DE4228541C1 - Laser diode pumped solid-state ring laser - uses laser crystals with anti-reflective input and output surfaces and highly reflective reflection surfaces - Google Patents

Laser diode pumped solid-state ring laser - uses laser crystals with anti-reflective input and output surfaces and highly reflective reflection surfaces

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Abstract

The laser has solid-state material which is optically stimulated via longitudinal pumping light to provide single-mode operation, the laser resonator comprising a number of laser crystals (11) and intermediate optical elements for stabilisation and/or modulation of the laser frequency. The laser resonator pref. has 3 rectangular NdYAG crystals arranged in a triangle, with anti-reflective input and output surfaces and reflection surfaces which are highly reflective for the laser wavelength, the laser radiation fed out via a partially reflective beam splitter plate (12). Pref. the pumping radiation of the laser diodes (14) is fed to the reflection surfaces of the laser crystals via focussing lenses. ADVANTAGE - Provides longitudinal single-mode operation with unidirectional wave propagation.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkör­ perringlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a solid body pumped by laser diodes perring laser according to the preamble of claim 1.

Ein gattungsgemäßer Festkörperringlaser, dessen Resonator aus mehreren Laserkristallen besteht, die räumlich so zueinander ausgerichtet sind, daß sie einen ringförmig geschlossenen Strahlengang ermöglichen, ist aus der DE 40 08 226 A1 bekannt.A generic solid-state ring laser, the resonator of which consists of several laser crystals exists that are spatially aligned to each other so that they are one enable ring-shaped closed beam path is from the DE 40 08 226 A1 known.

Solche Laserdioden-gepumpte Festkörperlaser bieten neben einer hohen Ef­ fizienz - die bis zum Zehnfachen gegenüber herkömmlichen Technologien erbringt - auch noch Kompaktheit und Wartungsfreiheit. Derartige Laser werden zum Beispiel in der Laserkommunikation - sei es über Glasfaser oder im Weltraum zwischen zwei Satelliten - sowie für viele Arten von Messungen, wie beispielsweise für Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen, kohärentes LIDAR und Holographie benötigt.Such laser diode-pumped solid-state lasers offer not only a high Ef efficiency - up to ten times more than conventional technologies provides - also compactness and freedom from maintenance. Such lasers are used, for example, in laser communication - be it via fiber optics or in space between two satellites - as well as for many types of Measurements, such as for distance and speed measurements, coherent lidar and holography needed.

Aufgrund des im Vergleich mit konventionellen, lampengepumpten Festkör­ perlasern wesentlich vorteilhafteren Energieschemas und der Möglichkeit, die Pumpstrahlung in das Modenvolumen zu fokussieren, bietet diese La­ serpump-Konfiguration für einen Einmodenbetrieb besonders gute Voraus­ setzungen. Das Problem der Single-Frequency-Laser liegt in den räumli­ chen Inhomogenitäten des Laserverstärkungsprofils ("spatial hole bur­ ning"), hervorgerufen durch die Ausbildung von sogenannten "Knoten und Bäuchen" bei einer stehenden Welle. Um dies zu vermeiden wird beim all­ gemeinen Stand der Technik - wie in Fig. 4a veranschaulicht - in einem ringförmigen Resonator eine umlaufende Welle mit unidirektionaler Aus­ breitungsrichtung erzeugt. Diese Wellenausbreitung wird in den meisten Fällen durch die Kombination eines Polarisators, eines λ/2-Plättchens und eines Faraday-Rotators erreicht.Due to the much more advantageous energy scheme compared to conventional lamp-pumped solid state lasers and the possibility of focusing the pump radiation into the mode volume, this laser pump configuration offers particularly good conditions for single-mode operation. The problem of single-frequency lasers lies in the spatial inhomogeneities of the laser gain profile ("spatial hole bur ning"), caused by the formation of so-called "nodes and bellies" in a standing wave. In order to avoid this, in the general prior art - as illustrated in FIG. 4a - a rotating wave with a unidirectional direction of propagation is generated in an annular resonator. This wave propagation is achieved in most cases by the combination of a polarizer, a λ / 2 plate and a Faraday rotator.

