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WO2007056999A2 - Festkörperlasersystem und verfahren zum betreiben - Google Patents

Festkörperlasersystem und verfahren zum betreiben Download PDF

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WO2007056999A2
WO2007056999A2 PCT/DE2006/002027 DE2006002027W WO2007056999A2 WO 2007056999 A2 WO2007056999 A2 WO 2007056999A2 DE 2006002027 W DE2006002027 W DE 2006002027W WO 2007056999 A2 WO2007056999 A2 WO 2007056999A2
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WO
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laser
solid
laser diode
pulsed excitation
excitation beams
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Stephan Strohmaier
Hans Joachim Eichler
Klaus Petermann
Günter Huber
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Technische Universitaet Berlin
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Technische Universitaet Berlin
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    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • the invention relates to a solid-state laser system and a method for operating the solid state lasersy stems.
  • Solid state laser systems can be divided into systems having a transverse or a longitudinal pumping configuration.
  • energy in the form of light is coupled into the laser-active material. This is usually done by means of continuous discharge lamps and flashlamps or by means of continuous (cw) laser diodes.
  • Commercially available lamp-pumped laser systems deliver average output powers up to the kW range and pulse energies of over 100 mJ with total efficiencies of 2 to 5%.
  • the power or energy of the pump / excitation laser radiation is converted to more than 30% in solid state laser radiation.
  • the achievable pulse energies are usually only in the range of .mu.J to a few mJ, since the pump sources in the range of the life of the upper laser level of the laser-active material can provide little pumping energy.
  • Transversely pumped bar lasers are known. This concept was adopted by older lamp-pumped laser systems. In the transverse construction, the pump energy is coupled from the side into a rod made of the laser-active material. This allows the coupling of high average power, but leads to relatively low efficiencies. The diode pump light is converted to about 20% in laser radiation. The efficiency is even lower in the known bar lasers, if by means of mode apertures a good beam quality is enforced. Compared to the lamp-pumped systems, there is the advantage that the tuning between the wavelength of the pump source and the absorption of the laser-active material can be improved with the laser diode as the pump source. It must therefore be dissipated less heat, whereby thermal problems are reduced. In addition, a significantly better beam quality is achieved.
  • Solid state laser systems are also known in which a longitudinal pump configuration is formed so that the excitation beams are coupled along the optical axis of the laser beams.
  • the pump excitation beam volume can be adapted to the mode volume of the laser beam, whereby, for example, in a Nd: YAG laser system, a high efficiency of up to about 50% with good beam quality can be achieved.
  • a continuous excitation radiation (cw radiation) of the laser diodes is used.
  • a pulse operation is achieved by means of additional Q-switching.
  • the pulse output energies thus achieved are at most about 1 mJ.
  • a pulsed Nd: YAG solid-state laser system can achieve a maximum output energy of approximately 10 mJ and pulse durations of less than 200 ⁇ s.
  • the so-called slab laser is still known.
  • the laser-active material is provided in the form of a slab, for example, having the dimensions 16 mm ⁇ 8 mm ⁇ 3 mm
  • a particular advantage of the slab laser is that good power scalability is maintained at a high level
  • heat can be dissipated well and the adaptability to pump sources is advantageous, for example to a laser diode array
  • a continuously diode-pumped slab laser system with Q-switching a maximum output energy of 1.8 mJ was achieved (cf.
  • KJ Snell et al Highly Efficient, Transversely-Pumped, 25W, TEM00 Nd: YLF Slab Laser, in: Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, Washington, DC, 2000), pp. 200-201).
  • disk lasers are furthermore known.
  • a thin disc for example, having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.1 mm, applied directly to a heat sink.
  • heat can be removed very quickly, and thermal lens effects that cause deterioration of the beam quality of the generated laser radiation can be almost avoided.
  • the pumping light can pass through the crystal several times.
  • a high efficiency is achieved.
  • Disk lasers with a power output of 4 kW in a multimode beam are commercially available. In mode-locked laser systems, an average output power of 80 W was achieved (see Brunner et al., Opt. Lett., 29 (16), 1921 (2004)).
  • Fiber-lasers are furthermore known as diode-pumped solid-state laser systems.
  • Laser glasses can be pulled out to thin glass fibers.
  • the end faces of the glass fiber are mirrored on one side highly reflective for light of the emission wavelength of the laser active material and highly transmissive for light of the wavelength of the excitation beams.
  • On the other side of the glass fiber a multilayer system with the desired degree of decoupling is applied. Due to their large length, for example 10 m, the glass fibers have a large surface area, which allows very good heat dissipation.
  • single-mode fibers diffraction-limited fundamental mode radiation can be achieved. In continuous operation, output powers in the kilowatt range are achieved with high beam quality.
  • the diameter and thus the surface of the fiber core is limited to about 50 microns. Compared to bar fibers, the surface is therefore smaller by two to three orders of magnitude.
  • the energy density is therefore already at an impulse energy of 1 mJ at 80 J / cm 2 , which already reaches the range of the destruction threshold of the active laser material. Even with fiber end caps, only pulse energies of a few mJ can be achieved.
  • the document DE 102 35 713 A1 discloses a device for pump excitation of a laser medium via laser diode stacks.
  • a plurality of laser diode stacks which individually comprise a plurality of laser diode bars, are arranged around the optical axis at a distance from the optical axis of a resonator with the laser medium to be pumped.
  • the pump light emitted by the laser diode stacks is coupled into the laser medium via mirror arrangements at a small angle to the optical axis.
  • Document US 2003/0138005 A1 describes a solid-state laser system which is excited on an ion-longitudinal basis by means of a pulsed laser diode source.
  • a longitudinal pump excitation by means of laser diode arrangements is also known from document US 2004/0052284 A1.
  • the object of the invention is therefore to provide a solid-state laser system and a method for operating the solid-state laser system, with which high pulse energies can be generated and at the same time a high efficiency and good beam quality of the laser radiation generated can be achieved.
  • a solid state laser system having a longitudinal excitation configuration having the following features:
  • a laser medium which is arranged in a laser resonator and formed from a laser-active solid-state material, an excitation source having a laser diode array configured to generate pulsed excitation beams, and
  • a fiber launch means configured to couple the pulsed excitation beams from the excitation source along the optical axis of the laser cavity into the laser medium, the laser diode array being arranged to emit the pulsed excitation beams with a peak pulse power of at least 400W.
