DE4239654C1 - Laserdiodengepumpter Mikrokristall-Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen laserdiodengepumpten Mikrokristall- Festkörperlaser mit einem Laserkristall gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Solche Laser sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 40 39 455 A1 und EP 0 327 310 A2 bekannt. Aus der US 4 797 893 und der WO 91/03849 A1 ist es bekannt, die Resonatoren solcher Laser mit geeigneten Coatings für die Pump- bzw. Laserwellenlänge vorzusehen.

Neben den bisher weit verbreiteten, lampengepumpten Festkörperlasern ge­ winnen die laserdioden-gepumpten Festkörperlaser in den letzten Jahren einen immer größeren Stellenwert. Die dominierenden Vorteile dieses La­ seranregungsprinzips sind die gute räumliche und spektrale Überdeckung von Pumplicht und Lasermode im Festkörperlaser. Daraus resultieren die inzwischen hinlänglich bekannten Vorzüge des hohen Wirkungsgrades und der relativ geringen thermischen Kristallbelastung für den Festkörper­ laser. Die einfache und geringe Stromversorgung der Laserdioden und de­ ren kleine und kompakte Bauweise trägt ebenso zur immer größer werdenden Bedeutung dieses Laserprinzips bei.

Bei der häufig verwendeten longitudinalen Pumpgeometrie wird, wie in Fig. 2 dargestellt, das Licht der Laserdiode oder Laserdioden 11 entlang der optischen Achse 12 des Festkörperlasers 13 in den Kristall eingekop­ pelt. Im allgemeinen wird dazu eine Kollimier- und Fokusieroptik 14 ver­ wendet. Häufig benutzt wird ein monolithischer Resonatoraufbau, bei dem beide Laserspiegel direkt auf dem Laserkrristall 16 aufgebracht sind. Der Laserkristall 16 weist dazu auf der Einkoppelseite 15 eine für das Pump­ licht der Laserdiode hochtransmittierende und für Licht mit der Wellen­ länge des Festkörperlasers hochreflektierende Beschichtung auf. Die an­ dere Seite des Laserkristalls ist für diese Wellenlänge teilreflektie­ rend beschichtet.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt in dem fast als optimal zu bezeich­ nenden Wirkungsgrad, bedingt durch die große Übereinstimmung von Pump- und Modenvolumen des Festkörperlasers. Außerdem emittiert ein Laser nach diesem Pumpprinzip im allgemeinen in der transversalen Grundmode TEM₀₀.

Allerdings bilden bei dieser Art der Laseranregung die Laserdiode als Pumpquelle und der Festkörperlaser für sich jeweils eigene Resonatoren. Das Pumplicht muß aus der Laserdiode ausgekoppelt und wieder in den Festlaserkörper eingekoppelt werden, um dort bei einem einfachen Durch­ gang durch den Laserkristall die für den Betrieb nötige hohe Inversion der laseraktiven Ionen zu erzeugen. Deswegen müssen bei laserdioden­ gepumpten Festkörperlasern mit longitudinaler Pumpanordnung die Kristall­ dicken des Lasermaterials in der Größenordnung der Absorptionslängen liegen, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.

Die Absorptionskonstante α liegt zum Beispiel bei einer Dotierung von 1,1 Atom-% Nd im weit verbreiteten YAG als Wirtsgitter in der Größen­ ordnung von ca. 0,4 mm^-1. Für einen effektiven Laserbetrieb sind demnach Laserkristalle von etwa 5 mm Länge nötig, um eine Absorption A des eingestrahlten Pumplichts gemäß A = 1-exp(-az) von wenigstens 86% zu erzielen. Laserresonatoren mit aktiven Medien von dieser Größe stehen einer Miniaturisierung diodengepumpter Festkörperlaser sehr im Wege.

Abgesehen von der mechanischen Größe stellt das Modenspektrum ein weiteres Problem eines Festkörperlasers mit einem Resonator von einigen Millimetern Länge dar. Auch bei einer monolithischen Ausführung des Laserkristalls befinden sich im Frequenzbereich der Laserverstärkung Wf wegen des longitudinalen Modenabstands c/2nL (c = Lichtgeschwindigkeit, n = Bre­ chungsindex, L = Laserresonatorlänge) mehr als eine longitudinale Mode. Darum kommt es zur axialen Mehrmodigkeit der Laseremission und zu einem sogenannten "Mode-Competition" im Laserresonator, was sich in mehreren, zeitlich stark fluktuierenden spektralen Emissionsmaxima zeigt.

