KURZER FESTKÖRPERLASER

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser mit einem Resonator, welcher als aktives Lasermedium zur Ausbildung von Laserstrahlung ein erstes dotiertes YAG- Material , als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG- Material , einen ersten Endspiegel , der von einer Beschichtung des ersten dotierten YAG-Materials auf der vom zweiten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet wird, und einen zweiten Endspiegel aufweist , der von einer Beschichtung des zweiten dotierten YAG-Materials auf der vom ersten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet wird, wobei Pumpstrahlung zum Pumpen des Lasermediums durch den ersten Endspiegel einstrahlbar ist , wobei eine zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material angeordnete Beschichtung vorgesehen ist , welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung zumindest teildurchlässig ist , wobei die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung mindestens 5% beträgt .

Kurze Festkörperlaser sind meist in Form von Mikrochip-Lasern ausgebildet , welche einen monolithisch ausgebildeten Resonator aufweisen, d . h . die Komponenten des Resonators sind stof f schlüssig miteinander verbunden . Meist handelt es sich hierbei um passiv gütegeschaltete Laser, um gepulste Laserstrahlung aus zubilden, wobei der sättigbare Absorber häufig von einem SESAM gebildet wird . Üblicherweise werden Mikrochip-Laser mittels Laserdioden gepumpt . Die Abmessungen eines solchen Mikrochip-Lasers hängen von den verwendeten Materialien und der Konfiguration ab. Als Lasermedium kommen beispielsweise Yb:YAG, Nd:YVO ₄ oder Nd:YAG in Frage.

Ein Festkörperlaser, bei dem das Lasermedium von Nd:YAG und der sättigbare Absorber von Cr ⁴⁺ :YAG gebildet wird, geht beispielsweise aus Zayhowski J.J. und Wilson A.L. „Short- pulsed Nd : YAG/Cr ⁴⁺ : YAG passively Q-switched microchip lasers", OSA/CLEO 2003 hervor. Ein erster Endspiegel wird von einer Beschichtung des ersten dotierten YAG-Materials auf der vom zweiten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet und ein zweiter Endspiegel wird von einer Beschichtung des zweiten dotierten YAG-Materials auf der vom ersten dotierten YAG-Material abgelegenen Seite gebildet, wobei Pumpstrahlung zum Pumpen des Lasermediums durch den ersten Endspiegel einstrahlbar ist. Es werden verschiedene mögliche Konfigurationen genannt, welche zu unterschiedlichen Pulsweiten und Pulsenergien führen. In der kürzesten Konfiguration beträgt die Länge des Lasermediums 1 mm und die Länge des sättigbaren Absorbers ebenfalls 1 mm, wobei eine Pulsweite von 169 ps und eine Pulsenergie von 29 pj erhalten wird .

Weitere Laser mit Nd:YAG als aktivem Lasermedium und Cr ⁴⁺ :YAG als sättigbarem Absorber gehen aus Rakesh Bhandari und Takunori Taira, „Palm-top size megawatt peak power ultraviolett microlaser", Optical Engineering 52 (7) , 076102 (July 2013) , aus der EP 3 694 062 Al und aus der EP 3 667 838 Al hervor. In der ersten dieser zuvor genannten Veröffentlichungen wird am Ausgang des Lasers eine Wellenlängenreduktion durchgeführt, bei der zweiten der zuvor genannten Veröffentlichungen wird am Ausgang eine Pulsweitenkompression durchgeführt und bei der dritten dieser Veröffentlichungen ist der Resonator als instabiler Resonator ausgebildet. Als weitere mögliche dotierte YAG-Materialien für das aktive Lasermedium sind Yb : YAG und Er:YAG genannt.

Mikrochip-Laser, welche als aktives Lasermedium ein Yttriumvanadat , insbesondere Nd ³⁺ :YVO ₄ , verwenden, unterscheiden sich in ihren Parameterbereichen wesentlich von Mikrochip-Lasern, welche als Lasermedium ein dotiertes YAG- Material verwenden. So sind die erreichbaren Pulsenergien wesentlich geringer (im nJ-Bereich) . Es sind wesentlich kürzere Abmessungen des Resonators erreichbar, beispielsweise von einigen 10 pm, wobei nochmals kürzere Pulsdauern, bis unter den 20 ps-Bereich erreicht werden können. Ein solcher Mikrochip-Laser geht beispielsweise aus Eva Mehner et al., „Sub-20-ps pulses from a passively Q-switched microchip laser at 1 MHz repetition rate", OPTICAL LETTERS, VOL.39, No. 10/May 15, 2014, Seite 2940-2943 hervor. Als sättigbarer Absorber wird bei derartigen Mikrochip-Lasern ein SESAM eingesetzt. Es ist angeführt, dass der SESAM mit einer hochreflektierenden Beschichtung für die Pumpstrahlung versehen ist, um eine Vorsättigung des SESAM durch die Pumpstrahlung zu verhindern.