  • a method of operating a solid state laser system having a longitudinal excitation configuration comprising a lasing medium disposed in a laser resonator and formed of a solid state laser active material, the method comprising:
  • pulsed excitation beams are generated by an excitation source with a laser diode array, and the pulsed excitation beams from the excitation source are coupled into the laser medium along the optical axis of the laser cavity by means of fiber launching means emitting the pulsed excitation beams from the laser diode array with a peak pulse power of at least 400W become
  • the invention has the particular advantage over the prior art that a solid-state laser system is provided which can be produced by means of conventional, commercially available components. It has surprisingly been found that, in spite of the simple construction, very high pulse energies can be achieved.
  • the laser diode array By using the laser diode array, good match of the wavelength of the excitation beams with the absorption of the laser active material can be achieved.
  • the longitudinal pump configuration ensures good superposition of the excitation beams and the generated laser radiation, resulting in good beam profile and high efficiency. Due to the pulsed excitation, the one or more diodes (s) of the laser diode array can be operated with higher currents and higher output powers since the average thermal stress is greatly reduced.
  • the proposed solid-state laser system similarly high output energies are achieved in this way as with lamp-pumped laser systems, but with a much smaller energy requirement and with less effort for the cooling.
  • the generated laser radiation has a beam quality as can not be achieved with lamp-pumped laser systems of the same output energy.
  • the proposed pulsed longitudinal excitation also allows, especially in a rod-shaped design of the laser medium, that due to a completely coolable outer sheath of the rod-shaped laser medium, a uniform temperature distribution can be generated in the laser medium.
  • a laser rod holder By heating and / or cooling a laser rod holder, the strength of thermal lens effects and depolarization can be varied and adjusted.
  • the cross-sectional area of the laser medium used can be varied in relation to the pumped surface in order to vary and adjust thermal lens effects and depolarization.
  • the fiber coupling device leads to a homogenization of the excitation radiation and to a spatial separation of excitation source and solid-state laser crystal, so that the thermal load is reduced.
  • the solid-state laser is mechanically decoupled from the excitation source and can be easily moved as a compact unit.
  • the laser diode arrangement comprises one or more broad area multimode laser diode chips, which has the advantage of a high emitted power with a relatively low cost and a high lifetime of about 100,000 This results in a solid-state laser system with a relatively low cost and a long service life, which is a great advantage in the area of material processing where the processing systems are often used 24 hours a day known lamp-pumped laser systems must be replaced after a few hundred hours and lead to expensive interruptions in production.
  • the laser diode arrangement comprises a laser diode array with a plurality of wide-band laser diodes, whereby a high power can be achieved, which can be further increased by means of parallel connection of several broad-band emitters.
  • the beam quality is higher than that of the wide-range multimode laser diode chips. As a result, even higher efficiencies can be achieved than with the wide-range multimode laser diode chips.
  • the laser diode array has a laser diode chip stack.
  • a beam shaping device may be provided for shaping a transverse light distribution of the pulsed excitation beams during longitudinal excitation of the laser medium so that the pulsed excitation beams have a power density of at least 50 kW / cm 2 at a far field divergence angle of less than 0.6 rad exhibit.
  • Beamforming is more efficient than fiber coupling. On a coupling fiber can be dispensed with, and there is a cost reduction while avoiding coupling losses in the fiber.
  • an advantageous development of the invention provides that pulsed excitation beams having a pulse peak power of at least 1 kW, preferably of at least 2 kW, can be generated with the laser diode arrangement. This serves to achieve even higher output energies and powers.
  • the laser-active material is a material from the following group: garnets such as Nd: YAG, Nd: GSAG, Nd: YGG, Yb: YAG, Yb: GSAG, Yb: YGG, vanadate and Nd: GdVO 4 , Nd: YVO 4 , Yb: GdVO 4 , Yb: YVO 4 , double tungstate such as Nd: KGd (WO 4 ) 2) Nd: NaGd (WO 4 ) 2, Nd: KLa (WO 4 ) 2 , Yb: KGd (WO 4 ) 2 , Yb: NaGd (WO 4 ) 2) Yb: KLa (WO 4 ) 2 and Nd, Er or Yb doped crystals, glasses or ceramics. It is advantageous in one embodiment of the invention that the laser-active material is injection-seeded Nd: GSAG or injection-treated Nd: YGG.
  • Nd YAG is a standard material for solid state lasers with high efficiency, good heat conduction and high mechanical stability (hardness 8).
  • Nd doped vanadates have very high cross sections and can be even more efficient.
  • Yb doped materials and tungstates have a broadband emission, are thus tunable in their wavelength and are particularly suitable for generating short pulses by mode-locking.
  • the advantage is very long lifetimes (instead of 200 ⁇ s for Nd: YAG) of about 1 ms, which leads to particularly high pulse energies, even in QS mode.
  • the emission of Er is in the eye safe wavelength range. Glasses and ceramics represent flexibility in the shape of the laser medium, lower material costs and wider tunability (glass). Larger laser media can be realized than with crystals.
  • an active or a passive additional Q-switch is provided, so that a Q-switch operation can be performed, whereby a higher peak power, shorter pulses can be achieved.
  • the output power and the efficiency of the solid-state laser system are improved in a development of the invention in that a bilateral excitation configuration for the longitudinal excitation of the laser medium is formed.
  • the laser medium comprises a multi-rod system, whereby an increase in the active crystal length is achieved, resulting in a higher output power and energy. Furthermore, the thermal load similar to the fiber laser can be reduced.
  • a longitudinally pumped MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) system is formed comprising a laser oscillator and one or more laser amplifiers.
  • MOPA Master Oscillator Power Amplifier
  • the advantage of the MOPA system is that Q-switching and frequency stabilization are achieved by means of a seed in a master laser with diffraction-limited beam quality at low pumping and output energies. When the output energy increases, the pulse duration, the frequency stability and the beam quality are maintained by means of a downstream amplifier, to which the main part of the pump / excitation power is omitted.
  • pulsed excitation beams for excitation periods of about 10 microseconds to about 10 ms are generated with the laser diode array.
  • the excitation periods are matched to the lifetime of the active ion.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a solid-state laser system in which a laser medium formed in the form of a rod is excited by means of pulsed excitation beams, which are generated by a laser diode arrangement, wherein no additional Q-switch is provided;
  • Fig. 2 is a schematic representation of a solid-state laser system in which a laser medium formed in the form of a rod is excited by means of pulsed excitation beams which are generated by a laser diode arrangement, an additional Q-switch being provided;
  • Figure 3 is a schematic representation of a solid-state laser MOPA system having a master oscillator of Figures 1 and 2 and one or more post-amplifiers excited longitudinally by means of pulsed excitation beams generated by a laser diode array.