Erst bei Resonatorlängen von deutlich unter einem Millimeter nimmt der longitudinale Modenabstand einen so großen Wert an, daß der Festkörper­ laser nur auf einer einzigen Frequenz oszilliert. Solche sogenannten "single frequency micro-chips lasers" sind bereits hinreichend bekannt, z. B. durch die Veröffentlichung von Zayhowski und Mooradian (Topical Meeting on Tunable Solid State Lasers, North Falmouth, Cape Cod Massachusetts, May 1-3, 1989), und stellen eine äußerst praktikable Lösung zum Bau von laserdiodengepumpten single-frequency-Lasern dar.

Bedingt durch die geringe Dicke entlang der Strahlachse tritt aber hier in besonderem Maße der Effekt auf, daß nicht genügend Pumplicht im laseraktiven Material absorbiert wird und damit ein großer Teil des Pumplichts durch den Laserkristall hindurchtritt, ohne irgendeinen Nutzen erbracht zu haben. Eine Verspiegelung des Endspiegels am Laser­ kristall für die Pumpwellenlänge kann die für die Absorption des Pumplichts zur Verfügung stehende Wechselwirkungslänge zwar verdoppeln, aber das Problem der geringen Pumplichtabsorption nicht grundsätzlich besei­ tigen. Bezogen auf die absorbierte Pumpleistung ist die differentielle Ausgangsleistung auch bei einem laserdioden-gepumpten Mikrokristall-Laser sehr hoch. Betrachtet man aber das Verhältnis von Ausgangsleistung zur insgesamt zur Verfügung gestellten Pumpleistung, erreichen die laserdiodengepumpten Mikrokristall-Laser nur Wirkungsgrade von etwa 20%.

Ein weiteres Problem bei Festkörperlasern ist die sehr geringe Effizienz bei der optischen Anregung von Drei-Niveau-Lasersystemen oder Quasi- Drei-Niveau-Lasersystemen. Weil bei diesen Laserübergängen das untere Laserniveau und der Grundzustand der laseraktiven Ionen zusammenfallen beziehungsweise energetisch sehr dicht beieinander liegen, ist die auf konventionelle Weise erzielbare Besetzungsinversion nicht sehr hoch. Außerdem kann es leicht zu einer Reabsorption des entstehenden Laser­ lichts kommen, da bei Drei-Niveau-Lasern das untere Laserniveau dem Grundzustand der laseraktiven Ionen entspricht, und sich sehr viele Ionen in diesem Grundzustand befinden. Diese Problematik bei der Anregung von Drei-Niveau-Lasern ist z. B. von Cuthbertson und Dixon in Optics Letters Vol. 16, No. 6, March 15, 1991 beschrieben. Als Ausweg bietet sich an, die Dicke des Laserkristalls sehr kurz zu wählen, weil damit die Anzahl der für die Reabsorption zur Verfügung stehenden laseraktiven Ionen im Grundzustand entsprechend sinkt. Damit treten aber auch hier die zuvor beschriebenen Probleme für die Absorption des Pumplichts in einem kurzen Laserkristall auf.

Darum können manche Laserübergänge auf die dem Stand der Technik ent­ sprechende, zuvor beschriebene Art, auch mit Laserdioden als Anregungs­ quelle, nicht oder nur sehr schlecht betrieben werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen laserdiodengepumpten Festkörperlaser zu schaffen, der neben besonderen Resonatoreigenschaften eine noch effektivere Ausnutzung des Pumplichts aufweist und auch Fest­ körperlaser mit extrem kurzen Kristalldicken von weniger als 100 µm sehr effektiv betrieben werden können, sowie eine extreme Miniaturisierung ermöglicht wird, und gleichzeitig ein stabiler single-frequenchy-Betrieb erreichbar ist. Weiterhin ermöglicht eine solche Resonatoranordnung auch das optische Pumpen von Drei-Niveau- oder Quasi-Drei-Niveau- Laserübergängen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Modifikationen und weitere Ausführungs­ formen angegeben. In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Er­ läuterungen. Es zeigen:

Fig. 1 den Gegenstand der Erfindung, bei der sich das aktive Medium des Festkörperlasers im Resonator der Laserdiode befindet;