Durch die Druckschrift "T. J. Kane, R. L. Byer - Opt.Lett. 10,2 (1985) 65" ist ein Laserdioden-angeregter monolithischer Ringlaser bekanntge­ worden, bei dem durch eine nichtplanare Ausbreitung der Resonanzmoden eine Polarisation des Laserlichtes erreicht wird. Durch ein transversal angelegtes Magnetfeld wird der Laserkristall selbst zu einem Faraday-Ro­ tator, da die materialspezifische Verdet-Konstante ausreichend groß ist, um eine Drehung der Polarisation zu erzeugen. Daher erfährt die im Uhr­ zeigersinn umlaufende Mode, zumindest im Bereich kleiner Ausgangslei­ stungen, so starke Verluste, daß der Laser nur in der entgegengesetzten Umlaufrichtung oszilliert. Dieser monolithische Ringlaser wird von der Frontseite her mit einer einzigen Laserdiode optisch gepumpt. Weiterge­ hende für den Einmodenbetrieb geeignete Pumpmöglichkeiten bestehen aber nicht.Through the publication "T. J. Kane, R. L. Byer - Opt.Lett. 10.2 (1985) 65 "is a laser diode-excited monolithic ring laser been caused by a non-planar propagation of the resonance modes polarization of the laser light is achieved. Through a transversal  If the magnetic field is applied, the laser crystal itself becomes a Faraday Ro tator, since the material-specific Verdet constant is sufficiently large, to create a rotation of the polarization. Therefore, it finds out in the clock Circumferential fashion, at least in the area of small output lines losses so strong that the laser only in the opposite Orbital direction oscillates. This monolithic ring laser is made by Front optically pumped with a single laser diode. Passed on However, there are suitable pump options for single-mode operation Not.

Eine andere - bisher nur bei Flüssigkeitslasern angewandte - Methode, die unidirektionale Wellenausbreitung zu erreichen, besteht darin, in den Strahlengang des Ringresonators eine teilweise reflektierende Strahltellerplatte einzusetzen und diese mit einem hochreflektierenden Spiegel zu kombinieren. Diese Methode wurde in "IEEE J.Qe-9, 245 (1973), von G. Marowsky" veröffentlicht (siehe Fig. 4c).Another method - previously only used with liquid lasers - to achieve unidirectional wave propagation is to insert a partially reflecting plate plate in the beam path of the ring resonator and to combine it with a highly reflecting mirror. This method was published in "IEEE J.Qe-9, 245 (1973) by G. Marowsky" (see Fig. 4c).

Dabei wird ein Teil des gegen den Uhrzeigersinn umlaufenden Lichtes über den Spiegel in die im Uhrzeigersinn laufende Mode reflektiert. Daher sind die Verluste für die beiden sich entgegengesetzt ausbreitenden Mo­ den unterschiedlich groß, die Differenz zwischen den Verlusten der bei­ den Moden wird durch den Reflexionsgrad des Strahlteilerplättchens be­ stimmt.Part of the counter-clockwise light is over reflects the mirror in the clockwise fashion. Therefore are the losses for the two oppositely spreading Mo the different sizes, the difference between the losses of the The modes are determined by the reflectance of the beam splitter plate Right.