  • Fig. 5 is a plot of pulse energy versus pump energy for a Nd: YAG solid state laser system at a wavelength of 1064 nm;
  • Fig. 6 beam profile and beam quality from a measurement in a longitudinally pulsed excited system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a solid-state laser system in which a laser medium 1 formed in the form of a rod and made of a laser-active material is pulsed
  • Excitation beams are generated, which are generated by means of a pump or excitation source 2, which comprises for generating the pulsed excitation beams, an arrangement with one or more laser diodes which are operated pulsed.
  • the excitation beams generated in the pump source 2 are collimated and focused by means of an optical component arrangement 3 and then pass through a mirror 4 into a laser resonator 5, where they strike the laser medium 1.
  • the mirror 4 is highly reflective for the laser radiation to be generated and transmitiv for the pulsed excitation beams.
  • a Auskoppelspiegel 7 the generated laser radiation is coupled out.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a solid-state laser system in which a laser medium 1 formed in the form of a rod is excited by means of pulsed excitation beams which are generated by means of a pump source 2 designed as a laser diode arrangement.
  • a Q-switch 6 is furthermore arranged, which is an active or a passive Q-switch.
  • pump pulses having a length of 300 ⁇ s and a pulse peak power of 380 W were used with the aid of the pump source. In this way, output energies of 114 mJ were achieved, with the pump source 2 being fiber coupled with a fiber diameter of 600 ⁇ m and NA - 0.22.
  • Nd GSAG for the laser medium 1
  • an efficiency of 30% was achieved at a wavelength of 942 ⁇ m for the longitudinal diode-pumped solid-state laser system (see Fig. 4). Pulse energies of over 30 mJ were measured.
  • the laser active material used has a doping of 0.6%, a diameter of 4 mm and a length of 8 mm.
  • the active laser material used in the laser medium 1 was Nd: YAG. In this case, an efficiency of 57% was achieved, the measured pulse output energy was 65 mJ (see Fig. 5).
  • the laser active material used has a doping of 0.6%, a diameter of 4 mm and a length of 8 mm.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a solid-state laser MOPA system with a master oscillator according to FIGS. 1 and 2 and a post-amplifier 30, which are excited longitudinally by means of pulsed excitation beams which are generated by a laser diode arrangement.
  • the output mirror 7 is followed by an optical isolator 31, which prevents feedback into the laser resonator 5.
  • the post-amplifier 30 is pumped by means of a further pump source 32.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörperlasersystem mit einer longitudinalen Anregungskonfiguration sowie ein Verfahren zum Betreiben, wobei das Festkörperlasersystem die folgenden Merkmale aufweist: ein Lasermedium (1), welches in einem Laserresonator (5) angeordnet und aus einem laseraktiven Festkörpermaterial gebildet ist, eine Anregungsquelle (2) mit einer Laserdiodenanordnung, die konfiguriert ist, gepulste Anregungsstrahlen zu er zeugen, und eine Fasereinkopplungseinrichtung, die konfiguriert ist, die gepulsten Anre gungsstrahlen von der Anregungsquelle (2) entlang der optischen Achse des Laserresonators (5) in das Lasermedium (1) einzukuppeln, wobei die Laserdiodenanordnung ausgelegt ist, die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 400 W abzugeben.

Description

Festkörperlasersystem und Verfahren zum Betreiben
Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörperlasersystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Festkörper lasersy stems.
Hintergrund der Erfindung
Festkörperlasersysteme können in Systeme mit einer transversalen oder einer longitudinalen Pumpkonfiguration unterteilt werden. Um ein laseraktives Material anzuregen, wird Energie in Form von Licht in das laseraktive Material eingekoppelt. Dieses geschieht üblicherweise mit Hilfe von kontinuierlichen Entladungslampen und Blitzlampen oder mit Hilfe von kontinuierlichen (cw) Laserdioden. Kommerziell verfügbare lampengepumpte Lasersysteme liefern mittlere Ausgangsleistungen bis in den kW-Bereich und Impulsenergien von über 100 mJ bei Gesamtwirkungsgraden von 2 bis 5%.
Mit Hilfe der Verwendung von Laserdioden als Pump- bzw. Anregungsquelle kann bei einer guten Abstimmung der Wellenlänge des Pumplichtes auf die Absorption des laseraktiven Ions ein hoher Wirkungsgrad von mehr als 30% erreicht werden, d.h. die Leistung oder Energie der Pump- / Anregungslaserstrahlung wird zu mehr als 30% in Festkörperlaserstrahlung um- gewandelt. Allerdings liegen die hierbei erreichbaren Impulsenergien meist nur im Bereich von μJ bis wenige mJ, da die Pumpquellen im Bereich der Lebensdauer des oberen Laserniveaus des laseraktiven Materials nur wenig Pumpenergie bereitstellen können.
Hohe Impulsenergien lassen sich mittels transversalem Pumpen mit gepulsten Laserdioden erreichen. Allerdings sind hierbei die Wirkungsgrade sehr klein.
Es sind transversal gepumpte Stablaser bekannt. Dieses Konzept wurde von älteren lampengepumpten Lasersystemen übernommen. Bei dem transversalen Aufbau wird die Pumpenergie von der Seite in einen Stab aus dem laseraktiven Material eingekoppelt. Dieses ermöglicht das Einkoppeln von hohen mittleren Leistungen, führt aber zu relativ geringen Effizienzen. Das Diodenpumplicht wird zu etwa 20% in Laserstrahlung umgesetzt. Die Effizienz wird bei den bekannten Stablasern noch geringer, wenn mittels Modenblenden eine gute Strahlqualität erzwungen wird. Im Vergleich zu den lampengepumpten Systemen besteht der Vorteil, daß mit der Laserdiode als Pumpquelle die Abstimmung zwischen Wellenlänge der Pumpquelle und der Absorption des laseraktiven Materials verbessert werden kann. Es muß also weniger Wärme abgeführt werden, wodurch thermische Probleme reduziert sind. Darüber hinaus wird eine deutlich bessere Strahlqualität erreicht. Weiterhin besteht der Vorteil, daß im Vergleich zu lampengepumpten Lasersystemen ein einfacher Aufbau ermöglicht ist. Bei transversal diodengepumpten Lasersystemen mit gepulsten Anregungsstrahlen werden Impulsenergien von über Hundert mJ erreicht. Allerdings geschieht dies mit nur geringer Effizienz. Darüber hinaus ist die Strahlqualität der erzeugten Laserstrahlung schlecht.