Fig. 2 eine konventionelle Pumpanordnung für diodengepumpte Festkörper­ laser nach dem longitudinalen Prinzip, wie sie den gegenwärtigen Stand der Technik darstellt;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der im Gegensatz zu Fig. 1 die dielektrischen Verspiegelungen zum Teil aus einem externen Resonatorspiegel aufgebracht sind;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem zusätzlichen, optisch abbildenden Element im Resonator der Laserdiode.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Intra-Cavity-Pumpkonfiguration, bei der sich die zum Pumpen herangezogene Laserdiode in einem gemeinsamen Resonator mit dem aktiven Material des Festkörperlasers befindet. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird die eine Endfläche 1 der aktiven Zone 2 einer Laserdiode 3 ohne weitere Maßnahmen oder nur mit einer dielektrischen Antireflexionsschicht als Zwischenlage vor einen Laser­ kristall 4 gebracht. Dabei ist der Abstand zwischen Laserdiode und Laser­ kristall entsprechend anzupassen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Laserdiode direkt mit dem Laserkristall zu verbinden. Die zweite Endfläche 5 der Laserdiode ist hochreflektierend für die Wellenlänge der Laserdiode beschichtet. Der Laserkristall 4 hingegen weist auf der der Laserdiode zugewandten Seite 6 eine Beschichtung auf, die hochtransmit­ tierend für die Pumpwellenlänge und hochreflektierend für die Laserwellen­ länge des Festkörperlasers ist. Besondere Bedeutung kommt nun der zweiten Enfläche 7 des Laserkristalls 4 zu: sie ist hochreflektierend für die Pumpwellenlänge und teilweise reflektierend für die Laserwellen­ länge des Festkörperlasers, so daß hier das Licht des Festkörperlasers ausgekoppelt wird.

Auf diese Weise wird durch die Endflächen 5 und 7 der Resonator für die Laserdioden gebildet, durch die Enflächen 6 und 7 der des Festkörper­ lasers. Die beiden Resonatoren von Laserdiode und Festkörperlaser sind also ineinandergeschachtelt, das aktive Medium des Festkörperlasers befindet sich innerhalb des Resonators der Pump-Laserdiode. Eine solche Anordnung kann man daher auch als Intra-Cavity-Pumpkonfiguration be­ zeichnen.

Alternativ dazu kann auch die Endfläche der Laserdiode 1 antireflektierend für die Pumpstrahlung der Laserdiode und gleichzeitig hochreflektierend für die Strahlung des Festkörperlasers beschichtet sein. Dann muß die der Laserdiode zugewandte Seite 6 des Festkörper-Lasermaterials 4 antireflektierend für beide Wellenlängen beschichtet sein. In diesem Fall wird der Resonator für die Laserdiode durch die Endflächen 5 und 7 gebildet, der Resonator für das Festkörper-Lasermaterial durch die Flächen 1 und 7.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß das Fest­ körperlasermaterial durch die hohe Leistungsdichte des Pumplichts im Laserresonator der Laserdiode angeregt wird.

Als alternative Ausführungsform kann, wie in Fig. 3 ersichtlich, die für die Pumpwellenlänge hochreflektierende und die Laserwellenlänge des Festkörpermaterials teilweise reflektierende Beschichtung auf einem externen Spiegel 8 aufgebracht sein. Dann muß die der Laserdiode abge­ wandte Seite des Laserkristalls sowohl für die Pump- als auch die Fest­ körper-Laserwellenlänge entspiegelt sein.

Damit dieser gekoppelte Laserresonator oszillieren kann, muß, wie bei jedem Laser, die Verstärkung in der aktiven Zone 2 der Laserdiode 3 gleich den Verlusten im gesamten Resonator sein. Wie bei jeder Laserdiode treten auch hier die prinzipiell vorhandenen Reflexionsverluste an den Endoberflächen des Fabry-Perot-Resonators auf. Zusätzlich entstehen aber einerseits Verluste, wenn das aus der aktiven Zone der Laserdiode stark divergent austretende Pumplicht an der diodenabgewandten Seite des Laserkristalls reflektiert wird und nicht mehr vollständig in die Laser­ diode zurückgeworfen wird; andererseits treten natürlich Absorptionsverluste durch die laseraktiven Ionen im Laserkristall auf.

