylindrische Linse (n) verwendet werden.

Bei dieser Ausführungsform, die übrigens auch in einer allgemeineren optischen Verstärker-Anordnung gemäß Patentanspruch 1, bei der die Abmessung des zu verstärkenden Strahis in der x-Richtung jedoch nicht nach jedem Durchgang größer wird, realisiert werden kann, sind die beiden Spiegel 2,3 zylindrisch mit Krümmungen in der xy-Ebene ausgebildet. In der yz-Ebene ist der Resonator aufgrund der thermischen Linsenwirkung in dieser Ebene stabil.

Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, daß weniger optische Komponenten verwendet werden musse und der Justieraufwand für die optische Verstärker-Anordnung verringert wird.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Verstärkungsmedium so beschaffen ist. daß es eine wellenleitende Funktion mindestens in der y-Richtung aufweist.

In einem konfokalen instabilen Resonator können insbesondere einfache Strahlengange realisiert werden. Bei diesem Resonator liegen, wie in Fig. 3a gezeigt, die Fokii der beiden Spiegel 2,3 gemeinsam auf einem Punkt F. Zur Vermeidung der möglichen Zerstörung von optischen Komponenten ist es vorteilhaft, den gemeinsamen Brennpunkt an eine Stelle außerhalb des Resonators zu legen.

Eine konstante Abmessung des Strahls innerhalb des Verstärkungsmediums 1 in der y- Richtung ist vorteilhaft hinsichtlich der Effizienz und Strahlqualität. Dies kann erreicht werden, indem der Eingangsstrahl 4 hinsichtlich des Radius und der Position der Strahltaille an die transversalen Moden des stabilen Resonators angepaßt wird. Für den Fall, daß die beiden Spiegel in der y-Richtung gerade sind, soll die Strahitaille des Eingangsstrahis 4 an der Position des zum Oszillator gewandten Spiegels 2 liegen. Der Radius der Strahltaille in der yz-Ebene wird unter Berücksichtigung der Linsenwirkung des Verstärkungsmediums 1 so definiert, daß nach dem Durchgang durch das Verstärkungsmedium in der yz-Ebene eine weitere Strahltaille an der Position des vom Oszillator abgewandten Spiegels 3 entsteht. Dies ist in Fig. 3b veranschaulicht.

In der xz-Ebene kann eine Art Linsenleitung mit einer konstanten Aufweitung realisiert werden, indem die Strahltaille des Eingangsstrahis in dieser Ebene auf den gemeinsamen Brennpunkt F der beiden Spiegel 2,3 gelegt wird.

Insgesamt werden mit der erfindungsgemäßen optischen Verstärker-Anordnung Verstärkungsfaktoren zwischen 10 und ungefähr 1000 erzielt.

Als Verstärkungsmedium können alle laserfähigen Medien wie beispielsweise Gas-oder Excimer-, Halbleiter-oder Festkörpermedien sein, bei denen die Besetzungsinversion durch jeweils Gasentladung, Strominjektion oder optisches Pumpen erfolgt.

Wird für die erfindungsgemäße optische Verstarker-Anordnung ein Festkörper als Verstärkungsmedium verwendet, so ist es hinsichtlich des thermischen Verhaltens vorteilhaft, eine Sandwich-Struktur in der y-Richtung und/oder in der z-Richtung zu verwenden. Dabei hat der Festkörper in der y-Richtung und/oder in der z-Richtung mindestens einen dotierten Mittelbereich 7 sowie zwei undotierte Randbereiche 6.8, wie in Fig. 4 gezeigt ist.

Der Festkörper kann dann optisch beispielsweise durch eine Diodenlaserstrahlung gepumpt werden. Beim Pumpen ist es dann von fundamentaler Bedeutung. die Pumpanordnung so zu gestalten, daß eine homogene Pumpleistung in der xy-Ebene realisiert wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Festkorper-Verstärkungsmedium durch eine Dioden-Laser-Anordnung 9 gepumpt wird. In Fig. 5 sind aus Vereinfachungsgründen die hochreflektierenden Spiegel 2,3 sowie der von einem Oszillator ausgestrahlte zu verstärkende Laserstrahl 4 nicht dargestellt. Diese können jedoch wie in den Figuren 1 a, 2 und 3a gezeigt angeordnet sein.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird die von der Dioden-Laser-Anordnung 9 emittierte Pumpstrahlung mindestens durch eine der Endflächen und im wesentlichen parallel zur z- Richtung in das Verstärkungsmedium 1 eingekoppelt. Dabei ist die Dioden-Laser- Anordnung 9 derart ausgestaltet, daß im Verstärkungsmedium 1 ein flacher gepumpter Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt entsteht, dessen Dimension in der y-Richtung kleiner als die des Verstärkungsmediums ist. Diese Pumpanordnung ist aufgrund des verbesserten thermischen Verhaltens vorteilhaft und bietet weniger Möglichkeiten zur parasitären Oszillation.