Es sind weiterhin Festkörperlasersysteme bekannt, bei denen eine longitudinale Pumpkonfiguration gebildet ist, sodaß die Anregungsstrahlen entlang der optischen Achse der Laserstrahlen eingekoppelt werden. Hierbei kann das Pumpanregungsstrahlvolumen an das Modenvolumen des Laserstrahls angepaßt werden, wodurch beispielsweise bei einem Nd: YAG- Lasersystem eine hohe Effizienz von bis zu etwa 50% bei guter Strahlqualität erreichbar ist. Bei den bekannten Festkörperlasersystemen wird eine kontinuierliche Anregungsstrahlung (cw-Strahlung) der Laserdioden verwendet. Ein Impulsbetrieb wird mittels zusätzlicher Güteschaltung erreicht. Die so erzielten Impulsausgangsenergien liegen bei maximal etwa 1 mJ.
Darüber hinaus ist es bekannt, Laserdioden geringer Leistung mit bis zu etwa 50 W mittlerer Leistung gepulst zu betreiben, sodaß Impulsspitzenleistungen von etwa 100 W erreicht werden. Hiermit können bei einem gepulsten Nd:YAG-Festkörperlasersystem eine maximale Ausgangsenergie von etwa 10 mJ und Impulsdauern von weniger als 200 μs erreicht werden.
Als diodengepumptes Lasersystem ist weiterhin der sogenannte Slablaser bekannt. Bei diesem Konzept ist das laseraktive Material in Form einer Platte („slab") zur Verfügung gestellt. Die Platte hat beispielsweise die Abmessungen 16 mm x 8 mm x 3 mm. Ein besonderer Vorteil des Slablasers besteht darin, daß eine gute Leistungsskalierbarkeit bei unverändert hoher Strahlqualität ermöglicht ist. Darüber hinaus kann Wärme gut abgeführt werden und ist die Anpaßbarkeit an Pumpquellen vorteilhaft, beispielsweise an ein Laserdioden-Array. Bei- spielsweise wurde mit einem kontinuierlich diodengepumpten Slablaser-System mit Güteschaltung eine maximale Ausgangsenergie von 1,8 mJ erreicht (vgl. K. J. Snell et al: Highly- Efficient, Transversely-Pumped, 25W, TEM00 Nd: YLF Slab Laser, in: Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, Washington, DC, 2000), S. 200-201).
Als diodengepumpte Festkörperlaser sind weiterhin Scheibenlaser bekannt. Bei diesen Laser- Systemen wird eine dünne Scheibe, die beispielsweise einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 0,1 mm aufweist, direkt auf eine Wärmesenke aufgebracht. Hierdurch kann Wärme sehr schnell abgeführt werden, und thermische Linseneffekte, die eine Verschlechterung der Strahlqualität der erzeugten Laserstrahlung verursachen, können nahezu vermieden werden. Mittels Verspiegelung des Kristalls aus dem laseraktiven Material kann das Pump- licht mehrfach den Kristall passieren. Trotz der geringen Dicke der Scheibe wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Scheibenlaser mit einer Ausgangsenergie von 4 kW in einem Mehrmodenstrahl sind kommerziell verfügbar. Bei mode-locked Lasersystemen wurde eine mittlere Ausgangsleistung von 80 W erreicht (vgl. Brunner et al., Opt. Lett. 29 (16), 1921 (2004)).
Als diodengepumpte Festkörperlasersysteme sind weiterhin Faserlaser bekannt. Lasergläser können zu dünnen Glasfasern ausgezogen werden. Die Endflächen der Glasfaser werden auf der einen Seite hoch reflektierend für Licht der Emissionswellenlänge des laseraktiven Materials und hoch durchlässig für Licht der Wellenlänge der Anregungsstrahlen verspiegelt. Auf der anderen Seite der Glasfaser wird ein Vielschichtsystem mit dem gewünschten Auskopp- lungsgrad aufgebracht. Die Glasfasern haben aufgrund ihrer großen Länge, beispielsweise 10 m, eine große Oberfläche, wodurch eine sehr gute Wärmeableitung ermöglicht ist. Bei Verwendung von Einzelmoden-Fasern kann eine beugungsbegrenzte Grundmodenstrahlung erreicht werden. Im kontinuierlichen Betrieb werden Ausgangsleistungen im Kilowatt-Bereich bei hoher Strahlqualität erreicht. Der Durchmesser und somit die Oberfläche des Faserkerns ist auf etwa 50 μm beschränkt. Im Vergleich zu Stablasern ist die Oberfläche also um zwei bis drei Größenordnungen kleiner. Die Energiedichte liegt deshalb bereits bei einer Impulsenergie von 1 mJ bei 80 J/cm2, wodurch bereits der Bereich der Zerstörungsschwelle des aktiven Lasermaterials erreicht ist. Selbst mit Faserendkappen können nur Pulsenergien von wenigen mJ erreicht werden.
Zusammenfassend werden bei longitudinal gepumpten Festkörperlasersystemen in Form eines Stablasers, eines Slablasers, eines Scheibenlasers oder eines Faserlasers Impulsenergien von weniger als 20 mJ erreicht. Transversal gepumpte Stablaser erreichen demgegenüber Impuls- energien von etwa 100 mJ, weisen allerdings einen schlechten Wirkungsgrad auf. Darüber hinaus ist bei den bekannten Lasern das Erreichen einer guten Strahlqualität schwierig. Maßnahmen zur Verbesserung der Strahlqualität reduzieren darüber hinaus den Wirkungsgrad weiter.
Aus dem Dokument DE 102 35 713 Al ist eine Vorrichtung zur Pumpanregung eines Lasermediums über Laserdioden-Stapel bekannt. Mehrere Laserdioden-Stapel, die individuell mehrere Laserdioden-Barren autweisen, werden beabstandet von der optischen Achse eines Resonators mit dem zu pumpenden Lasermedium um die optische Achse herum angeordnet. Das von den Laserdioden- Stapeln abgegebene Pumplicht wird über Spiegelanordnungen in kleinem Winkel zur optischen Achse in das Lasermedium eingekoppelt.