Ein weiterer Mikrochip-Laser mit Nd ³⁺ :YVO ₄ als aktivem Lasermedium und einem SESAM zur Ausbildung eines sättigbaren Absorbers geht aus der EP 3 167 516 Bl hervor. Zwischen der Absorberschicht des SESAM und dem Laserkristall befindet sich eine Reflexionsschicht für die Pumpstrahlung, welche für den Laserstrahl zumindest teildurchlässig ist, z.B. zu 30%.

Ein Festkörperlaser der eingangs genannten Art geht aus der EP 4 120 014 Al hervor. Für das aktive Lasermaterial sind unterschiedlichste Materialien angeführt, u.a. auch Nd:YAG und Yb: YAG. Zwischen dem Lasermedium und dem Absorber ist eine Beschichtung angeordnet. Diese ist als hochreflektierend für die Pumpstrahlung und antiref lektierend für die Laserstrahlung angeführt , wobei aber auch eine teilreflektierende Ausbildung für die Laserstrahlung genannt ist . Der Resonator ist als instabiler Resonator ausgebildet . Es können dabei sehr hohe Pulsenergien erreicht werden . Es wird eine Pulsenergie von 13 , 2 mJ genannt , wobei die Pulsdauer und Pulswiederholrate mit 476 ps und 10 Hz angegeben sind .

Aufgabe der Erfindung ist es einen vorteilhaften Festkörperlaser der eingangs genannten Art bereitzustellen, der relativ hohe Pulsenergien bei kurzen Pulsdauern ermöglicht . Erfindungsgemäß gelingt dies durch einen Festkörperlaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .

Vorteilhafterweise können so hohe Pulsenergien erreicht werden, dass eine gewünschte Materialbearbeitung oder Gewebeabtragung ohne Nachverstärkung der Pulsenergie möglich ist .

Beim Festkörperlaser der Erfindung, der als aktives Lasermedium ein erstes dotiertes YAG-Material und als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG-Material aufweist , ist eine zwischen dem ersten dotierten YAG- Material , also dem aktiven Lasermedium, und dem zweiten dotierten YAG-Material , also dem sättigbaren Absorber, angeordnete Beschichtung vorgesehen, welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung zumindest teildurchlässig ist , wobei eine zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material angeordnete Beschichtung vorgesehen ist , welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50% reflektierend und für die Laserstrahlung zumindest teildurchlässig ist , wobei die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung mindestens 5% beträgt . Der Resonator ist als stabiler Resonator ausgebildet , wobei die Länge des Resonators weniger als 2 mm beträgt und die Länge des den sättigbaren Absorber bildenden zweiten dotierten YAG- Materials mehr als doppelt so groß ist wie die Länge des das aktive Lasermedium bildenden ersten dotierten YAG-Materials .

Es wurde festgestellt , dass bei einem Laser, der als Lasermedium ein erstes dotiertes YAG-Material und als sättigbaren Absorber ein zweites dotiertes YAG-Material aufweist , durch eine solche Beschichtung zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material die Pulsbreite weiter verringert werden kann . Eine Vorsättigung des vom zweiten dotierten YAG-Material gebildeten sättigbaren Absorbers aufgrund einer Einstrahlung von Pumplicht wird zumindest verringert .

Bevorzugterweise ist der Festkörperlaser in Form eines Mikrochip-Lasers ausgebildet . Der Laser weist also einen monolithisch ausgebildeten Resonator auf , d . h . die Komponenten des Resonators sind stof f schlüssig miteinander verbunden .

In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung beträgt die Reflexion der Laserstrahlung durch die genannte Beschichtung mindestens 10% . Die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung soll hierbei aber klein genug sein, sodass ein rein gepulster Betrieb des Festkörperlasers beibehalten wird .

Ein rein gepulster Betrieb des Festkörperlasers wird hierbei so verstanden, dass zwischen den einzelnen Pulsen im Wesentlichen keine Laserstrahlung emittiert wird, d . h . die Intensität der Laserstrahlung in der Mitte zwischen zwei Pulsen beträgt j edenfalls weniger als 0 , 1 b der Intensität der Laserstrahlung im Maximum eines j eweiligen Pulses .