Laser nach der eingangs beschriebenen Art des laserdiodengepumpten nonplanaren monolithischen Ringlasers können augenblicklich nur mit einer Ausgangsleistung von einigen 100 mW betrieben werden. Der Grund für die­ se Beschränkung ist zum einen darin zu sehen, daß Pumpstrahlung von nur einer einzigen Laserdiode longitudinal eingekoppelt werden kann, zum an­ deren ist die zum Eigenfrequenzbetrieb nötige Polarisationsdrehung bei höheren Laserleistungen nicht mehr ausreichend, um eine unidirektionale Modenausbreitung zu gewährleisten. Die bei der vorgegebenen lasermate­ rialspezifischen Verdet-Konstante notwendigen magnetischen Felder müßten unpraktikabel groß gemacht werden, um eine hinreichende Polarisations­ drehung und damit ausreichende Resonatorverluste für die unerwünschte Ausbreitungsrichtung zu erzeugen.Laser according to the type of laser-diode-pumped nonplanar described above monolithic ring lasers can currently only be used with one Output power of some 100 mW can be operated. The reason for that One limitation is the fact that pump radiation of only a single laser diode can be coupled longitudinally to the whose is the polarization rotation necessary for natural frequency operation higher laser powers are no longer sufficient to achieve a unidirectional  To ensure mode spread. The at the given laser mat rial-specific Verdet constant necessary magnetic fields be made impractical large enough to provide sufficient polarization rotation and thus sufficient resonator losses for the unwanted To generate direction of propagation.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper­ laser der eingangs genannten Art zu schaffen, der frei von den vorge­ nannten Fehlern des Standes der Technik ist und sowohl eine Erhöhung der Ausgangsleistung bei bestmöglicher Pumpeffizienz erbringt als auch eine thermische Oberlastung des Laserkristalls verhindert.The present invention has for its object a solid to create lasers of the type mentioned that are free of the pre called errors of the prior art and both an increase in Output power with the best possible pump efficiency provides as well thermal overload of the laser crystal prevented.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Welterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le erläutert. Diese Erläuterungen werden durch die Figuren der Zeichnung ergänzt. Es zeigen:This object is achieved by the measures outlined in claim 1 solves. Refinements and world education are in the subclaims specified and in the following description are exemplary embodiments le explained. These explanations are given by the figures of the drawing added. Show it:

Fig. 1 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles eines aus drei qua­ derförmigen Kristallen bestehenden Ringresonators mit Strahl- Auskopplung und eingezeichnetem Strahlengang, Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment of a three existing qua derförmigen crystals ring resonator with beam outcoupling and eingezeichnetem beam path,

Fig. 2 ein Schemabild eines aus drei Kristallen bestehenden Ringresona­ tors, bei dem die Reflexionsfläche eines Laserkristalls als sphärische Fläche ausgeführt ist, Fig. 2 is a schematic diagram of a three ring resonators crystals existing tors, wherein the reflecting surface of the laser crystal is designed as a spherical surface,

Fig. 3 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles eines aus drei penta­ gonförmigen Kristallen gebildeten Prismen-Ringresonator mit Strahlauskopplung und dem Strahlengang eines gleichseitigen Dreieckes, Fig. 3 is a schematic diagram of an embodiment of a three-formed crystals gonförmigen penta prism with beam decoupling ring resonator and the optical path of an equilateral triangle,

Fig. 4a ein Schemabild eines Ringresonators mit Faraday-Rotator gemäß dem Stand der Technik, FIG. 4a is a schematic diagram of a ring resonator with a Faraday rotator according to the prior art,

Fig. 4b ein Schemabild eines monolithischen nonplanaren Ringresonators gemäß dem Stand der Technik, FIG. 4b is a schematic diagram of a monolithic non-planar ring resonator of the prior art,

Fig. 4c ein Schemabild eines Flüssigkeits-Ringlasers mit Auskopplung und Erzeugung der unidirektionalen Wellenausbreitung über ein Strahltellerplatte gemäß dem Stand der Technik, Fig. 4c is a schematic diagram of a liquid ring laser with extraction and production of the unidirectional wave propagation through a beam splitter plate according to the prior art,

Fig. 4d ein Diagramm der spektralen Oberlappung von Pumplicht und Laser­ resonator-Modenvolumen. Fig. 4d is a graph of the spectral Oberlappung pump light and laser resonator mode volume.