Im Dokument US 2003/0138005 Al ist ein Festkörperlasersystem beschrieben, welches lon- gitudinal mit Hilfe einer gepulsten Laserdiodenquelle angeregt wird. Eine longitudinale Pumpanregung mit Hilfe von Laserdiodenanordnungen ist auch aus dem Dokument US 2004/0052284 Al bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Festkörperlasersystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Festkörperlasersystems anzugeben, mit denen hohe Impulsenergien erzeugt werden können und bei denen gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad sowie eine gute Strahlqualität der erzeugten Laserstrahlung erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Festkörperlasersystem nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Festkörperlaser Systems nach dem unabhängigen Anspruch 16 gelöst.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Festkörperlasersystem mit einer longitudinalen An- regungskonfiguratioii geschaffen, die folgenden Merkmale aufweisend:
- ein Lasermedium, welches in einem Laserresonator angeordnet und aus einem laseraktiven Festkörpermaterial gebildet ist, - eine Anregungsquelle mit einer Laserdiodenanordnung, die konfiguriert ist, gepulste Anregungsstrahlen zu erzeugen, und
- eine Fasereinkopplungseinrichtung, die konfiguriert ist, die gepulsten Anregungsstrahlen von der Anregungsquelle entlang der optischen Achse des Laserresonators in das Laser- medium einzukoppeln, wobei die Laserdiodenanordnung ausgelegt ist, die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 400 W abzugeben, geschaffen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Festkörper- lasersystem mit einer longitudinalen Anregungskonfiguration geschaffen, welches ein in einem Laserresonator angeordnetes und aus einem laseraktiven Festkörpermaterial gebildetes Lasermedium aufweist, wobei bei dem Verfahren:
- von einer Anregungsquelle mit einer Laserdiodenanordnung gepulste Anregungsstrahlen erzeugt werden, und - die gepulsten Anregungsstrahlen von der Anregungsquelle mittels einer Fasereinkopplungseinrichtung entlang der optischen Achse des Laserresonators in das Lasermedium eingekoppelt werden, wobei die gepulsten Anregungsstrahlen von der Laserdiodenanordnung mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 400 W abgegeben werden
Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik insbesondere den Vorteil, daß ein Festkörperlasersystem geschaffen ist, welches mit Hilfe üblicher, kommerziell verfügbarer Bauteile herstellbar ist. Es wurde überraschend festgestellt, daß trotz des einfachen Aufbaus sehr hohe Impulsenergien erreichbar sind. Mit Hilfe der Verwendung der Laserdiodenanordnung kann eine gute Übereinstimmung der Wellenlänge der Anregungsstrahlen mit der Absorption des laseraktiven Material erreicht werden. Die longitudinale Pumpkonfiguration gewährleistet eine gute Überlagerung der Anregungsstrahlen und der erzeugten Laserstrahlung, was zu einem guten Strahlprofil sowie zu hoher Effizienz fuhrt. Aufgrund der gepulsten Anregung können die eine oder die mehreren Diode(n) der Laserdiodenanordnung mit höheren Strömen sowie höheren Ausgangsleistungen betrieben werden, da die mittlere thermische Belastung stark reduziert ist. Mit dem vorgeschlagenen Festkörperlasersystem werden auf diese Weise ähnlich hohe Ausgangsenergien wie bei lampengepumpten Lasersystemen erreicht, allerdings bei einem viel kleineren Energiebedarf und mit weniger Aufwand für die Kühlung. Darüber hinaus verfugt die erzeugte Laserstrahlung über eine Strahlqualität wie sie bei lampengepumpten Lasersystemen gleicher Ausgangsenergie nicht erreichbar ist.
Mittels der gewählten Pumpanordnung wird eine gute Anpassung des gepumpten Volumens an das Modenvolumen der erzeugten Laserstrahlung erreicht. Es kann sehr hoch über der Laserschwelle gepumpt werden, so daß Verluste im Resonator minimiert und fast die theoretisch durch die Quantenefrϊzienz gegebene Grenze für den Wirkungsgrad erreicht wird. Das geringe Verhältnis der Impulsbreite zum Impulsabstand („ duty cycle ") ergibt trotz hoher Pumpimpulsenergien eine moderate mittlere Leistung und eine entsprechend geringe Temperaturerhö- hung und Phasenstörung im Lasermaterial.
Die vorgeschlagene gepulste longitudinale Anregung ermöglicht außerdem, insbesondere bei einer stabförmigen Ausführung des Lasermediums, daß aufgrund eines komplett kühlbaren Außenmantels des stabförmigen Lasermediums eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Lasermedium erzeugt werden kann. Mittels Heizen und / oder Kühlen eines Laserstabhalters kann die Stärke von thermischen Linseneffekten und Depolarisation variiert und eingestellt werden. Weiterhin kann die Querschnittsfläche des verwendeten Lasermediums im Verhältnis zur gepumpten Fläche variiert werden, um thermische Linseneffekte und Depolarisation variieren und einstellen zu können.
Die Faserkopplungseinrichtung führt zu einer Homogenisierung der Anregungsstrahlung und zu einer räumlichen Trennung von Anregungsquelle und Festkörperlaserkristall, so daß die thermische Belastung herabgesetzt wird. Außerdem wird der Festkörperlaser von der Anregungsquelle mechanisch entkoppelt und als kompakte Einheit gut bewegbar.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Laserdiodenanordnung einen oder mehrere Breitbereich-Multimoden-Laserdiodenchips („ broad area multimode dio- des ") umfaßt. Hierdurch besteht der Vorteil einer hohen emittierten Leistung bei relativ geringen Kosten und hoher Lebensdauer von etwa 100 000 h der Anregungs- / Pumpquelle. Dies ergibt dann ein Festkörperlasersystem mit ebenfalls relativ geringen Kosten und hoher Lebensdauer. Gerade auf dem Anwendungsgebiet der Materialbearbeitung, bei der die Bearbeitungssysteme oft 24 Stunde pro Tag im Einsatz sind, ist dies ein großer Vorteil. Lampen in bekannten lampengepumpten Lasersystemen müssen nach wenigen hundert Stunden gewechselt werden und führen zu teuren Unterbrechungen in der Produktion.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Laserdiodenanord- nung ein Laserdioden-Array mit mehreren Breitstreifen-Laserdioden umfaßt, wodurch eine hohe Leistung erreichbar ist, die mittels Parallelschaltung von mehreren Breitstreifenemittern noch erhöht werden kann. Die Strahlqualität ist höher als bei den Breitbereich-Multimoden- Laserdiodenchips. Hierdurch lassen sich noch höhere Effizienzen als bei den Breitbereich- Multimoden-Laserdiodenchips erreichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Laserdiodenanordnung einen Laserdiodenchip-Stapel aufweist. Hierdurch können die Anregungsleistungen, die mit den Breitbereich-Multimoden-Laserdiodenchips und den Laserdiodenarrays erreicht werden, noch weiter gesteigert werden, indem gestapelte Anordnungen verwendet wer- den.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann eine Strahlformungseinrichtung zum Formen einer transversalen Lichtverteilung der gepulsten Anregungsstrahlen beim longitudinalen Anregen des Lasermediums vorgesehen sein, so daß die gepulsten Anregungsstrahlen eine Leis- tungsdichte von mindestens 50 kW/cm2 bei einem Fernfelddivergenzwinkel von kleiner als 0,6 rad aufweisen. Hierdurch wird eine Homogenisierung der gepulsten Anregungsstrahlen erreicht. Die Strahlformung ist effizienter als eine Faserkopplung. Auf eine Kopplungsfaser kann verzichtet werden, und es entsteht eine Kostenreduktion bei Vermeidung von Kopplungsverlusten in die Faser.