Dadurch, dass von der Beschichtung der genannte Teil der Laserstrahlung reflektiert wird, bildet das erste dotierte YAG-Material mit dieser Beschichtung und dem ersten Endspiegel eine Art „Sub-Kavität" . Damit kann im Lasermedium eine Intensitätsüberhöhung der Laserstrahlung erreicht werden . Es ergibt sich dadurch ein Ef fekt wie bei einer höheren Verstärkung des Lasermediums bzw . einer Erhöhung des Emissionswirkungsquerschnitts c . Somit kann die Pulsrate erhöht werden . Bei einer gewissen gewünschten Gesamtenergie kann damit die pro Puls emittierte Energie verringert werden, wodurch sich Damage-Probleme durch die Laserstrahlung verringern . Dies ist insbesondere bei Yb : YAG vorteilhaft , da dieses Lasermedium einen vergleichsweise sehr niedrigen Emissionswirkungsquerschnitt besitzt .

Würde aber die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung zu groß ausgebildet , so könnte sich im Lasermedium eine kontinuierliche Emission von Laserstrahlung ausbilden, was unerwünscht ist . In konkreten Aus führungsbeispielen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung weniger als 50% , vorzugsweise weniger als 30% , besonders bevorzugt weniger als 20% beträgt , um den rein gepulsten Betrieb des Festkörperlasers zu gewährleisten .

Um eine kurze Pulsdauer zu erreichen, ist es bevorzugt , dass die Länge des Resonators weniger als 1 , 5 mm beträgt .

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Lasers mit der mehr als doppelt so großen Länge des sättigbaren Absorbers als die Länge des Lasermediums , insbesondere im Zusammenhang mit der Ausbildung der zuvor angesprochenen Sub-Kavität , kann eine gewisse Wellenlängenselektion für das Laserlicht erreicht werden, wie weiter unten genauer erläutert wird .

Die Laserstrahlung des erfindungsgemäßen Lasers weist zumindest im Wesentlichen nur einen einzigen longitudinalen Mode auf . Zumindest im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mehr als 95% der Energie der Laserstrahlung in diesem Mode enthalten ist .

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert . In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Aus führungsbeispiels für einen Festkörperlaser gemäß der Erfindung .

Insbesondere sind die Größenverhältnisse schematisiert dargestellt . So sind die Beschichtungen der Übersichtlichkeit halber wesentlich dicker dargestellt , als es den tatsächlichen Verhältnissen entspricht .

Von einer in der Figur nicht dargestellten Pumpstrahlungsquelle , welche in herkömmlicher Weise von einer Laserdiode bzw . einem Laserdioden-Array gebildet wird, wird Pumpstrahlung 1 , die in der Figur durch einen Pfeil angedeutet ist , in einen Resonator 2 des Festkörperlasers eingestrahlt . Der Resonator 2 weist als aktives Lasermedium ein erstes dotiertes YAG-Material 3 auf . Als sättigbarer Absorber weist der Resonator 2 ein zweites dotiertes YAG- Material 4 auf . Das erste dotierte YAG-Material 3 ist auf der vom zweiten dotierten YAG-Material 4 abgelegenen Seite mit einer Beschichtung versehen, welche einen ersten Endspiegel 5 des Resonators 2 ausbildet . Die Pumpstrahlung 1 wird durch diesen ersten Endspiegel 5 in das erste dotierte YAG-Material 3 eingestrahlt . Der erste Endspiegel 5 ist dazu für die Pumpstrahlung hochtransparent ausgebildet . Für die ausgebildete Laserstrahlung ist der erste Endspiegel 5 hochreflektierend ausgebildet .

Das zweite dotierte YAG-Material 4 ist auf der vom ersten dotierten YAG-Material 3 abgelegenen Seite mit einer Beschichtung versehen, welche einen zweiten Endspiegel 6 des Resonators 2 ausbildet . Durch diesen zweiten Endspiegel 6 erfolgt im Aus führungsbeispiel die Auskopplung der Laserstrahlung 7 , welche in der Figur durch einen Pfeil angedeutet ist . Beispielsweise ist der zweite Endspiegel 6 für die Laserstrahlung 7 zu etwa 50% reflektierend und zu etwa 50% transmittierend ausgebildet . Ein vorteilhafter Bereich für die Transmission kann zwischen 30 bis 70% , vorzugsweise zwischen 40 bis 60% liegen .

Beim ersten dotierten YAG-Material 3 handelt es sich im Aus führungsbeispiel um Yb : YAG . Auch andere dotierte YAG- Materialien können als aktives Lasermedium eingesetzt werden, wie dies an sich bekannt ist , beispielsweise Nd : YAG oder Er : YAG .

Im Aus führungsbeispiel beträgt die Wellenlänge der kontinuierlich eingestrahlten Pumpstrahlung 940 nm, was besonders für Yb : YAG zweckmäßig einsetzbar ist .

Bei der Pumpstrahlung handelt es sich ebenfalls um Laserstrahlung . Zur Unterscheidung von der vom Festkörperlaser emittierten Laserstrahlung wird die zum Pumpen des Lasers verwendete Strahlung in dieser Schri ft aber immer als Pumpstrahlung bezeichnet . Beim zweiten dotierten YAG-Material 4 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Cr ⁴⁺ :YAG. Auch andere dotierte YAG- Materialien können als sättigbarer Absorber eingesetzt werden, wie dies an sich bekannt ist, z.B. V:YAG. So ist beispielsweise die Kombination von Nd:YAG mit V : YAG oder Cr ⁴⁺ :YAG zweckmäßig.

Zwischen dem ersten dotierten YAG-Material und dem zweiten dotierten YAG-Material befindet sich eine Beschichtung 8, welche für die Pumpstrahlung zu mindestens 50%, vorzugsweise zu mindestens 75%, besonders bevorzugt zu mindestens 90% reflektierend ist. Noch bevorzugter ist ein Wert von mehr als 95%. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Reflexion der Beschichtung 8 für die Pumpstrahlung ca. 98%.

Für die Laserstrahlung ist die Beschichtung 8 teilweise durchlässig, teilweise reflektierend. Die Reflexion der Beschichtung 8 für die Laserstrahlung beträgt mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 10%, im Ausführungsbeispiel ca. 15%.

Durch die teilweise Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung 8 wird quasi eine „Sub-Kavität" für die Laserstrahlung zwischen dem ersten Endspiegel 5 und der Beschichtung 8 ausgebildet. In dieser Sub-Kavität befindet sich somit kein sättigbarer Absorber. Durch die Ausbildung einer solchen Sub-Kavität wird insgesamt eine Erhöhung der Verstärkung erreicht. Der Laser beginnt also bereits bei einer geringeren Anregung des aktiven Lasermediums zu lasern. Die Pulsrate wird damit höher. Bei einer bestimmten gewünschten Ausgangsenergie des Lasers kann somit die Energie pro Laserpuls geringer sein. Dadurch werden die Probleme durch Damage verringert. Die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung 8 soll aber klein genug sein, sodass ein rein gepulster Betrieb des Festkörperlasers erhalten bleibt . Würde die Reflexion zu hoch, könnte ein kontinuierliches Lasern im aktiven Lasermedium ausgelöst werden .

Je nach konkreter Konfiguration beträgt die Reflexion der Laserstrahlung durch die Beschichtung, um einen solchen rein gepulsten Betrieb des Festkörperlasers zu erhalten, weniger als 50% oder weniger als 30% oder weniger als 20% . Im Aus führungsbeispiel beträgt die Reflexion ca . 15% .

Die Pulslänge t _p der einzelnen Laserpulse beträgt im passiv gütegeschalteten Laser t _p = 1 , 76 * 2 * T _R /AR .

T _R ist hierbei die Round-Trip-Zeit in der Kavität und somit proportional zur Länge des Resonators 2 . AR ist die Modulationstief e des sättigbaren Absorbers , bezogen auf die Intensität und entspricht somit der Absorbtion des sättigbaren Absorbers (wenn man sonstige Verluste im Absorbermaterial vernachlässigt ) .

Um eine kurze Pulslänge zu erhalten, beträgt die Länge s des Resonators , gemessen parallel zur Achse des Laserstrahls , von der äußeren Oberfläche des ersten Endspiegels 5 bis zur äußeren Oberfläche des zweiten Endspiegels 6 , weniger als 2 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 , 5 mm .

Die Länge des ersten dotierten YAG-Materials 3 beträgt , insbesondere bei der Verwendung von Yb : YAG, vorteilhafterweise mehr als 0 , 05 mm, vorzugsweise mehr als 0 , 1 mm . Die Länge des zweiten dotieren YAG-Materials 4 beträgt, insbesondere bei der Verwendung von Cr ⁴⁺ :YAG, vorteilhafterweise mehr als 0,3 mm, bevorzugterweise mehr als 0, 5 mm.

