Nikolaus Dipl Phys Schmitt

Microcrystal Lasers for the Generation of Tunable Synthetic Wavelength in the Microwave Region

The characteristics of diode-pumped microcrystal lasers have been investigated intensively for the last 5 years. The frequency separation of longitudinal resonator modes is inversely proportional to the resonator length. If the mode separation exceeds at least half of the gain bandwidth of the laser transition, only one single longitudinal resonator mode is able to achieve gain. The laser will emit on a single longitudinal mode only for a suitable position of the resonator mode frequency near the maximum gain frequency (or generally, independent of the resonator frequency, if the mode separation exceeds the whole gain linewidth). Such lasers are called “microcrystal lasers” further on. The geometrical length of these resonators, which can be made of a polished monolithicalfy coated piece of a laser crystal, typically is lessthan lmm, which in this case is identical with the crystal thickness itself. Microcrystal lasers can be miniaturized in a very high grade by integrating them together with a pumping laser diode in a single hybrid chassis of about 25 mm square [1, 2].

Theoretische Beschreibung diodengepumpter Festkörperlaser

Unser Ziel in diesem Kapitel soll es sein, ausgehend von den Ratengleichungen, zunachst allgemeine Formulierungen fur die Ausgangsleistung, den differentiellen Wirkungsgrad und die Pumprate bzw. auch fur die absorbierte Pumpleistung an der Laserschwelle herzuleiten. Im Anschlus daran wird dann der beim Diodenpumpen besonders wichtige Fall des longitudinalen Pumpens detaillierter diskutiert, wobei auch die Problematik der besonders in Hinsicht auf die Selbstabsorption bei der Emissionswellenlange schwieriger anzuregenden Quasi-drei-Niveau-Laser behandelt wird. Weiterhin werden auch transversal und diskontinuierlich gepumpte Pulslaser erortert.

Single-frequency-Laser

Mit der Technologie der diodengepumpten Festkorperlaser ergeben sich gerade auch in Bezug auf monofrequente (“single-frequency”) Laser geringer Linienbreite und somit groser Koharenzlange sowie hoher Frequenzstabilitat neue Perspektiven. So konnen mit relativ einfachen Mitteln aufgrund der guten Uberlappung von Pumplicht- und Modenvolumen sowie durch die gute Anpassung der spektralen Pumplichtverteilung an die Absorption des Lasermaterials hohe Ausgangsleistungen monofrequenter Strahlung erzielt werden, wie es bisher mit lampengepumpten Lasern nicht oder nur unter erheblichem Aufwand moglich war. Die beim Diodenpumpen deutlich verringerten Leistungsschwankungen der Anregungsquelle sowie die geringere Warmelast im Laserkristall fuhren bereits ohne zusatzliche Stabilisierungsmasnahmen zu einer wesentlich erhohten Frequenzstabilitat, verglichen mit herkommlichen, lampengepumpten Systemen.

Festkörperlaser hoher Durchschnittsleistungen

Festkorperlaser mit grosen durchschnittlichen Ausgangsleistungen sind besonders fur die Materialbearbeitung von Bedeutung, z. B. zum Schweisen, Schneiden, Bohren oder auch Oberflachenharten. Dabei ist die relativ grose Absorption von Metallen im Wellenlangenbereich um 1 μm besonders interessant; diese kann etwa drei- bis funfmal groser als beim CO2-Laser (λ = 10.6 μm) sein. Eine Strahlfuhrung in Lichtwellenleitern ist sehr gut moglich, und es sind hohe Spitzenleistungen im Pulsbetrieb verfugbar.

Energietransfer und Effizienz

Diodengepumpte Festkorperlaser konnen einen sehr grosen Wirkungsgrad haben, wenn das Systemdesign entsprechend optimiert ist. Wie eingangs schon erwahnt, ist der Diodenlaser eine ideale Pumpquelle fur einen Festkorperlaser, wobei der Energietransfer von der elektrischen Energie in Laserstrahlung einen ganz wesentlichen Punkt darstellt. Fur die gunstige Energieumsetzung sind im einzelnen verantwortlich: a) der grose elektrisch-zu-optische Wirkungsgrad der Diodenlaser, b) die relativ gute Kollimier- und Fokussierbarkeit der Dioden-laserstrahlung, c) die optimale spektrale Anpassung der Diodenlaseremission an die Absorption des aktiven Mediums und d) die Moglichkeit, die Pumpwellenlange sehr nahe bei der Laserwellenlange zu wahlen.

Laser niedriger und mittlerer Ausgangsleistungen

Die Verwendung von Diodenlasern fur die Anregung von Festkorperlasern eroffnet sehr vielfaltige Moglichkeiten bei der Konstruktion von diodengepumpten Lasern. Dies zeigt sich besonders im Bereich kleiner und mittlerer Ausgangsleistungen, wo viele verschiedene Laser fur eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen entstanden sind. Ein wichtiges Entwicklungsziel ist dabei immer ein hoher Wirkungsgrad, wodurch sich dann meist auch andere positive Lasereigenschaften wie eine gute Strahlqualitat oder auch ein besonders kompakter Laseraufbau leichter erreichen lassen.

Nichtlineare Prozesse mit diodengepumpten Festkörperlasern

Aufgrund der mit den diodengepumpten Lasern erreichbaren hohen Strahlqualitat lassen sich optisch nichtlineare Prozesse sehr effizient durchfuhren, da hierfur grose Leistungsdichten und grose Wechselwirkungslangen wie auch stabile single-frequency-Laserstrahlung von wesentlichem Vorteil sind. Dies ist gerade im unteren Leistungsbereich, bei Lasern mit kleineren Durchschnittsleistungen, von Bedeutung. Infolgedessen sind zahlreiche neue Konfigurationen entstanden, nicht zuletzt beeinflust auch durch bessere optisch nichtlineare Materialien. Von den vielen sich hierbei ergebenden Moglichkeiten soll im folgenden zunachst die besonders haufig angewandte Frequenzverdopplung diskutiert werden. Hierfur bieten sich bei Lasern niedrigerer Ausgangsleistungen, d. h. insbesondere auch bei kontinuierlich gepumpten Lasern, zwei Methoden an, die denjenigen des resonanten Pumpens in gewisser Weise sehr ahnlich sind. Dies sind die sogenannte “intracavity”-Frequenzverdopplung sowie die externe resonante Frequenzverdopplung. Daruber hinaus wird auch das Verfahren der Selbstfrequenzverdopplung behandelt. Weiterhin werden neuere optische parametrische Oszillatoren sowie bei Raumtemperatur betriebene “upconversion”-Laser diskutiert.