Zur Erhöhung der Ausgangsenergie sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß mit der Laserdiodenanordnung gepulste Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 1 kW, bevorzugt von wenigstens 2 kW erzeugbar sind. Dies dient zum Erreichen von noch höheren Ausgangsenergien und Leistungen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das laseraktive Material ein Material aus der folgende Gruppe ist: Granat wie Nd: YAG, Nd:GSAG, Nd:YGG, Yb:YAG, Yb:GSAG, Yb:YGG, Vanadat wie Nd:GdVO4, Nd:YVO4, Yb:GdVO4, Yb:YVO4, Doppel- wolframat wie Nd:KGd(WO4)2) Nd:NaGd(WO4)2, Nd:KLa(WO4)2, Yb:KGd(WO4)2, Yb:NaGd(WO4)2) Yb:KLa(WO4)2 und Nd, Er oder Yb dotierte Kristalle, Gläser oder Keramiken. Vorteilhaft ist es bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung, daß das laseraktive Material injektion-geseedetes Nd:GSAG oder injektion-geseedetes Nd:YGG ist.
Die verschiedenen Materialien für das Lasermedium weisen jeweils individuelle Eigenschaften auf, von denen im folgenden einige beispielhaft näher erläutert werden. Nd: YAG ist ein Standardmaterial für Festkörperlaser mit einem hohen Wirkungsgrad, guter Wärmeleitung und hoher mechanischer Stabiltät (Härte 8). Nd dotierte Vanadate besitzen sehr hohe Wir- kungsquerschnitte und können noch effizienter sein. Yb dotierte Materialien und Wolframate weisen eine breitbandige Emission auf, sind hierdurch abstimmbar in ihrer Wellenlänge und eignen sich durch Modenkopplung insbesondere zur Erzeugung kurzer Impulse. In Verbindung mit Yb dotierten Granaten besteht der Vorteil sehr lange Lebensdauern (statt 200 μs bei Nd:YAG) von etwa 1 ms, was zu besonders hohen Impulsenergien führt, auch im QS-Betrieb. Die Emission von Er ist im augensicheren Wellenlängenbereich. Gläser und Keramiken stehen für Flexibilität bei der Form des Lasermediums, niedrigere Materialkosten und breitere Abstimmbarkeit (Glas). Es sind größere Lasermedien realisierbar als bei Kristallen.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist ein aktiver oder ein passiver zusätz- licher Güteschalter vorgesehen, sodaß ein Q-switch-Betrieb ausführbar ist, wodurch eine höhere Spitzenleistung, kürzere Impulse erreichbar sind. Beispielsweise beträgt die Energie von 50 Einzelspikes (Impulsen) mit jeweils etwa 1 μs Impulsbreite in einem einzigen Riesenimpuls mit nur 20 ns Impulsbreite.
Die Ausgangsleistung sowie die Effizienz des Festkörperlasersystems werden bei einer Fortbildung der Erfindung dadurch verbessert, daß eine beidseitige Anregungskonfiguration für das longitudinale Anregen des Lasermediums gebildet ist.
Zweckmäßig ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Lasermedium ein Mehr Stabsystem umfaßt, wodurch eine Vergrößerung der aktiven Kristallänge erreicht wird, was zu einer höheren Ausgangsleistung und Energie führt. Weiterhin kann die thermischen Belastung ähnlich wie beim Faserlaser herabgesetzt werden. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein longitudinal gepumptes MOPA- System (MOPA - Master Oszillator Power Amplifier) gebildet, welches einen Laseroszillator und einen oder mehrere Laserverstärker umfaßt. Vorteil des MOPA-Systems ist, daß Güteschaltung und Frequenzstabilisierung mittels eines Seeders in einem Master-Laser mit beu- gungsbegrenzter Strahlqualität bei kleinen Pump- und Ausgangsenergien erreicht werden. Bei Steigerung der Ausgangsenergie bleiben die Impulsdauer, die Frequenzstabilität und die Strahlqualität mittels nachgeschaltetem Verstärker erhalten, auf den der Hauptteil der Pump- / Anregungsleistung entfallt.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß für die gepulsten Anregungsstrahlen die Beugungsmaßzahl M2 > 10 und die Strahlqualität K = l/M2 < 0,1 sind, und daß für einen Ausgangsstrahl die Beugungsmaßzahl M2 < 3 und die Strahlqualität K = l/M > 0,3 sind. Eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung kann vorsehen, daß für die gepulsten Anregungsstrahlen die Beugungsmaßzahl M2 > 50 und / oder die Strahlqualität K = l/M2 < 0,02 sind, und daß für einen Ausgangsstrahl die Beugungsmaßzahl M2 < 2 und die Strahlqualität K = l/M2 > 0,5 sind. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Strahlqualität des Ausgangsstrahls gegenüber der Strahlqualität der Anregungsstrahlen wesentlich verbessert ist.
Bei dem Verfahren zum Betreiben des Festkörperlasersystems ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß mit der Laserdiodenanordnung gepulste Anregungsstrahlen für Anregungsdauern von etwa 10 μs bis etwa 10 ms erzeugt werden. Auf diese Weise ist eine Anpassung an verschiedene Anwendungen für das Festkörperlasersystem ermöglicht. Es kann vorgesehen sein, die Anregungsdauern auf die Lebensdauer des aktiven Ions abgestimmt werden.