Die Länge des den sättigbaren Absorber bildenden zweiten dotierten YAG-Materials 4 ist mehr als doppelt so groß wie die Länge des das aktive Lasermedium bildenden ersten dotierten YAG-Materials 3. Es wird dadurch die durch die Beschichtung 8 ausgebildete Sub-Kavität weniger als ein Drittel so lang wie der Resonator 2. Damit kann durch die größere Modenspreizung in der Sub-Kavität eine vorteilhafte Wellenselektion erreicht werden, also der Wellenlänge, bei welcher der Laser anläuft und damit die Laserstrahlung emittiert. In einer vorteilhaften Aus führungs form der Erfindung kann die Länge des zweiten dotierten YAG-Materials 4 mehr als dreimal so groß wie die Länge des ersten dotierten YAG-Materials 3 sein.

Im Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des ersten dotierten YAG-Materials 3 ca. 0,25 mm und die Länge des zweiten dotierten YAG-Materials 4 ca. 0,8 mm. Die Länge s des Resonators beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 1 mm bis 1,1 mm.

Die Dotierung des ersten dotierten YAG-Materials 3 beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 10% und die Dotierung des zweiten dotierten YAG-Materials 4 ist im Ausführungsbeispiel derart, dass die Transmission T _o 68% beträgt.

Im Falle der Verwendung von Yb : YAG als erstes dotiertes YAG- Material 3 beträgt die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung 1.030 nm. Die Laserstrahlung weist zumindest im Wesentlichen einen einzigen longitudinalen Mode auf, d.h. zumindest mehr als 95% der Energie der Laserstrahlung ist in einem einzelnen longitudinalen Mode enthalten .

Die Beschichtung 8 ist nach Art einer Bragg-Beschichtung ausgebildet , d . h . es werden wechselweise zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindi zes in einer Viel zahl von Schichten, beispielsweise 24 , aufgebracht , wie dies an sich bekannt ist . Um einer hohen Energie der Laserstrahlung widerstehen zu können, können hierzu Sili ziumdioxid und Hafniumoxid eingesetzt werden . Die Absorption der Laserstrahlung bei einem Durchlauf durch die Beschichtung 8 liegt günstigerweise unter 1 k» .

Die Beschichtung 8 wird auf eines der beiden dotierten YAG- Materialien 3 , 4 aufgebracht . Das andere dotierte YAG- Material 3 , 4 wird daran gebondet , beispielsweise durch Di f fusionsbonding .

Der Resonator ist somit monolithisch ausgebildet , d . h . die Komponenten des Resonators sind stof f schlüssig miteinander verbunden . Es handelt sich somit um einen Mikrochip-Laser .

Es ist grundsätzlich auch denkbar und möglich, Komponenten des Festkörperlasers gegeneinander zu verklemmen .

Durch einen erfindungsgemäßen Laser können Pulslängen von weniger als 200 ps , vorzugsweise weniger als 150 ps oder auch weniger als 100 ps erreicht werden (wobei die Pulslänge wie üblich als FWHM der Leistung bestimmt wird) .

Im Falle des Einsatzes von Nd : YAG als aktivem Lasermedium wird die Konfiguration des Lasers dazu führen, dass der Resonator länger als bei Yb : YAG ist , sodass im Vergleich zu Yb : YAG längere Pulse erhalten werden und auch mehrere longitudinale Moden erhalten werden können .

Der Resonator ist als stabiler Resonator ausgebildet . Die beiden Endspiegel 5 , 6 sind plan und das modenformende Element wird somit von der ausgebildeten thermischen Linse gebildet .

Mit einem erfindungsgemäßen Laser können Pulsenergien von mehr als 10 pj, vorzugsweise mehr als 30 pj erreicht werden .

Im Aus führungsbeispiel wurde für eine Pulsenergie von 30 pj Pumpstrahlung mit einer Pumpleistung von 3 W eingesetzt , welche im aktiven Lasermedium auf einen Durchmesser von 60 - 70 pm fokussiert wurde .

Anstelle einer Auskopplung der Laserstrahlung am zweiten Endspiegel könnte auch eine Auskopplung der Laserstrahlung am ersten Endspiegel vorgesehen sein, wobei die Pumpstrahlung und die Laserstrahlung im Weiteren durch einen dichroitischen Spiegel voneinander getrennt werden können .

Bei der Verwendung von Nd : YAG für das erste dotierte YAG- Material könnte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1 , 3 pm oder 1 , 44 pm erhalten werden . Damit werden augensichere Laser bei einer höheren Leistung als bei 1 , 064 pm möglich . Bei diesen Wellenlängen kann als sättigbarer Absorber vorteilhafterweise V : YAG eingesetzt werden . L e g e n d e zu den Hinweisziffern: Pumpstrahlung Resonator erstes dotiertes YAG-

Material zweites dotiertes YAG-

Material erster Endspiegel zweiter Endspiegel Laserstrahlung Beschichtung