Dies muß aber nicht bedeuten, daß es sehr schwer sein wird, eine solche Laserkonfiguration zum Anschwingen zu bringen. Allein aus der Tatsache, daß manche Laserdioden mit Fabry-Perot-Resonatoren ohne dielektrische Spiegelschichten auf den Endflächen arbeiten, kann man ersehen, daß die Verstärkung in der aktiven Zone sehr hoch ist, um derartige Verluste auszugleichen. Mit einer aktiven Zone aus GaAs berechnen sich die Re­ flexionsverluste beider Endflächen ohne dielektrische Spiegelschicht bei einem optischen Brechnungsindex von n = 3,4 zu

Daraus ist ersichtlich, daß man ohne weiteres mit einer solchen Laserdiode eine Intra-Cavity-Pumpkonfiguration realisieren kann, wenn man zum Ausgleich der zusätzlich eingeführten Verluste die Reflektivität der Endflächen des Resonators der Laserdiode durch ein entsprechendes Coating auf einen bei einer dielektrischen Schicht üblichen Wert von <99% bringt. Um die schon erwähnten Einkoppelverluste für das Licht der Laserdiode aus dem Laserkristall 4 in die aktive Zone 2 der Laserdiode 3 möglichst gering zu halten, bietet sich alternativ zur bisher beschriebenen Konfiguration eine weitere in Fig. 4 veranschaulichte Ausführungs­ form an. Um das am Ende der aktiven Zone 2 der Laserdiode 3 aufgrund der Beugung stark divergent austretende Licht zu kollimieren, wird zwischen aktiver Zone und Festkörperlasermaterial 4 ein optisch abbildendes Element 5, im allgemeinen eine Linse, aufgrund der nötigen geringen mechanischen Abmessungen vorzugweise eine Gradienten-Index-Linse, in den Resonator eingebracht. So können die Einkoppelverluste aus dem Festkörper­ lasermaterial in die Laserdiode um ein Vielfaches reduziert werden.

Claims (3)

1. Laserdiodengepumpter Mikrokristall-Festkörperlaser mit einem Laser­ kristall und monolithischem oder halbmonolithischem Resonatoraufbau, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Resonator (5, 7) der zum optischen Pumpen herangezogenen Laserdiode (3) zusätzlich ein mit Ionen der seltenen Erden dotiertes Festkörperlasermaterial (4) befindet, welches als eigener Festkörperlaser auf der der Laserdiode (3) zugewandten Seite (6) mit einer hochreflektierenden, dielektrischen Verspiegelung für die Emissionswellenlänge des Festkörperlasermaterials (4) und antireflektie­ rend für die Pumpwellenlänge der Laserdiode (3) oder aber daß die dem Festkörperlasermaterial (4) zugewandte Seite (1) der Laserdiode antire­ flektierend für die Strahlung der Laserdiode und hochreflektierend für die Wellenlänge des Festkörperlasers beschichtet ist und gleichzeitig die Fläche (6) des Festkörperlasermaterials antireflektierend für beide Wellenlängen beschichtet ist, während bei beiden alternativen Ausfüh­ rungsformen die der Laserdiode (3) abgewandte Seite (7) des Festkörper­ lasermaterials (4) eine für die Emissionswellenlänge des Festkörperlaser­ materials (4) teilweise reflektierende und für die Pumpwellenlänge der Laserdiode (3) hochreflektierende Beschichtung aufweist, so daß das Festkörperlasermaterial (4) im Inneren des Laserdiodenresonators (5, 7) optisch angeregt wird.

2. Laserdiodengepumpter Mikrokristall-Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein externer Spiegel (8) benutzt wird, in dem dieser eine für die Emissionswellenlänge des Festkörperlasermaterials (4) teilweise reflektierende und für die Pumpwellenlänge der Laser­ diode (3) hochreflektierende Beschichtung aufweist, während die der Laserdiode (3) abgewandte Seite (7) des Lasermaterials für Festkörperlaser- und Pumpwellenlänge entspiegelt ist.

3. Laserdiodengepumpter Mikrokristall-Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kollimierung der aus der aktiven Zone der Laserdiode (3) austretenden Pumpstrahlung ein optisch abbildendes Element (5) benutzt wird, um die Einkoppelverluste in die aktive Zone der Laserdiode zu reduzieren.