DE10393190T5

DE10393190T5 - Dünner Scheibenlaser mit einer Pumpquelle mit großer numerischer Apertur

Info

Publication number: DE10393190T5
Application number: DE10393190T
Authority: DE
Inventors: James D. Palo Alto Kafka; Dirk Sutter; Paul Menlo Park Davis
Original assignee: Spectra Physics Inc
Current assignee: Newport Corp USA
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-09-15
Also published as: WO2004021334A2; AU2003278707A8; CN1685577A; WO2004021334A3; AU2003259753A1; AU2003278707A1; DE10393167T5; WO2004021526A3; AU2003259753A8; WO2004021526A2; CN1685576A

Abstract

Optisches System mit:
einer Hochleistungs-Diodenpumpquelle;
einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium; und
einem zwischen der Diodenpumpquelle und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordneten optischen Koppler, wobei der optische Koppler einen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Lichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur erzeugt.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dünnes scheibenförmiges Verstärkungsmedium für Laser und Verstärker und insbesondere ein optisches System zum Pumpen des Verstärkungsmediums mit einem Lichtstrahl mit großer numerischer Apertur.

Beschreibung der verwandten Technik

Weil Diodenlaser und Diodenlaser-Arrays immer leistungsstärker geworden sind, wurden auch leistungsstärkere diodengepumpte Halbleiterlaser möglich. Es sind viele Techniken vorgeschlagen worden, um das Pumplicht von mehreren Hochleistungsdiodenbarren oder Diodenbarren-Arrays effizient in das Festkörper- oder Halbleiter-Verstärkungsmedium zu koppeln. Es ist wünschenswert, einen Hochleistungslaser zu konstruieren, der außerdem eine gute Modusqualität besitzt, wobei dies bei zunehmenden Laserleistungen ein Problem darstellt. Eine Technik, durch die sowohl eine hohe Leistung als auch eine gute Modusqualität erhalten wird, ist die im Patent Nr. 5553088 von Brauch, Giesen, Voss und Wittig und in Optics Leiters, Bd. 20, Seite 713 (1995) beschriebene dünne Scheibenlaserkonfiguration.

In der dünnen Scheibenkonfiguration ist das Verstärkungsmedium typischerweise eine Scheibe mit einem Durchmesser von einigen Millimetern und mit einer Dicke von nur wenigen hundert Mikrometern. Sie ist an einem Kühlkörper auf einer Kühlfläche befestigt. Diese Kühlfläche ist beschichtet, um sowohl das Pumplicht als auch das Laserlicht zu reflektie ren. Daher hat der dünne Scheibenlaser eine endgepumpte Konfiguration, bei der das Pumplicht und das Laserlicht kollinear ausgerichtet sind. Wenn der Pumpmodus und der Lasermodus bezüglich der Größe angepaßt sind, kann ohne Wirkungsgradverlust eine ziemlich gute Modusqualität erhalten werden. Dies ist bei endgepumpten Konfigurationen typisch und steht im Gegensatz zu seitlich gepumpten Konfigurationen. Wenn die Scheibe dünn genug ist, wird die Kühlung eindimensional sein, und der Wärmegradient wird ebenfalls kollinear mit dem Laserstrahl ausgerichtet sein. Dadurch wird die thermische Linsenwirkung quer über den Strahl ziemlich gering sein. Dies steht im Gegensatz zu den meisten endgepumpten Konfigurationen, bei denen die thermische Linsenwirkung wesentlich ist und durch die Konstruktion des Laserhohlraums teilweise kompensiert werden muß.

Die dünne Scheibenkonfiguration ist jedoch komplexer, weil das Pumplicht das Verstärkungsmedium mehrfach durchlaufen muß. In einem Artikel mit dem Titel "Pumping schemes for multi-kW thin disk lasers" von Erhard, Karszewski, Stewen, Giesen, Contag und Voss in Proceedings of Advanced Solid State Lasers conference 2000, OSA Trends in Optics and Photonics Series, Bd. 34, Seite 78 wird beschrieben, daß: "für Quasi-Drei-Niveau-Systeme, wie Yb:YAG, auch die Resorption der Laserwellenlänge im laseraktiven Medium eine wichtige Rolle spielt. Durch Erhöhen der Pumpabsorption in einer endgepumpten Konfiguration durch Erhöhen der Länge des laseraktiven Mediums nehmen auch Resorptionsverluste für die Laserwellenlänge zu.

Daher ist der Gesamtwirkungsgrad in einer derartigen Konfiguration begrenzt. Der Weg zu einem höheren Wirkungsgrad liegt in der Verminderung der Resorptionsverluste durch Vermindern der Länge des Kristalls und/oder durch Reduzieren der Dotiermaterialkonzentration, während gleichzeitig die Absorption der Pumpstrahlung auf einem hohen Wert gehalten wird. In einer endgepumpten Konfiguration kann dies nur dadurch erreicht werden, daß die Pumpstrahlung wie bei der dünnen Scheibenkonfiguration das Medium mehrfach durchläuft." Die Autoren zeigen weiterhin auf, daß die Erhöhung der Anzahl der Durchgänge des Pumplichts durch das Medium zu einem höheren Wirkungsgrad führt, wenn dünnere Kristalle verwendet werden.

Es existieren weitere Gründe für die mehreren Durchgänge des Pumplichts. Die Scheiben müssen dünn gehalten werden, um die eindimensionale Kühlung zu gewährleisten. Außerdem ist die Bruchgrenze der Scheibendicke umgekehrt proportional. Die maximale Dotierungskonzentration und damit die maximale Absorption ist für die meisten Verstärkungsmedien nachteilig begrenzt. Eines der Verstärkungsmedien mit der stärksten Absorption ist Nd:YVO₄ (Vanadat). Vanadat ist ein 4-Niveau-Laser, so daß eine vollständige Absorption des Pumplichts optimal ist. Unter Verwendung von Vanadat mit einer Dotierungskonzentration von 1 Atom-% sind vier Durchgänge des Pumplichts und eine 400 μm dicke Scheibe erforderlich, um 86% der Pumplichtstrahlung zu absorbieren. Es sind höhere Nd-Dotierungskonzentrationen in Vanadat möglich, die allerdings zu einer verminderten Lebensdauer und einem verminderten Wirkungsgrad führen.

In den letzten Jahren konzentrierten sich die Arbeiten auf Konstruktionen zum Erreichen einer großen Anzahl von Durchgängen für das Pumplicht. In Konstruktionen, in denen 16 Durchgänge für das Pumplicht verwendet werden, wird das Licht von den Diodenbarren typischerweise in ein Faserbündel mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,1 gekoppelt. Dieses Pumplicht wird durch einen Spiegel auf die Scheibe abgebildet. Das übrige Pumplicht wird durch einen anderen Spiegel gesammelt und auf die Scheibe zurück abgebildet. Dann wird eine Serie von acht Spiegeln verwendet, um 16 Durchgänge des Pumplichts durch das Verstärkungsmedium zu erhalten. Jeder der Spiegel muß ausreichend groß sein, um den Pumplichtstrahl mit einer numerischen Apertur von 0,1 aufzufangen.

Gemäß einer alternativen Konfiguration wird ein großer Parabolspiegel verwendet, wobei acht verschiedene Segmente dieses Spiegels die acht getrennten Spiegel der vorstehend erwähnten Konfiguration ersetzen. Jedes Segment des Parabolspiegels muß nun eine numerische Apertur von 0,1 aufweisen. Hierfür ist eine hellere Pumpquelle (numerische Apertur < 0,1) oder ein parabolischer Spiegel mit einer größeren numerischen Apertur erforderlich. Durch eine hellere Pumpquelle kann die gleiche Strahlfleckgröße mit einer geringeren numerischen Apertur oder alternativ eine kleinere Strahlfleckgröße mit der gleichen numerischen Apertur erzeugt werden.

In jüngster Zeit sind zwei stöchiometrische Materialien vorgeschlagen worden, die Yb in der Kristallmatrix aufweisen. Das erste Material, YbAG, ist der YAG-Wirts- oder Grundkristall, wobei das gesamte Yttrium durch Ytterbiuum ersetzt ist. Dieser Kristall ist daher Yb:YAG mit einer 100%-igen Yb-Dotierung. Es ist in "Laser demonstration of YbAG and Materials properties of highly doped Yb:YAG" von Patel, Honea, Speth, Payne, Hutcheson and Equall in IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. 37, Seite 135 (2001) beschrieben. Es hat sich gezeigt, daß in YbAG durch eine 100%-ige Dotierung des YAG mit Yb trotzdem ein guter Laserkristall erhalten werden kann, dessen Lebensdauer nicht wesentlich vermindert ist. Wesentlich ist, daß das gesamte Pumplicht in einer Scheibe mit einer Dicke von 300 μm be einem einzigen Durchgang absorbiert werden kann.

Ein als KYbW bezeichneter zweiter stöchiometrischer Kristall basiert auf einem KYW-Wirts- oder Grundkristall, wobei das gesamte Yttrium durch Ytterbium ersetzt ist. Er ist in "Laser operation of the new stoichiometric crystal KYb(WO₄)2" von Klopp et al. in Applied Physics B, Bd. 74, Seite 185 (2002) beschrieben. Die berechnete Absorptionslänge in KYbW ist kleiner als 20 μm.

Diese hochdotierten stöchiometrischen Materialien eröffnen neue Möglichkeiten. Eine besteht darin, weiterhin mehrere Durchgänge des Pumplichts und dünnere Scheiben zu verwenden. Dadurch wird die Kühlung verbessert. Die andere Möglichkeit besteht darin, einfachere und kostengünstigere Systeme zu konstruieren. Bisher sind aufgrund der Probleme bei der Verwendung von Spiegeln mit großer numerischer Apertur bei einem Pumpvorgang mit mehreren Durchgängen keine Pumpverfahren mit größerer numerischer Apertur für dünne Scheibensysteme vorgeschlagen worden. Pumpverfahren mit großer numerischer Apertur besitzen jedoch mehrere Vorteile, insbesondere hinsichtlich der Verminderung der Komplexität und Kostensenkungen.

Ein erster Vorteil von Pumpverfahren mit größerer numerischer Apertur besteht darin, daß weniger helle Pumpquellen verwendbar sind. Pumpverfahren mit größerer numerischer Apertur sind in Verbindung mit dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedien geeignet, weil der Pumplichtstrahl innerhalb der Verstärkungsmedien nicht divergiert. Diese weniger hellen Pumpquellen können Diodenstapel oder Stacks und Dioden-Arrays mit weniger strahlformenden optischen Komponenten sein. Typische strahlformende optische Komponenten sind beispielsweise Kollimationslinsen mit fester Achse auf jedem Diodenbarren, Strahlformer, die die Strahlqualität in der horizontalen und in der vertikalen Richtung umwandeln, um den Pumplichtstrahl symmetrisch zu machen, und polarisierende optische Komponenten, die es ermöglichen, zwei Diodenstapel oder Stacks mit entgegengesetzter Polarisierung zu kombinieren. Jede diese strahlformenden optischen Komponenten trägt zwar dazu bei, die Helligkeit der Pumpquelle zu gewährleisten, die Kosten und die Komplexität der Pumpquelle nehmen jedoch zu.

Zweitens können an Stelle von Abbildungssystemen nichtabbildende Konzentratoren verwendet werden. Es können Linsenröhren oder hohltrichterförmige Konzentratoren verwendet werden. Diese nichtabbildenden Konzentratoren wandeln einen großen Strahl mit einer geringen numerischen Apertur von einem Diodenstapel in einen kleineren Strahl mit einer größeren numerischen Apertur um. Dadurch kann ein großer Diodenstapel mit einer Fläche von typischerweise 1 cm² mit einem Zwischenraum zwischen den Diodenbarren für eine wirksame Kühlung verwendet werden. Der Konzentrator kann die Strahlgröße um einen Faktor 4 oder 5 vermindern, die numerische Apertur des Strahls wird jedoch um den gleichen Faktor zunehmen. Ein hohltrichterförmiger Konzentrator ist die bevorzugte Ausführungsform, wenn der Pumplichtstrahl mit minimalen Kosten zum Verstärkungsmedium geleitet werden soll.

Drittens kann Licht von mehreren Pumpquellen von verschiedenen Winkeln auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffen. Dadurch kann der Pumplichtfleck von einzelnen Diodenbarren von mehreren Richtungen auf das Verstärkungsmedium ausgerichtet werden. Dadurch kann die Wärme von diesen separaten Diodenbarren einfacher abgeleitet werden. Um die Leistung zu erhöhen können auch mehrere um die Scheibe herum angeordnete Diodenstapels verwendet werden. Jeder Diodenstapel weist seinen eigenen Koppler auf und würde der Scheibe den Pumplichtstrahl von einer anderen Richtung zuführen.

Es besteht Bedarf für ein verbessertes optisches System mit einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium und für Verfahren für seine Verwendung. Es besteht ferner Bedarf für ein optisches System mit einem diodengepumpten dünnen schei benförmigen Verstärkungsmedium, in dem eine Pumptechnik mit einer großen numerischen Apertur verwendet wird, um die Kosten und die Komplexität zu vermindern, und für ein Verfahren für seine Verwendung.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen diodengepumpten Laser mit einer hohen Leistung und eine gute Modusqualität und Verfahren zu seiner Verwendung bereitzustellen.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach konstruierten und kostengünstigen diodengepumpten Laser mit einer hohen Leistung und einer guten Modusqualität und Verfahren zu seiner Verwendung bereitzustellen.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein optisches System gelöst, das eine Hochleistungs-Diodenpumpquelle und ein dünnes scheibenförmiges Verstärkungsmedium aufweist. Ein optische Koppler ist zwischen der Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordnet. Der optische Koppler erzeugt einen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Lichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System bereitgestellt, das mindestens eine erste und eine zweite Hochleistungs-Diodenpumpquelle aufweist, die einen ersten und einen zweiten Pumplichtstrahl erzeugen. Es wird ein dünnes scheibenförmiges Verstärkungsmedium bereitgestellt. Ein optischer Koppler ist zwischen jeder der Diodenpumpquellen und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordnet. Der erste und der zweite Pumplichtstrahl treffen von verschiedenen Richtungen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auf.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Pumpen eines dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums zum Erzeugen eines Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahls von einer Pumpquelle bereitgestellt. Der Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahl durchläuft einen zwischen der Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordneten optischen Koppler. Der optische Koppler erzeugt einen Ausgangslichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur. Der Ausgangslichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur trifft auf eine Lichtauftrefffläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums auf.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bearbeiten von Materialien bereitgestellt, wie beispielsweise für eine Mikrobearbeitung, die schnelle Herstellung von Prototypen (Rapid Prototyping), Glühprozesse, Ablations- oder Abschmelzungsprozesse, das Einleiten chemischer Prozesse, medizinische Anwendungen und ähnliche, in denen ein Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahl von einer Pumpquelle erzeugt wird. Der Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahl durchläuft einen zwischen der Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordneten optischen Koppler. Der optische Koppler erzeugt einen Ausgangslichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur. Der Ausgangslichtstrahl mit der großen numerischen Apertur trifft auf die Lichtauftrefffläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums auf, um einen Ausgangslichtstrahl zu erzeugen. Der Ausgangslichtstrahl wird auf einen zu bearbeitenden Artikel gerichtet.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Pumpen eines dünnen schei benförmigen Verstärkungsmediums bereitgestellt. Ein erster und ein zweiter Pumplichtstrahl werden durch eine erste und eine zweite Pumpquelle erzeugt. Der erste und der zweite Pumplichtstrahl durchlaufen jeweils einen zwischen der Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordneten optischen Koppler, um einen ersten und einen zweiten Ausgangslichtstrahl zu erzeugen. Der erste und der zweite Ausgangslichtstrahl treffen von verschiedenen Richtungen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auf.

Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems mit einer Diodenpumpquelle, einem Koppler, einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium und einem Kühlkörper;
2 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems mit zwei Diodenpumpquellen, die jeweils einen Koppler aufweisen, und ein dünnes scheibenförmiges Verstärkungsmedium;
3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindungsgemäßen mit einer Diodenpumpquelle, einem Koppler und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium, wobei Pumplicht das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium unter Verwendung eines einzelnen Spiegels zum Zurücklenken des Pumplichts auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium viermal durchläuft;
4 zeigt das berechnete Reflexionsvermögen einer Antireflexionsbeschichtung als Funktion der Wellenlänge und des Winkels;
5 zeigt das berechnete Reflexionsvermögen einer stark reflektierenden Beschichtung als Funktion der Wellenlänge und des Winkels.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Gemäß 1 weist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems 10 eine Hochleistungs-Diodenpumpquelle 12 und ein dünnes scheibenförmiges Verstärkungsmedium 14 auf. Ein Beispiel eines dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums ist im US-Patent Nr. 5553088 dargestellt, auf das hierin durch Verweis Bezug genommen wird. Ein optischer Koppler 16 ist zwischen der Diodenpumpquelle 12 und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 14 angeordnet. Geeignete Abstände zwischen der Diodenpumpquelle 12 und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 14 liegen im Bereich von 10 bis 200 cm, wobei die Länge einer gegebenenfalls vorhandenen zugeordneten Faser nicht hinzugerechnet ist. Der optische Koppler 16 erzeugt einen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 14 auftreffenden Lichtstrahl 18 mit einer großen numerischen Apertur.
Die Pumpquelle 12 kann aus einem oder mehreren Diodenbarren, einer linearen Anordnung von Diodenbarren oder vorzugsweise aus einem vertikalen Stapel von Diodenbarren bestehen und eine Leistung von mindestens 50 W und bevorzugter von mindestens 200 W aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die numerische Apertur des auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 14 auftreffenden Lichtstrahls 18 größer als 0,35, größer als 0,4, größer als 0,5, usw.
Der optische Koppler 16 kann ein nichtabbildender Konzentrator sein, der beispielsweise eine Linsenröhre, ein hohltrichterförmiger Konzentrator oder eine ähnliche Ein richtung sein kann. Ein Beispiel eines geeigneten trichterförmigen Konzentrators ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/401146 , eingereicht am 22. September 1999 beschrieben, auf die hierin durch Verweis Bezug genommen wird. Der optische Koppler 16 kann außerdem eine zylindrische Linse zum Kollimieren einer festen Achsendivergenz der Pumpquelle 12, eine Kombination aus mehreren zylindrischen Linsen, usw. sein. Der optische Koppler 16 kann außerdem ein Strahlformer, ein Polarisationsstrahlkombinierer, ein Wellenlängenstrahlkombinierer, ein Strahlhomogenisator oder eine ähnliche Einrichtung sein. Der Strahlformer wandelt die Qualität des Strahls 18 in der horizontalen und in der vertikalen Richtung um, um den Strahl 18 symmetrisch zu machen. Der Strahlformer kann aus einer Anordnung von Mikrospiegeln, einem Stapel von Platten oder einem Paar Spiegel bestehen, wie im US-Patent Nr. 5825551 dargestellt ist, auf das hierin durch Verweis Bezug genommen wird. In einer Ausführungsform wandelt der optische Koppler 16 einen großen Lichtstrahl mit einer geringen numerischen Apertur von beispielsweise 0,1 von der Diodenpumpquelle 12 in einen kleineren Lichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur von beispielsweise 0,2 bis 0,5 um.
Der optische Koppler 16 kann derart ausgewählt werden, daß die Größe des Lichtstrahls von der Diodenpumpquelle 12 um einen Faktor von mindestens 2 und bevorzugter von 3 oder 4 reduziert wird. Die numerische Apertur des Lichtstrahls von der Diodenpumpquelle 12 nimmt dadurch um einen Faktor von mindestens 2 und bevorzugter von 3 oder 4 zu.
Das dünne schichtförmige Verstärkungsmedium 14 kann verschiedene Formen haben, z. B. die Form einer dünnen runden Platte oder einer dünnen quadratischen Platte. Das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 14 weist eine Lichtauftrefffläche 22 und eine Kühlfläche 24 auf. Die Lichtauf trefffläche 22 ist die Fläche, durch die der Lichtstrahl 18 einfällt, und die Kühlfläche 24 ist die Fläche, über die die Wärme abgeleitet wird. Die Lichtauftrefffläche 22 und die Kühlfläche 24 sind typischerweise entgegengesetzte Seiten des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums 14, sie können jedoch auch die gleiche Fläche sein, wenn ein transparentes Kühlkörpermaterial, z. B. undotiertes YAG, verwendet wird. Die Abmessungen des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 14 können derart sein, daß die Dicke wesentlich kleiner ist als die Öffnung oder Blende. Beispiele geeigneter Größen sind eine Öffnung oder Blende von 2 bis 50 mm und eine Dicke von 10 bis 500 μm.
Durch ein Verbindungsmaterial 26, wie beispielsweise ein Lötmittel, einen Klebstoff und ein ähnliches Material, wird die Kühlvorrichtung 28 mit der Kühlfläche 24 verbunden. geeignete Kühlvorrichtungen 28 sind beispielsweise ein Kühlkörper aus Metall, Berylliumoxid, undotiertem YAG, Keramikmaterialien und ähnlichen.
Das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 14 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, wie beispielsweise Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:S-FAP, Nd:YAG, Nd:KGW, Nd:KYW oder Nd:YVO₄. Das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 14 kann auch aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Um eine hohe Absorption im dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 14 zu erhalten, kann ein stöchiometrisches Verstärkungsmaterial verwendet werden, z. B. eines der hierin beschriebenen stöchiometrischen Materialien. Beispielsweise kann das stöchiometrische Verstärkungsmaterial ein stöchiometrisches Yb³+-Material sein, z. B. YbAG, KYbW oder ein ähnliches Material.
2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems 110 mit mindestens einer ersten und einer zweiten Hochleistungs-Diodenpumpquelle 112 und 114, die einen ersten und einen zweiten Pumplichtstrahl 116 bzw. 118 erzeugen. Es wird ein dünnes scheibenförmiges Verstärkungsmedium 120 bereitgestellt. Ein optischer Koppler 122 ist zwischen jeder der Diodenpumpquellen 112 und 114 und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 120 angeordnet. Der erste und der zweite Pumplichtstrahl 116 und 118 treffen von verschiedenen Richtungen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 120 auf.
3 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems 210 mit einer Hochleistungs-Diodenpumpquelle 212 und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 214. Ein optischer Koppler 216 ist zwischen der Diodenpumpquelle 212 und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 214 angeordnet. Der optische Koppler 216 erzeugt einen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 214 auftreffenden Lichtstrahl 218 mit einer großen numerischen Apertur. Der Lichtstrahl 218 durchläuft das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium 214 zweimal, und das nicht absorbierte Pumplicht wird durch einen optischen Koppler 220 und einen einzelnen Spiegel 230 zum dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium 214 zurück gelenkt. Der Lichtstrahl 218 durchläuft das Verstärkungsmedium dann ein drittes und ein viertes Mal.
Erfindungsgemäß können Beschichtungen hergestellt werden, die für eine große numerische Apertur des Pumplichtstrahls geeignet sind. Derartige Beschichtungen können sowohl für die Pumplichtstrahlung von den Dioden als auch für die durch das optische System emittierte Laserlichtstrahlung geeignet sein.
Eine Antireflexionsbeschichtung auf der Lichtauftrefffläche des Verstärkungsmediums kann aus einer einzelnen Magnesiumfluoridschicht bestehen. Sie kann auch aus mehreren dielektrischen Schichten bestehen. 4(a) zeigt das be rechnete Reflexionsvermögen von 7 alternierenden dielektrischen Schichten aus SiO₂ und Ta₂O₅, die derart konstruiert sind, daß die Reflexion an der Lichtauftrefffläche eines dünnen schichtförmigen Verstärkungsmediums mit einem Brechungsindex von etwa 2 unterdrückt wird, als Funktion der Wellenlänge bei normalem Lichteinfall. Eine derartige Beschichtung kann für KYbW und ähnliche Verstärkungsmedien geeignet sein. Das Reflexionsvermögen bleibt für einen Wellenlängenbereich von 1000 nm bis über 1100 nm geeignet unter 0,1%, so daß die Wellenlänge im optischen System in einem breiten Bereich abstimmbar ist und außerdem die zum Erzeugen eines Femtosekundenimpulses erforderlichen breiten Wellenlängenspektren unterstützt werden.
4(b) zeigt das Reflexionsvermögen der gleichen Beschichtung als Funktion des Einfallswinkels bezüglich der Normalen zur Oberfläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums für unpolarisiertes Licht bei einer festen Pumpwellenlänge von 940 nm. Das Reflexionsvermögen bleibt über einen Einfallswinkelbereich bis 60 Grad bezüglich der Normalen zur Oberfläche des Verstärkungsmediums unter 4%, und für Winkel bis 70° unter 10%. Die Kurven des Reflexionsvermögens für andere Pumpwellenlängen zwischen 930 nm und 950 nm sind für diese Beschichtung sehr ähnlich. Ein von Kegelwinkeln zwischen +70 und –70° auftreffender Pumplichtstrahl entspricht einer numerischen Apertur von sin((70°-( –70°))/2) = 0,94. Ein von Kegelwinkeln zwischen +10° und +70° auftreffender Pumplichtstrahl entspricht einer numerischen Apertur von sin((70°–10°)/2) = 0,5.
Es kann außerdem vorteilhaft sein, ein dickeres Medium mit der Oberseite eines dünnen scheibenförmigen Mediums 14, 120 und 214 zu koppeln. Beispielsweise kann eine dünne Scheibe aus hochdotiertem Yb:YAG oder YbAg durch Diffusions-Kontaktieren mit undotiertem YAG verbunden werden, das für den emittierten Lichtstrahl 18, 116, 118 und 218 der Pumpdioden transparent ist. In diesem Fall kann die Antireflexionsbeschichtung auf der Lichtauftrefffläche des dickeren Mediums aufgebracht werden.
Eine hochgradig reflektierende Beschichtung auf der reflektierenden Fläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums 14, 120 und 214 kann, auch aus mehreren dielektrischen Schichten bestehen. Sie kann auch andere Materialien enthalten, wie beispielsweise Metalle wie Kupfer, Silber, Gold, usw. In einer Ausführungsform kann die hochgradig reflektierende Beschichtung auf die Rückseite des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums 14, 120 und 214 aufgebracht werden, d. h. auf die der Lichtauftrefffläche gegenüberliegende Fläche. 5(a) zeigt das berechnete Reflexionsvermögen einer geeigneten hochgradig reflektierenden Beschichtung für ein Verstärkungsmaterial mit einem Brechungsindex von etwa 2 als Funktion der Wellenlänge bei normalem Lichteinfall. Die Konfiguration besteht aus 20 alternierenden dielektrischen Schichten aus SiO₂ und Ta₂O₅ und einer Kupferschicht. Eine derartige Beschichtung kann auch für KYbW und und ähnliche Verstärkungsmaterialien geeignet sein. Das Reflexionsvermögen bleibt für einen Wellenlängenbereich von unter 1000 nm bis etwa 1100 nm geeignet über 99,98, so daß die Wellenlänge im optischen System in einem breiten Bereich abstimmbar ist und außerdem die zum Erzeugen von Femtosekundenimpulsen erforderlichen breiten Wellenlängenspektren unterstützt werden können.
5(b) zeigt das Reflexionsvermögen der gleichen Beschichtung als Funktion des außerhalb des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums 14, 120 uns 214 gemessenen Einfallswinkels bezüglich der Normalen zur Oberfläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums 14, 120 und 214 für unpolarisiertes Licht bei einer festen Pumpwellenlänge von 940 nm. Das Reflexionsvermögen bleibt über einen Einfallswinkelbereich bis zu 25 Grad bezüglich der Normalen zur Oberfläche des Verstärkungsmediums in der Nähe von 100%. Für größere Winkel bis 60 Grad nimmt das Reflexionsvermögen ab, bleibt aber im Mittel über 90%. Für Winkel von mehr als 60 Grad beträgt das Reflexionsvermögen erneut etwa 100. Die Kurven des Reflexionsvermögens für andere Pumpwellenlängen zwischen 930 nm und 950 nm sind für diese Beschichtung sehr ähnlich.
Wenn die optischen Systeme 10, 110 und 210 als Lasersysteme konfiguriert sind, können die Moden der Laserstrahlen dem Verstärkungsbereich des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums 14, 120 und 214 angepaßt werden. Dadurch kann eine gute Ausgangsmodusqualität erzeugt werden, ohne daß der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird. Aufgrund der eindimensionalen Kühlung ist der Wärmegradient mit dem Laserstrahl kollinear, so daß die thermische Linsenwirkung gering ist.
Wenn die optischen Systeme 10, 110 und 210 als diodengepumpte Lasersysteme konfiguriert sind, sind sie für verschiedene Anwendungen geeignet. Ein Yb-dotiertes Verstärkungsmedium ist beispielsweise zum Konstruieren von modelocked Laserquellen geeignet. Diodengepumpte Laser 10, 110 und 210 können Impulse mit Impulsdauern von Subpikosekunden erzeugen, die unter Verwendung von sättigbaren Halbleiterabsorbern als mode-locking-Vorrichtungen erhalten werden können. Es können auch diodengepumpte Subpikosekunden-Hochleistungslasersysteme 10, 110 und 210 verwendet werden, um einen OPO (optisch-parametrischen Oszillator) synchron zu pumpen und eine abstimmbare Quelle für Subpikosekundenimpulse bereitzustellen. Ein temperaturabstimmbarer LBO-Kristall kann als parametrisches Verstärkungsmedium für den OPO verwendet werden. Außerdem können diodengepumpte Laser 10, 110 und 210 in polarisationsgekoppelten mode-locking Systemen verwendet werden.
Die optischen Systeme 10, 110 und 210 können als Verstärker verwendet werden. Sie können als Verstärkungselement in einem Multi-Pass-Verstärker oder alternativ in einem regenerativen Verstärker verwendet werden. Ein regeneratives Verstärkersystem zum Verstärken von Impulsen von einem modelocked Oszillator kann Subpikosekundenimpulse mit Energien von 1 mJ erzeugen. Derartige Verstärkersysteme können auf einer Chirp-Impuls-Verstärkung basieren und Gitterpaare zum Strecken des Impulses vor der Verstärkung und zum Komprimieren des Impulses nach der Verstärkung verwenden. Beispielsweise können diodengepumpte Systeme 10, 110 und 210 Quellen für Subpikosekundenimpulse mit einer hohen Spitzenleistung sein, die für Mikrobearbeitungsanwendungen geeignet sind, bei denen eine hohe Präzision oder eine verminderte thermische Schädigung wichtig sind.
Außerdem können diodengepumpte Systeme 10, 110 und 210 intra-cavity-frequenzverdoppelte Laser mit einem guten räumlichen Modus sein. Ein unkritische phasenangepaßter LBO kann als frequenzverdoppelnder Kristall verwendet werden, um eine Hochleistungsquelle für grünes Licht mit 20 bis 50 W Leistung für viele Anwendungen, z. B. zum Pumpen anderer Laser, bereitzustellen. Eine Single-Frequency-Quelle für infrarotes oder grünes Licht kann aufgrund des räumlichen Lochbrennens (spatial hole burning) im dünnen scheibenförmigen Medium 14, 120 und 214 erhalten werden und findet Anwendung beim Pumpen anderer Laser und für Single-Frequency-OPOs sowie in der Spektroskopie und in der Meteorologie.
Die vorstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient lediglich zur Erläuterung und Darstellung. Die Erfindung soll dadurch nicht auf die präzisen dargestellten Strukturen beschränkt werden. Für Fachleu te ist offensichtlich, daß innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung zahlreiche Modifikationen und Änderungen und äquivalente Ausführungsformen möglich sind.
Zusammenfassung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein optisches System mit einer Hochleistungs-Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium bereitgestellt. Ein optischer Koppler ist zwischen der Diodenpumpquelle und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordnet. Der optische Koppler erzeugt einen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Lichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur.

Claims

Optisches System mit: einer Hochleistungs-Diodenpumpquelle; einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium; und einem zwischen der Diodenpumpquelle und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordneten optischen Koppler, wobei der optische Koppler einen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Lichtstrahl mit einer großen numerischen Apertur erzeugt.
System nach Anspruch 1, wobei die Pumpquelle eine Leistung von mindestens 50 W hat.
System nach Anspruch 1, wobei die Pumpquelle eine Leistung von mindestens 200 W hat.
System nach Anspruch 1, wobei die numerische Apertur des auf das dünne schichtförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Lichtstrahls größer ist als 0,35.
System nach Anspruch 1, wobei die numerische Apertur des auf das dünne schichtförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Lichtstrahls größer ist als 0,4.
System nach Anspruch 1, wobei die numerische Apertur des auf das dünne schichtförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Lichtstrahls größer ist als 0,5.
System nach Anspruch 1, wobei der Koppler aus einem Trichter, einer zylindrischen Linse zum Kollimieren ei ner festen Achsendivergenz der Pumpquelle, mehreren zylindrischen Linsen, einem Strahlformer, einer Linsenröhre und einem Strahlkombinierer ausgewählt wird.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Kühlvorrichtung, die mit einer Kühlfläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem stöchiometrischen Verstärkungsmaterial hergestellt ist.
System nach Anspruch 1, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem stöchiometrischen Yb³⁺-Material hergestellt ist.
System nach Anspruch 10, wobei das stöchiometriche Yb³⁺-Material YbAG ist.
System nach Anspruch 10, wobei das stöchiometriche Yb³⁺-Material KYbW ist.
System nach Anspruch 1, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Diodenpumpquelle ein Stapel von Diodenbarren ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Koppler ein nichtabbildender Konzentrator ist.
System nach Anspruch 15, wobei der nichtabbildende Konzentrator eine Linsenröhre ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Koppler ein Strahlhomogenisator ist.
System nach Anspruch 15, wobei der nichtabbildende Konzentrator derart konfiguriert ist, daß ein großer Lichtstrahl mit einer geringen numerischen Apertur von der Diodenpumpquelle in einen kleineren Lichtstrahl mit einer größeren numerischen Apertur umgewandelt wird.
System nach Anspruch 15, wobei der nichtabbildende Konzentrator die Größe eines Strahls von der Diodenpumpquelle um einen Faktor von mindestens 2 vermindert und die numerische Apertur des Strahls von der Diodenpumpquelle um einen Faktor von mindestens 2 erhöht.
System nach Anspruch 15, wobei der nichtabbildende Konzentrator ein Hohltrichter ist.
Optisches System mit: mindestens einer ersten und einer zweiten Hochleistungs-Diodenpumpquelle zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Pumplichtstrahls; einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium; und einem ersten Koppler und einem zweiten Koppler, die zwischen jeder der Diodenpumpquellen und dem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordnet sind; wobei der erste und der zweite Pumplichtstrahl von verschiedenen Richtungen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffen.
System nach Anspruch 21, wobei die optischen Koppler einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl mit jeweils einer großen numerischen Apertur von der ersten und der zweiten Diodenpumpquelle erzeugen, die auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffen.
System nach Anspruch 21, wobei die Pumpquellen eine Leistung von mindestens 50 W erzeugen.
System nach Anspruch 21, wobei die Pumpquellen eine Leistung von mindestens 200 W erzeugen.
System nach Anspruch 21, wobei die numerische Apertur des auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden ersten und zweiten Lichtstrahls jeweils größer ist als 0,35.
System nach Anspruch 21, wobei die numerische Apertur des auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden ersten und zweiten Lichtstrahls jeweils größer ist als 0,4.
System nach Anspruch 21, wobei die numerische Apertur des auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden ersten und zweiten Lichtstrahls jeweils größer ist als 0,5.
System nach Anspruch 21, wobei der Koppler aus einem Trichter, einer zylindrischen Linse zum Kollimieren einer festen Achsendivergenz der Pumpquelle, mehreren zylindrischen Linsen, einem Strahlformer, einer Linsenröhre und einem Strahlkombinierer ausgewählt wird.
System nach Anspruch 21, ferner mit einer Kühlvorrichtung, die mit einer Kühlfläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums gekoppelt ist.
System nach Anspruch 21, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem stöchiometrischen Verstärkungsmaterial hergestellt ist.
System nach Anspruch 21, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem stöchiometrischen Yb³⁺-Material hergestellt ist.
System nach Anspruch 31, wobei das stöchiometriche Yb³⁺-Material YbAG ist.
System nach Anspruch 31, wobei das stöchiometriche Yb³⁺-Material KYbW ist.
System nach Anspruch 21, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist.
System nach Anspruch 21, wobei die Diodenpumpquelle ein Stapel von Diodenbarren ist.
System nach Anspruch 21, wobei der Koppler ein nichtabbildender Konzentrator ist.
System nach Anspruch 36, wobei der nichtabbildende Konzentrator eine Linsenröhre ist.
System nach Anspruch 21, wobei der Koppler ein Strahlhomogenisator ist.
System nach Anspruch 36, wobei der nichtabbildende Konzentrator derart konfiguriert ist, daß ein großer Lichtstrahl mit einer geringen numerischen Apertur von der Diodenpumpquelle in einen kleineren Lichtstrahl mit einer größeren numerischen Apertur umgewandelt wird.
System nach Anspruch 36, wobei der nichtabbildende Konzentrator die Größe eines Strahls von der Diodenpumpquelle um einen Faktor von mindestens 2 vermindert und die numerische Apertur des Strahls von der Diodenpumpquelle um einen Faktor von mindestens 2 erhöht.
System nach Anspruch 36, wobei der nichtabbildende Konzentrator ein Hohltrichter ist.
Verfahren zum Pumpen eines dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums mit den Schritten: Erzeugen eines Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahls von einer Pumpquelle; Veranlassen, daß der Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahl ein zwischen der Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordneten optischen Koppler durchläuft; Erzeugen eines Ausgangslichtstrahls mit einer großen numerischen Apertur durch den optischen Koppler; und Aufstrahlen des Ausgangslichtstrahls mit der großen numerischen Apertur auf eine Lichtauftrefffläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Pumplichtstrahl eine Leistung von mindestens 50 W aufweist.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Pumplichtstrahl eine Leistung von mindestens 200 W aufweist.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die numerische Apertur des auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Ausgangslichtstrahls größer ist als 0,35.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die numerische Apertur des auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Ausgangslichtstrahls größer ist als 0,4.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die numerische Apertur des auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium auftreffenden Ausgangslichtstrahls größer ist als 0,5.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Koppler aus einem Trichter, einer zylindrischen Linse zum Kollimieren einer festen Achsendivergenz der Pumpquelle, mehreren zylindrischen Linsen, einem Strahlformer, einer Linsenröhre und einem Strahlkombinierer ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 42, ferner mit dem Schritt zum Kühlen einer Kühlfläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem stöchiometrischen Verstärkungsmaterial hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem stöchiometrischen Yb³⁺-Material hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei das stöchiometrische Yb³⁺-Material YbAG ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei das stöchiometrische Yb³⁺-Material KYbW ist.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Diodenpumpquelle ein Stapel von Diodenbarren ist.
Verfahren zur Materialbearbeitung mit den Schritten: Erzeugen eines Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahls von einer Pumpquelle; Veranlassen, daß der Hochleistungs-Diodenpumplichtstrahl einen zwischen der Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordneten optischen Koppler durchläuft; Erzeugen eines Ausgangslichtstrahls mit einer großen numerischen Apertur durch den optischen Koppler; Aufstrahlen des Ausgangslichtstrahls mit der großen numerischen Apertur auf eine Lichtauftrefffläche des dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums, um einen Ausgangslichtstrahl zu erzeugen; und Ausrichten des Ausgangslichtstrahls auf einen zu bearbeitenden Artikel.
Verfahren zum Pumpen eines dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmediums mit den Schritten: Erzeugen eines ersten und eines zweiten Pumplichtstrahls von einer ersten und einer zweiten Pumpquelle; Veranlassen, daß der erste und der zweite Pumplichtstrahl einen ersten und einen zweiten optischen Koppler durchläuft, die zwischen jeder Diodenpumpquelle und einem dünnen scheibenförmigen Verstärkungsmedium angeordnet sind, um einen ersten und einen zweiten Pumplichtstrahl zu erzeugen; und Aufstrahlen des ersten und des zweiten Pumplichtstrahls von verschiedenen Richtungen auf das dünne scheibenförmige Verstärkungsmedium.
Verfahren nach Anspruch 57, wobei der erste und der zweite Pumplichtstrahl jeweils Lichtstrahlen mit einer großen numerischen Apertur sind.