Wird ein Festkörper als Verstärkungsmedium 1 verwendet, so sorgt die Kontaktkühlung 12 durch die beiden großen und parallel zur xz-Ebene stehenden Flächen für eine effektive Abführung der Verlustwärme, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

Eine Homogenisierung der Dioden-Laser-Pumpstrahlung kann dadurch realisiert werden, daß sie in einen planaren Wellenleiter reinfokussiert wird und das Austrittsende des Wellenleiters durch eine Abbildungsoptik in das Verstärkungsmedium abgebildet wird. Der Querschnitt des planaren Wellenleiters wird dabei so orientiert, daß dessen große Dimension entlang der x-Richtung steht.

Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine optische Verstarker-Anordnung, mit einem Verstarkungsmedium, welches einen naherungsweise rechteckigen Querschnitt mit einer langen Kante und einer kurzen Kante aufweist, sowie mindestens zwei hochreflektierenden Spiegeln, zwischen denen das Verstarkungsmedium angeordnet ist, wobei die lange bzw. die kurze Kante des Querschnitts entlang der x-Achse bzw. der y-Achse steht, die z-Achse die optische Achse ist und die x-, y-und z-Achse ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, die Spiegel derart gestaltet und angeordnet sind. daß ein von einem Oszillator eingestrahlter zu verstärkender Strahl in der xz-Ebene mehrfach durch das Verstärkungsmedium durchläuft und verstärkt wird und ein Hybrid-Resonator gebildet wird, der in der x-

Richtung instabil und in der y-Richtung stabil ist, und bei der der Eingangsstrahl off-axis in das Verstärkungsmedium eingekoppelt wird, wobei die beiden hochreflektierenden Spiegel so dimensioniert sind, daß der Resonator in der yz-Ebene unter Mitwirkung der thermischen Linsenwirkung in dieser Ebene stabil ist.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung einen Laser-Oszillator mit einem Verstårkungsmedium, welches einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt mit einer langen Kante und einer kurzen Kante aufweist, sowie mindestens zwei hochrefiektierenden Spiegeln, zwischen denen das Verstärkungsmedium angeordnet ist, wobei die lange bzw. die kurze Kante des Querschnitts entlang der x-Achse bzw. der y- Achse steht, die z-Achse die optische Achse ist und die x-, y-und z-Achse ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, die Spiegel derart gestaltet und angeordnet sind, daß ein Multipass-Resonator entsteht und ein Hybrid-Resonator gebildet wird, der in der x-Richtung instabil und in der y-Richtung stabil ist, wobei die beiden hochreflektierenden Spiegel so dimensioniert sind, daß der Resonator in der yz-Ebene unter Mitwirkung der thermischen Linsenwirkung in dieser Ebene stabil ist. Dabei ist der Resonator derart gestaltet, daß eine Laser-Oszillation stattfindet. Genauer gesagt, befindet sich die Verbindungslinie der Krümmungszentren der beiden Spiegel innerhalb der von den reflektierenden Spiegelbereichen eingeschlossenen Verstärkungszone.

Vorzugsweise ist bei der beschriebenen optischen Verstärker-Anordnung bzw. dem Laser-Oszillator der Resonator ausschließlich aufgrund der thermiscnen Linsenwirkung in der yz-Ebene stabil.

Die beschriebene optische Verstarker-Anordnung bzw. der Laser-Oszillator können dabei die in den Unteransprüchen definierten Merkmale aufweisen.

Obwohl die Erfindung in Bezug auf ihre bevorzugten Ausfuhrungsformen beschrieben worden ist, ist selbstverstandlich, daß der Schutzumfang durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist.