DIODE-PUMPED DOUBLE FREQUENCY SOLID STATE LASER

Diodengepumpter, frequenzverdoppelter Festkörperlaser

Die Erfindung betrifft einen diodengepumpten, frequenzverdoppelten Festkörperlaser nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Festkörperlaser, die meist unter Verwendung von Seltenerd-dotierten Kristallen oder Gläsern, beispielsweise Nd:YAG, Nd:YVC>4, Nd:YA10, Nd:YLF, Nd:Glas oder anderen, ähnlichen Festkörpermaterialien aufgebaut sind und mit resonatorinterner Frequenzverdopplung ausgestattet sind, sind seit langem bekannt und werden in vielen Anwendungen der Lasertechnik eingesetzt. Man bedient sich hierbei der Erzeugung der zweiten oder höherer harmonischer Schwingungen in Materialien, vorwiegend Kristallen, welche kein Inversionszentrum besitzen - beispielsweise KTP, LBO, BBO, KNbθ3, LiNbθ3 oder andere - mit einem hohen nichtlinearen Koeffizienten, welcher durch anharmonische Schwingungen der Gitteratome, angeregt durch eine einfallende Lichtwelle, Licht der doppelten oder vielfachen Frequenz der eingestrahlten Lichtwelle erzeugt. Der Prozess der Erzeugung höherer Harmonischer ist stark leistungsdichteabhängig (vergl. z. B. Köchner, Solid-State Laser Engineering), so dass zur Erzeugung frequenzverdoppelter Laserstrahlung hoher Effizienz der nichtlineare Kristall üblicherweise zumindest bei kontinuierlich arbeitenden (cw) Lasern in den Resonator des Lasers selbst eingebracht wird (s.o. oder auch z.B. Yariv, Quantum Electronics, 3. Aufl. S. 402). Die Resonatorspiegel werden meist hochreflektierend für die Laserwellenlänge gewählt, um eine maximale Leistungsüberhöhung im Resonator und damit eine möglichst hohe Verdopplungseffizienz zu erreichen. Der Auskoppelspiegel ist gleichzeitig hochtransmittant für die frequenzverdoppelte Strahlung, um diese gut aus dem Resonator auskoppeln zu können.. Zumeist werden derartige Laser auf optischen Bänken aufgebaut, das heisst, dass die Elemente zur Aufnahme von Laserkristall, Frequenzverdoppler und Auskoppelspiegel meist auf der Unterseite mit einer Platte fest verschraubt oder mittels verschiebbarer Konstruktionen entlang einer Schiene aufgereiht werden. Diese Konstruktion erweist sich jedoch gerade im Falle resonatorinterner Frequenzverdopplung, bei der eine besonders geringe Justagetoleranz aufgrund der leistungsdichteabhängigen Konversionseffizienz erforderlich ist, nicht hinreichend langzeitstabil bei sich ändernden Umweltbedingungen oder lange Betriebsdauer. Insbesondere Verlegungen der optischen Bank oder Schiene sowie Verkippung der nur einseitig befestigten Halteelemente sind hierfür verantwortlich zu machen.

Eine bekannte alternative Bauform sieht die Befestigung der Halteelemente an drei oder vier Stahlstangen vor, welche typischerweise in den Ecken der meist rechteckigen Halteelemente durch entsprechende Öffnungen durchgeschoben werden, wobei die Halte- und Justageelemente durch Klemmungen an den Stangen fixiert werden. Hier kann zwar keine nennenswerte Verkippung der Halteelemente zueinander mehr auftreten, allerdings zeigte die Praxis, dass bei der Klemmung der Halteelemente an die Stangen Spannungen auf die Stangen ausgeübt werden, welche ebenfalls zu langzeitigen Dejustagen der Elemente zueinander führt. Darüber hinaus ist kein guter Wärmetransport von Haltern möglich, die mit Wärme beispielsweise aus dem Laserkristall oder dem Frequenzverdoppler beaufschlagt sind, da die Stangen einen geringen Querschnitt und daher eine schlechte Leitfähigkeit aufweisen und zudem kein Kontakt zu einer grösseren, als Kühlkörper dienenden thermischen Masse möglich ist.

Wiederum eine andere Lösung nach dem Stande der Technik sieht die Montage der Resonatorelemente entweder in Schraubhülsen vor, wobei keine unab- hängige Haltestruktur ausgebildet ist und die Stabilität eines Elementes von der Stabilität der umgebenden Elemente abhängt, oder in Rohren, was eine Herstellung der Resonators nur in bestimmter Reihenfolge und keine spätere Entnahme eines mittleren Resonatorelementes ermöglicht.

Schliesslich können noch Halte- und Justageelemente statt auf einer Platte auch auf einem (dickeren) Rohr verschiebbar geklemmt werden, was die gleichen Nachteile bezüglich Verkippung und Wärmeableitung aufweist wie die herkömmlich optische Bank.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Resonatorstruktur aufzuzeigen, welche spannungsfrei ist, keine interne Verwindung oder Verspannung durch die Halte- oder Justierelemente aufweist, einen guten Wärmetransport und Eigenschaften eines Kühlkörpers aufweist, sowie eine grosse Kontaktfläche zur Aufnahme thermisch belasteter Halteelemente vorsieht.

Dies wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale erreicht. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele erörtert sind.

Es zeigen

Fig. 1 eine Skizze der erfmdungsgemässen Anordnung einer Resonatorstruktur mit eingebrachten Resonatorelementen,

Fig. 2 eine perspektivische Skizze der erfmdungsgemässen Resonatorstruktur ohne Resonatorelemente,

Fig. 3 ein äusseres Lasergehäuse mit eingebrachter, staubgeschützter Resonatorstruktur als Subchassis, Fig. 4 eine Skizze der Auskoppeleinheit zur Leistungs- und Rauschmessung, und

Fig. 5 eine erfmdungsgemässe Anordnung einer zweidimensionalen Resonatoranordnung am Beispiel eines V-Resonators.

Die erfmdungsgemässe Lösung sieht eine Konstruktion vor, welche aus einem Winkel- oder U-Profil besteht, welches entweder aus spannungsarmen Material, beispielsweise spannungsarmen Aluminium, aus einem Stück herausgearbeitet, beispielsweise gefräst oder als Gussteil spannungsfrei in einem Stück hergestellt ist. Dieses Winkel- oder U-Profil enthält weiterhin mindestens eine, vorzüglich jedoch mindestens zwei Zwischenwände, welche aus demselben Stücke sind und so dem Winkel eine zusätzliche Stabilität gegen Verwindung und Verspannung gibt. Eine solche Anordnung ist - immer auf den Fall eines Winkels bezogen - in den folgenden Abbildungen 1-5 dargestellt.

Figur 2 zeigt beispielsweise den Winkel (1) mit den Zwischenwänden (7a) und (7b), welche aus einem Stück gearbeitet sind. Die Zwischenwände (7a) und (7b) weisen Durchbrüche auf, die eine ungehinderte Ausbreitung der Resonatormode oder der Laserstrahlung entlang der Achse des Winkels ermöglichen. Vorder- und rückseitig können mit dem Winkel abschliessend entweder Wände ebenfalls aus dem gleichen Stücke oder, wie gezeichnet, verschraubte Platten (4) und (12) angebracht werden, welche dem Winkel weitere Stabilität verleihen.

An diese Halteplatten und Zwischenwände können nun flächig Halte- und Justierelemente angebracht werden, z. B. durch Verschraubungen. Hierdurch ist eine maximale Stabilität dieser Elemente zueinander gewährleistet wie auch eine gute Wäirneabfuhrung eventueller Wärmequellen über den flächigen Kontakt mit der Zwischenwand. Auf diese Wiese dient der Winkel gleichzeitig als thermische Masse und Kühlkörper, wodurch die kühlbare thermische Last insbesondere durch die damit einhergehende Längenausdehnung und mögliche Dejustage der Elemente beschränkt ist, die bei dieser Anordnung jedoch minimiert ist.

Diese Anbringung der Resonatorelemente ist in Figur 1 verdeutlicht. In der ersten Zwischenwand (7) ist ein Laserkristall (6) eingebracht, welcher in einer Buchse (5) gehaltert ist. Das Material dieser Buchse ist so gewählt, dass die Temperatur des Laserkristalle optimal so ist, dass durch die induzierte thermische Linse eine Fokussierung der Resonatormode am Ort des Frequenzver- dopplerkristalles (8) erfolgt und dadurch zu einer erhöhten Leistungsdichte, woraus eine höhere Frequenzkonversion erfolgt. Der Frequenzverdoppler (8) ist seinerseits in einer Halte- und Justagevomchtung 9 aufgenommen, welche eine Justage senkrecht zur Strahlrichtung (diese ist eine Achse, welche durch alle optischen Elemente (6), (8) und (11) läuft) in zwei Richtungen sowie eine Verkippung in zwei Richtungen senkrecht zur Strahlachse sowie eine Drehung um die Strahlachse ermöglicht. Auf diese Weise kann sowohl der Phasenanpassungswinkel als auch die Polarisationsrichtung und die optische Senkrechtstellung des Kristalles erfolgen. Der Frequenzverdoppler kann zusätzlich über ein Peltierelement 10 geheizt oder gekühlt werden, wobei die Abwärme des Peltierelementes beispielsweise auf die Halte- und Justagevor- richtung 9 und an auf die Zwischenwand (7b) übertragen wird; alternative Möglichkeiten des Wärmetransportes sind natürlich auch möglich.

Am rechten Ende des Winkels in Figur 2 befindet sich eine angeschraubte Platte 12, welche auch als Endwand eines aus einem Stück gefertigtem Winkelkörpers wie die Wände (7a) und (7b) ausgeführt sein kann. An diese Wand ist eine Halte- und Justagevomchtung 16 angebracht, welche den Laserspiegel 11 trägt und eine Verkippung desselben sowie Verschiebung senkrecht zur Strahlachse in zwei Richtungen ermöglicht. Am linken Ende des Winkels ist ebenso eine Platte (4) angebracht, welche ebenfalls eine feste Wand des Winkels sein kann, an welcher über eine Halte- und Justagevomchtung 14 eine Linse (3) zur Fokussierung der Pumplichstrahlung angebracht ist. Diese Linse (3) befindet sich in einer Hülse 2, welche einseitig ein Schraubgewinde zur Aufnahme eines Lichtleiters aufweist, über welchen die Pumplichstrahlung an den Laserkristall angekoppelt wird. Die dem Laserspiegel (11) abgewandte Seite des Laserkristalles (6) trägt eine optische Beschichtung (17), welche als zweiter Laserspiegel dient und gleichzeitig das Pumplicht transmittieren lässt. Beide Spiegel (17) und (11) sind vorzugsweise hochreflektierend für die Grundwellenlänge ausgeführt, Spiegel (11) zudem hochtransmittierend für die frequenzverdoppelte Laserstrahlung. Die Beschichtung (17) ist weiterhin hochtransmittierend für die Pumplichtstrahlung und transmittierend oder aber reflektierend für die frequenzverdoppelte Laserstrahlung.

Im Winkel (1) sind Öffnungen (13a), (13b), ... vorgesehen, welche die Durchführung elektrische Kontakte beispielsweise für das Peltierelement (10) oder für Temperatursensoren, die mit dem Frequenzverdoppler oder dem Laserkristall in Verbindung stehen, ermöglichen.

Der Winkel kann, wie in Figur 2 angedeutet, durch eine Staubschutzhaube (18) abgedichtet werden, so dass kein Staub in das innere des Resonators eindringen kann. Die Staubschutzhaube (18) kann hierbei an den Kontaktflächen zum Winkel (1) entweder mit Dichtlippen versehen oder entsprechend gebogen sein, um einen optimalen Staubschutz zu gewährleisten. Um eine Justage der Resonatorelemente auch bei geschlossener Staubschutzhaube zu ermöglichen, könne in diese Öffnungen (18a), (18b), (18c) ... eingebracht sein, welche den jeweiligen Justierschrauben der Haltevorrichtungen (4), (9) oder (16) korrespondieren und die Einführung eines Justierwerkzeuges erlauben. Nach beendeter Justage werden diese Öffnungen durch Aufkleber, Stöpsel o.a. verschlossen.

Der den Resonator tragende Winkel (1) wird unterseitig so bearbeitet, dass er auf genau drei kleinen Flächen oder Punkten auf einer ebenen Fläche aufliegt, so dass bei einer Befestigung auf einer Platte o.a. keine Verspannung des Winkels auftritt.

Diese so aufgebaute und staubgesicherte Resonatorstruktur (26) wird, wie in Figur 3 skizziert, in ein Übergehäuse eingebracht, in welchem zusätzlich zum Resonator (26) auch weitere für den Laser erforderliche Elemente wie Elektronikplatinen (24), Strahldiagnoseeinrichtungen (23) (bspw. zur Messung der Laserleistung oder des Laserrauschens) angeordnet sind. Das Übergehäuse besteht aus einer Bodenplatte (20), einer Frontplatte (27), einer Rückplatte (19) sowie einem Deckel (25). Alle Teile des Gehäuses sind vorzugsweise aus leitfähigem Material zu fertigen (bspw. Aluminium), so dass für den Laser und die Elektronik eine gute Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung gegeben ist. In der Vorder- oder Rückwand können elektrische Anschlüsse (22) für die Elektronikplatine vorgesehen sein. Weiter ist ein Lichtleiter (28) durch eine der Wände des Gehäuses durchgeführt, der an die Buchse (2) angeschlossen ist. Um den Lichtleiter vor einer Demontage von aussen zu schützen und eine feste, von aussen nicht lösbare Verbindung mit dem Laser zu gewährleisten, ist eine Buchse (21) über das Ende des Lichtleiters geführt und fest mit dem Gehäuse (bsp. Rückplatte (19)) verschraubt, so dass die Schraub Verbindung des Lichtleiters selbst von aussen nicht zugänglich ist.