In Verbindung mit den weiteren abhängigen Ansprüchen zum Verfahren zum Betreiben des Festkörperlasersystems ergeben sich die im Zusammenhang mit den zugehörigen Merkmalen in den abhängigen Ansprüchen des Festkörperlasersystems genannten Vorteile entsprechend. Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Festkörperlasersystems, bei dem ein stabförmig gebildetes Lasermedium mittels gepulster Anregungsstrahlen, die mit einer Laserdiodenanordnung erzeugt werden, angeregt wird, wobei kein zusätzlicher Güteschalter vorgesehen ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Festkörperlasersystems, bei dem ein stabförmig gebildetes Lasermedium mittels gepulster Anregungsstrahlen, die mit einer Laserdiodenanordnung erzeugt werden, angeregt wird, wobei ein zusätzlicher Güteschalter vorgesehen ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Festkörperlaser MOPA-Systems mit einem Master Oszillator nach Fig. 1 und 2 und einem oder mehreren Nachverstärkern, die longitudinal mittels gepulster Anregungsstrahlen, die mit einer Laserdiodenanordnung erzeugt werden, angeregt werden;
Fig. 4 eine grafische Darstellung für die Laserenergie in Abhängigkeit von der Pumpenergie für ein Nd: GS AG-Festkörperlasersystem bei einer Wellenlänge von 942 nm;
Fig. 5 eine grafische Darstellung der Impulsenergie in Abhängigkeit von der Pumpenergie für ein Nd: YAG-Festkörperlasersystem bei einer Wellenlänge von 1.064 nm; und
Fig. 6 Strahlprofil und Strahlqualität aus einer Messung bei einem longitudinal gepulst angeregtem System.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Festkörperlasersystems, bei dem ein stab- förmig gebildetes Lasermedium 1 aus einem laseraktiven Material mit Hilfe von gepulsten
Anregungsstrahlen gepumpt wird, die mit Hilfe einer Pump- oder Anregungsquelle 2 erzeugt werden, welche zum Erzeugen der gepulsten Anregungsstrahlen eine Anordnung mit einer oder mehreren Laserdioden umfaßt, die gepulst betrieben werden. Die in der Pumpquelle 2 erzeugten Anregungsstrahlen werden mit Hilfe einer optischen Bauteilanordnung 3 kolimiert und fokussiert und gelangen anschließend durch einen Spiegel 4 in einen Laserresonator 5, wo sie auf das Lasermedium 1 treffen. Der Spiegel 4 ist für die zu erzeugende Laserstrahlung hoch reflektierend und für die gepulsten Anregungsstrahlen transmitiv. Über einen Auskoppelspiegel 7 wird die erzeugte Laserstrahlung ausgekoppelt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Festkörperlasersystems, bei dem ein stab- förmig gebildetes Lasermedium 1 mittels gepulster Anregungsstrahlen, die mit einer als La- serdiodenanordnung ausgeführten Pumpquelle 2 erzeugt werden, angeregt wird. In Fig. 2 werden für gleiche Merkmale die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. In dem Laserresonator 5 ist weiterhin ein Güteschalter 6 angeordnet, bei dem es sich um einen aktiven oder einen passiven Güteschalter handelt.
In einem Ausfuhrungsbeispiel wurden mit Hilfe der Pumpquelle 2 Pumpimpulse mit einer Länge von 300 μs und einer Impulsspitzenleistung von 380 W verwendet. Auf diese Weise wurden Ausgangsenergien von 114 mJ erreicht, wobei die Pumpquelle 2 fasergekoppelt mit einem Faserdurchmesser von 600 μm und NA - 0,22 ist.
Bei Verwendung von Nd: GSAG für das Lasermedium 1 wurde bei einer Wellenlänge von 942 um für das longitudinal diodengepumpte Festkörperlasersystem eine Effizienz von 30 % erreicht (vgl. Fig. 4). Es wurden Impulsenergien von über 30 mJ gemessen. Das verwendete laseraktive Material weist eine Dotierung von 0,6 %, einen Durchmesser von 4 mm und eine Länge von 8 mm auf.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wurde als aktives Lasermaterial in dem Lasermedium 1 Nd:YAG verwendet. Hierbei wurde ein Wirkungsgrad von 57 % erreicht, wobei die gemessene Impulsausgangsenergie 65 mJ betrug (vgl. Fig. 5). Das verwendete laseraktive Material weist eine Dotierung von 0,6 %, einen Durchmesser von 4 mm und eine Länge von 8 mm auf.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Festkörperlaser MOPA-Systems mit einem Master Oszillator nach Fig. 1 und 2 und einem Nachverstärker 30, die longitudinal mittels gepulster Anregungsstrahlen, die mit einer Laserdiodenanordnung erzeugt werden, angeregt werden. In Fig. 3 werden für gleiche Merkmale die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Auf den Auskoppelspiegel 7 folgt ein optischer Isolator 31, welcher Rückkopplungen in den Laserresonator 5 verhindert. Der Nachverstärker 30 wird mittels einer weiteren Pumpquelle 32 gepumpt. Fig. 6 zeigt ein gemessenes Strahlprofü für Strahlen, die mittels eines longitudinal gepulst diodengepumpten Nd:Y AG-Lasers erzeugt wurden, wobei M2 = 1.4 ist. Wie sich aus Fig. 6 ergibt, liegt ein gaußförmiges Strahlprofil vor.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
1. Festkörperlasersystem mit einer longitudinalen Anregungskonfiguration, die folgenden
Merkmale aufweisend: - ein Lasermedium (1), welches in einem Laserresonator (5) angeordnet und aus einem laseraktiven Festkörpermaterial gebildet ist,
- eine Anregungsquelle (2) mit einer Laserdiodenanordnung, die konfiguriert ist, gepulste Anregungsstrahlen zu erzeugen, und
- eine Fasereinkopplungseinrichtung, die konfiguriert ist, die gepulsten Anregungsstrah- len von der Anregungsquelle (2) entlang der optischen Achse des Laserresonators (5) in das Lasermedium (1) einzukoppeln, wobei die Laserdiodenanordnung ausgelegt ist, die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 400 W abzugeben.