Bei dem in Fig. 1 veranschaulichen Ausführungsbeispiel werden drei Nd:YAG-Kristalle 11 quaderförmig geschliffen und in Form eines Dreieckes angeordnet. Die Ein- bzw. Austrittsflächen sowie die Reflexionsflächen an den Hinterkanten der einzelnen Kristallvierecke 11 sind poliert. Alle Ein- bzw. Austrittsflächen weisen eine für die Laserwellenlänge - unter dem jeweiligen Ein- bzw. Austrittswinkel - antireflektierende Beschich­ tung auf, die Reflexionsflächen der Kristalle 11 sind hochreflektierend für die Laserwellenlänge und hochtransmittierend für die Pumplichtwel­ lenlänge beschichtet. Die Auskopplung der in der Fig. 1 im Uhrzeigersinn umlaufenden Mode erfolgt über die unter 45° angeordnete teilweise re­ flektierende Strahlteilerplatte 12. Die gegen den Uhrzeigersinn umlau­ fende Mode wird durch den Spiegel 13 in den Laser zurückgeworfen und gleicht so die Auskoppelverluste der im Uhrzeigersinn laufenden Mode aus. Dadurch ist es möglich, alleine durch Austausch der Strahlteller­ platte 12 den Auskoppelgrad des Lasers zu variieren, während die Laser­ kristalle alle gleich beschichtet sind, die gleiche Form haben und somit kostengünstig herzustellen sind. Die Ankopplung der Laserdioden 14 er­ folgt unter einem Winkel α zur Flächennormalen der Reflexionsflächen über eine Kollimations- und Fokussleroptik 15.In the embodiment illustrated in FIG. 1, three Nd: YAG crystals 11 are cut cuboid and arranged in the form of a triangle. The entry and exit surfaces as well as the reflection surfaces on the rear edges of the individual quadrilaterals 11 are polished. All entry and exit surfaces have an anti-reflective coating for the laser wavelength - at the respective entry and exit angles, the reflection surfaces of the crystals 11 are highly reflective for the laser wavelength and highly transmissive for the pump light wavelength. The coupling in the clockwise direction in FIG. 1 takes place via the partially re-reflecting beam splitter plate 12 arranged at 45 °. The anti-clockwise mode is reflected by the mirror 13 back into the laser and thus compensates for the coupling losses of the clockwise mode. This makes it possible to vary the outcoupling level of the laser by simply replacing the beam plate 12 , while the laser crystals are all coated the same, have the same shape and are therefore inexpensive to manufacture. The coupling of the laser diodes 14 takes place at an angle α to the surface normal of the reflection surfaces via a collimation and focuser optics 15 .

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform mit drei Laserkristallen 11a bis 11c abgebildet, bei der die Reflexionsfläche eines Laserkristalls 11a als sphärische Fläche ausgeführt ist, um einen Laserresonator mit gekrümmten Spiegel zu erzeugen. Ein derartiger Laserresonator befindet sich im Sta­ bilitätsdiagramm für optische Resonatoren weit weg vom Bereich der In­ stabilität und besitzt daher eine geringere Justierempfindlichkeit.In FIG. 2, an embodiment with three laser crystals 11 a is ready to c to 11, wherein the reflecting surface of a laser crystal a spherical surface 11 is formed as to generate a laser resonator with a curved mirror. Such a laser resonator is located in the stability diagram for optical resonators far from the area of instability and therefore has a lower sensitivity.

In Fig. 3 ist nun eine Ausführungsform 100 mit drei pentagonförmigen La­ serkristallen 111 dargestellt, bei denen der Laserstrahl senkrecht zur Oberfläche aus den Kristallen 111 austritt.In Fig. 3 there is shown an embodiment 111 100 pentagon-shaped with three La serkristallen in which the laser beam emerges perpendicularly to the surface of the crystals 111.

Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen ist ein Festkörper-Ringlaser mit einem Resonator aus mehreren Laserkristallen geschaffen worden, zwischen denen zusätzlich noch optische Elemente - beispielsweise elektrooptische Phasenmodulatoren - zur Laserfrequenzstabilisierung oder -modulation einbringbar sind und dieser Laser so konzipiert ist, daß er ohne weitere Maßnahmen im longitudinalen Einmodenbetrieb bei unidirektionaler Wellen­ ausbreitung oszilliert.A solid-state ring laser is included with the measures described above a resonator was created from several laser crystals, between which additionally optical elements - such as electro-optical Phase modulators - for laser frequency stabilization or modulation can be introduced and this laser is designed so that it can be used without any further Measures in longitudinal single-mode operation with unidirectional waves propagation oscillates.

Claims (5)

1. Laserdioden-gepumpter Festkörperringlaser, dessen Festkörpermaterial optisch angeregt wird und bei dem das Pumplicht longitudinal im Einmoden­ betrieb in den Festkörper eingestrahlt wird, wobei der Resonator des Festkörperlasers (10) aus mehreren Laserkristallen (11) besteht, zwischen denen optische Elemente zur Laserfrequenzstabilisierung und/oder -modu­ lation einbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß deren Ein- oder Austrittsflächen antireflektierend, die Reflexionsflächen jedoch hochreflektierend für die Laserwellenlänge beschichtet sind, und daß die Auskopplung der Laserstrahlung über eine teilweise reflektierende Strahlteilerplatte (12) aus dem Ringreso­ nator erfolgt, während die in entgegengesetzter Richtung reflektierte über einen vollreflektierenden Spiegel (13) in den Ringresonator zurück­ reflektiert wird, so daß der Laser unmittelbar im longitudinalen Einmoden­ betrieb bei unidirektionaler Wellenausbreitung oszilliert.1. Laser diode-pumped solid-state ring laser, the solid material of which is optically excited and in which the pump light is irradiated longitudinally in single-mode operation into the solid, the resonator of the solid-state laser ( 10 ) consisting of a plurality of laser crystals ( 11 ), between which optical elements for laser frequency stabilization and / or -modu lation can be introduced, characterized in that the entrance or exit surfaces are coated anti-reflective, but the reflective surfaces are highly reflective for the laser wavelength, and that the coupling of the laser radiation via a partially reflecting beam splitter plate ( 12 ) from the ring resonator takes place while which is reflected in the opposite direction via a fully reflecting mirror ( 13 ) is reflected back into the ring resonator, so that the laser oscillates directly in longitudinal single mode with unidirectional wave propagation. 2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung der Laserdioden (14) jeweils über eine Fokussieroptik (15) unter einem Winkel α durch die Reflexionsflächen der Laserkri­ stalle (11) eingestrahlt werden.2. Solid-state laser according to claim 1, characterized in that the pump radiation of the laser diodes ( 14 ) each via a focusing optics ( 15 ) at an angle α through the reflection surfaces of the Laserkri stall ( 11 ) are irradiated. 3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkristalle (11) prismenförmig ausgebildet sind und jedem La­ serkristall (11) zwei Laserdioden (14) mit jeweils einer Fokussieroptik als Pumplichtquelle zugeordnet sind. 3. Solid-state laser according to claim 1 or 2, characterized in that the laser crystals ( 11 ) are prism-shaped and each laser crystal ( 11 ) is assigned two laser diodes ( 14 ), each with focusing optics as a pump light source. 4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der Reflexionsflächen der Festkörperkristalle (11) als sphärische Fläche ausgebildet ist.4. Solid-state laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that one of the reflection surfaces of the solid-state crystals ( 11 ) is designed as a spherical surface. 5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pumpbereiche der einzelnen Laserdioden (14) so gelegt werden, daß sie im Laserkristall (11) räumlich voneinander ge­ trennt zu liegen kommen.5. Solid-state laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pumping areas of the individual laser diodes ( 14 ) are placed so that they come to lie spatially separated from each other in the laser crystal ( 11 ).
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