In vielen Fällen ist es notwendig, einen Teil der Laserstrahlung über eine Photodiode einer Elektronikplatine zur Leistungsstabilisierung, Rauschrege- lung o.a. zuzuführen. Hierzu wird in der beschriebenen Anordnung die Sfrahldiagnoseeinrichtung (23) wie in Figur 4 beschrieben aufgebaut:

Der aus dem Resonator (26) austretende Laserstrahl trifft auf eine Strahlteilerplatte (32), welche so beschichtet ist, dass ein Teil (31) des Strahles reflektiert wird, der überwiegende Teil (30) aber die Strahlteilerplatte durchtritt. Die Beschichtung ist dabei so ausgelegt, dass je nach Lage der Polarisation der Laserstrahlung durch Drehung der Platte der Reflexionsgrad variiert werden kann. Der ausgekoppelte Strahl (31) trifft zunächst auf ein Filter (33), welches die Laserstrahlung von anderer Strahlung durch Wellenlängenselektion trennt (dielektrisches Filter und/oder Absorptionsfilter). Daraufhin trifft der Strahl auf eine Platte oder Folie (34), welche als Streuscheibe dient. Diese ist vorzüglich aus Keramik oder Teflon, was eine besonders gute Streuung des Strahles bewirkt. Die Streuung ist notwendig, um Inhomogenitäten im Strahl (31) zu Verschmieren und gleichzeitig Intensitätsschwankungen aufgrund kohärenter Effekte (Speckies) zu vermindern, so dass keine künstlichen Fluktuationen am Ort der Photodiode (38) entstehen. Die Photodiode ist beispielsweise an einer Platine (35) befestigt, welche mit der Strahldiagnoseeinrichtung über eine Halteschraube (36) verbunden ist. Über die Platine und einem Kabel erfolgt die elektrische Kontaktierung zu Elektronikplatine (24).

Die Strahldiagnoseeinheit (23) ist zur genauen Einstellung eines definierten Pegels an der Photodiode (38) an der Frontplatte (27) sowohl drehbare (wegen der polarisationsabhängigen Reflexion der Strahlteilerplatte (33)) als auch in zwei Achsen senkrecht zur Strahlachse verschiebbar angeordnet.

Zusätzlich zu den beschriebenen Elementen könne in dem aus (25), (20), (27) und (19) bestehenden Gehäuse noch weitere Elemente angebracht werden, sei es im oder ausserhalb des Strahlenganges. Vorteilhaft ist beispielsweise (wie in Figur 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mehr eingezeichnet) die Anbringung einer Linse oder einer Linsenanordnung im Laserstrahl (29) oder (30) zur Aufweitung oder Fokussierung des Laserstrahles, welche gegebenenfalls senkrecht zur optischen Achse in zwei Richtungen verschoben werden kann, um eine Korrektur der Strahlausrichtung zum Gehäuse zu erlauben, und/oder einer Planplatte, welche eine Korrektur der Strahlhöhe und des Seitenversatzes bei Drehung um zwei Achsen senkrecht zur optischen Achse ermöglicht. Beide Funktionen, Seitenversatzkorrektur und Strahlausrichtung, kann auch durch eine im Strahl (29) oder (30)9 befindlichen Keilplatte erfolgen, welche sowohl um zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse verschiebbar als auch drehbar ist.

Abschliessend ist anzumerken, dass, wie eingangs erwähnt, neben den in den Zeichnungen dargestellten Winkeln auch U-Profile verwendet werden können. Weiter ist zu vermerken, das die Winkel oder U-Profile nicht nur in linearer Anordnung verwendet werden können. Bei Resonatorstrukturen, die eine nichtlineare, beispielsweise zweidimensionale Anordnung (beispielsweise V- oder Z- Anordnung) aufweisen, ist diese Konstruktion ebenfalls anwendbar. Beispielhaft ist in Figur 5 eine Anordnung für einen V-Resonator skizziert.