2. Festkörperlasersystem nach Anspruch 1 , dadurch g ek enn z ei ch n et, daß die Laserdiodenanordnung eine oder mehrere Breitbereich-Multimoden-Laserdiodenchips („ broad area multimode diodes ") umfaßt.
3. Festkörperlasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k enn z ei chn et, daß die Laserdiodenanordnung ein Laserdioden-Array mit mehreren Breitstreifen-Laserdioden umfaßt.
4. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ek enn z ei chn e t, daß die Laserdiodenanordnung einen Laserdioden-Stapel aufweist.
5. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, g ek ennz e i chn et durch eine Strahlformungseinrichtung, die konfiguriert ist, beim longitudinalen Anregen des Lasermediums eine transversale Lichtverteilung mit gepulsten Anregungsstrahlen einer Leistungsdichte von mindestens 50 kW/cm2 bei einem Fernfelddivergenzwinkel von kleiner als 0,6 rad zu formen.
6. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiodenanordnung ausgelegt ist, die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 1 kW abzugeben.
7. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiodenanordnung ausgelegt ist, die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 2 kW abzugeben.
8. Festkörper lasersy stem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß das laseraktive Material ein Material aus der folgende Gruppe ist: Granat wie Nd:YAG, Nd:GSAG, Nd:YGG, Yb:YAG, Yb:GSAG, Yb:YGG, Vanadat wie Nd:GdVO4, Nd:YVO4, Yb:GdVO4, Yb:YVO4, Doppelwolframat wie Nd:KGd(WO4)2, Nd:NaGd(WO4)2) Nd:KLa(WO4)2, Yb:KGd(WO4)2, Yb:NaGd(WO4)2, Yb:KLa(WO4)2 und Nd, Er oder Yb dotierte Kristalle, Gläser oder Keramiken.
9. Festkörperlasersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Material injektion-geseedetes Nd:GSAG oder injektion-geseedetes Nd:YGG ist.
10. Festkörper lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen aktiven oder einen passiven zusätzlichen Güteschalter (6), so daß ein Q- switch-Betrieb ausführbar ist.
11. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine beidseitige Anregungskonfiguration für das longitudinale Anregen des Lasermediums (1) gebildet ist.
12. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (1) ein Mehrstabsystem umfaßt.
13. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein longitudinal gepumptes MOPA-System (MOPA - „ Master Oszillator Power Amplifier ") gebildet ist, welches einen Laseroszillator und einen oder mehrere Laserverstärker umfaßt.
14. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ek ennz e i chn et, daß für die gepulsten Anregungsstrahlen die Beugungsmaßzahl M2 > 10 und für einen Ausgangsstrahl die Beugungsmaßzahl M2 < 3 betragen.
15. Festkörperlasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ek e nn z e i chn e t, daß für die gepulsten Anregungsstrahlen die Beugungsmaßzahl M2 > 50 und für einen Ausgangsstrahl die Beugungsmaßzahl M2 < 2 betragen.
16. Verfahren zum Betreiben eines Festkörperlasersystem mit einer longitudinalen Anregungskonfiguration, welches ein in einem Laserresonator (5) angeordnetes und aus einem laseraktiven Festkörpermaterial gebildetes Lasermedium (1) aufweist, wobei bei dem Verfahren:
- von einer Anregungsquelle (2) mit einer Laserdiodenanordnung gepulste Anregungs- strahlen erzeugt werden, und
- die gepulsten Anregungsstrahlen von der Anregungsquelle (2) mittels einer Faserein- kopplungseinrichtung entlang der optischen Achse des Laserresonators (5) in das Lasermedium (1) eingekoppelt werden, wobei die gepulsten Anregungsstrahlen von der Laserdiodenanordnung mit einer Impuls- Spitzenleistung von wenigstens 400 W abgegeben werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch g eke nnz e i chn et, daß die gepulsten Anregungsstrahlen unter Verwendung eines oder mehrerer Breitbereich-Multimoden-Laser- diodenchips in der Laserdiodenanordnung erzeugt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch g ek enn z e i chn et, daß die gepulsten Anregungsstrahlen unter Verwendung eines Laserdioden- Arrays mit mehreren Breitstreifen-Laserdioden in der Laserdiodenanordnung erzeugt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch g ek enn z e i chn et, daß die gepulsten Anregungsstrahlen unter Verwendung eines Laserdiodenchip-Stapels in der Laserdiodenanordnung erzeugt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Strahlformungseinrichtung beim longirudinalen Anregen des Lasermediums (1) eine transversale Lichtverteilung mit gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Leistungsdichte von mindestens 50 kW/cm2 bei einem Fernfelddivergenzwinkel von kleiner als 0,6 rad gebildet werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 1 kW mit der Laserdiodenanordnung erzeugt und anschließend auf das Lasermedium (1) einge- strahlt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Impulsspitzenleistung von wenigstens 2 kW mit der Laserdiodenanordnung erzeugt und anschließend auf das Lasermedium (1) einge- strahlt werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als laseraktives Material ein Material aus der folgende Gruppe verwendet wird: Granat wie Nd:YAG, NdrGSAG, Nd:YGG, Yb:YAG, Yb:GSAG, Yb:YGG, Vanadat wie Nd:GdVO4, Nd: YVO4, Yb:GdVO4, Yb:YVO4, Doppelwolframat wie Nd:KGd(WO4)2,
Nd:NaGd(WO4)2, Nd:KLa(WO4)2j Yb:KGd(WO4)2, Yb:NaGd(WO4)2, Yb:KLa(WO4)2 und Nd, Er oder Yb dotierte Kristalle, Gläser oder Keramiken.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Laserdiodenanordnung gepulste Anregungsstrahlen für Anregvmgsdauern von etwa
20 μs bis etwa 10 ms erzeugt werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines aktiven oder eines passiven zusätzlichen Güteschalters (6) ein Q- switch-Betrieb ausgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (1) beidseitig longitudinal angeregt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasermedium (1) ein Mehrstabsystem longitudinal angeregt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Beugungsmaßzahl M2 > 10 und Ausgangsstrahlen mit einer Beugungsmaßzahl M2 < 3 erzeugt werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulsten Anregungsstrahlen mit einer Beugungsmaßzahl M2 > 50 und Ausgangsstralilen mit einer Beugungsmaßzahl M2 < 2 erzeugt werden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß als laseraktives Material injektion-geseedetes Nd:GSAG oder injektion-geseedetes NdrYGG verwendet wird
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