Diodengepumpte Festkörperlaser

Die Idee zu einem diodengepumpten Festkörperlaser wurde schon kurz nach der Entdeckung des Diodenlasers [1.1] Anfang der sechziger Jahre beschrieben. Damals beobachtete R. Newman die starke Fluoreszenz des Nd³⁺-Ions bei 1.06 μm in einem CaWO₄-Kristall, den er mit Rekombinationsstrahlung von einem GaAs-pn-Übergang anregte [1.2]. Das Potential solcher Laser erkennend, wies er in seiner Publikation auf die Konsequenzen seines Experiments hin:

“The potential advantages of this type of pumping source for a laser are several. The small size and simple structure of the diodes will make possible a direct coupling of the pumping radiation to the laser without any complex optics. This in turn will greatly reduce the size and cost of the functional devices. The efficiency of conversion of input power to output power, both as regards the pump source and the internal conversion of energy within the laser, may permit continuous power output several orders of magnitude higher than is presently possible”.

Diodengepumpte Festkörperlaser können einen sehr großen Wirkungsgrad haben, wenn das Systemdesign entsprechend optimiert ist. Wie eingangs schon erwähnt, ist der Diodenlaser eine ideale Pumpquelle für einen Festkörperlaser, wobei der Energietransfer von der elektrischen Energie in Laserstrahlung einen ganz wesentlichen Punkt darstellt. Für die günstige Energieumsetzung sind im einzelnen verantwortlich: a) der große 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 Möglichkeit, die Pumpwellenlänge sehr nahe bei der Laserwellenlänge zu wählen.

Unser Ziel in diesem Kapitel soll es sein, ausgehend von den Ratengleichungen, zunächst allgemeine Formulierungen für die Ausgangsleistung, den differentiellen Wirkungsgrad und die Pumprate bzw. auch für die absorbierte Pumpleistung an der Laserschwelle herzuleiten. Im Anschluß 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 Emissionswellenlänge schwieriger anzuregenden Quasi-drei-Niveau-Laser behandelt wird. Weiterhin werden auch transversal und diskontinuierlich gepumpte Pulslaser erörtert.

Die Diodenlaser gehören zu den effizientesten Wandlern von elektrischer Energie in Laserenergie. Absolute Wirkungsgrade von deutlich mehr als 60% sind erzielt worden. Die Gründe für diese hohe Effizienz sind nicht zuletzt in der geringen Größe der Diodenlaser und dem direkten Prozeß zu sehen, durch den eine Laserverstärkung erreicht wird.

Wie eingangs schon erwälint wurde, läßt sich mit einigen wenigen Dioden-lasertypen durch die Kombination mit verschiedenen Festkörperlaser-Materialien eine Vielzahl von Laserwellenlängen erzeugen, wobei sich dann auch gänzlich andere Lasereigenschaften ergeben können, wie z. B. hohe Strahlqualität, hohe Leistungen, kurze Pulse, oder auch über breite Wellenlängenintervalle abstimmbare diodengepumpte Festkörperlaser möglich werden. Dies alles wird durch die Wahl des aktiven Mediums entscheidend bestimmt. Dabei können mehrere Kriterien für ein gutes Lasermaterial aufgezählt werden: wünschenswert sind insbesondere a) ein großer Emissions- und Absorptionswirkungsquerschnitt, b) eine lange Fluoreszenzlebensdauer, c) eine gute optische Qualität, d) eine hohe Wärmeleitfähigkeit, e) eine große mechanische Härte, f) ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient, g) eine geringe thermische Abhängigkeit des Brechungsindex, h) ein leichtes Kristallzüchten von möglichst großer Kristallen, i) eine gute Bearbeitbarkeit und nicht zuletzt, für das Diodenpumpen besonders wichtig, j) eine breite Absorptionslinie, die möglichst nahe bei der Emissionswellenlänge liegen sollte.

Die Verwendung von Diodenlasern für die Anregung von Festkörperlasern eröffnet sehr vielfältige Möglichkeiten bei der Konstruktion von diodengepumpten Lasern. Dies zeigt sich besonders im Bereich kleiner und mittlerer Ausgangsleistungen, wo viele verschiedene Laser für 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 Strahlqualität oder auch ein besonders kompakter Laseraufbau leichter erreichen lassen.

Festkörperlaser mit großen durchschnittlichen Ausgangsleistungen sind besonders für die Materialbearbeitung von Bedeutung, z. B. zum Schweißen, Schneiden, Bohren oder auch Oberflächenhärten. Dabei ist die relativ große Absorption von Metallen im Wellenlängenbereich um 1 μm besonders interessant; diese kann etwa drei- bis fünfmal größer als beim CO₂-Laser (λ = 10.6 μm) sein. Eine Strahlführung in Lichtwellenleitern ist sehr gut möglich, und es sind hohe Spitzenleistungen im Pulsbetrieb verfügbar.

Mit der Technologie der diodengepumpten Festkörperlaser ergeben sich gerade auch in Bezug auf monofrequente (“single-frequency”) Laser geringer Linienbreite und somit großer Kohärenzlänge sowie hoher Frequenzstabilität neue Perspektiven. So können mit relativ einfachen Mitteln aufgrund der guten Überlappung 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 möglich war. Die beim Diodenpumpen deutlich verringerten Leistungsschwankungen der Anregungsquelle sowie die geringere Wärmelast im Laserkristall führen bereits ohne zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen zu einer wesentlich erhöhten Frequenzstabilität, verglichen mit herkömmlichen, lampengepumpten Systemen.

Aufgrund der mit den diodengepumpten Lasern erreichbaren hohen Strahlqualität lassen sich optisch nichtlineare Prozesse sehr effizient durchführen, da hierfür große Leistungsdichten und große Wechselwirkungslängen 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 beeinflußt auch durch bessere optisch nichtlineare Materialien. Von den vielen sich hierbei ergebenden Möglichkeiten soll im folgenden zunächst die besonders häufig angewandte Frequenzverdopplung diskutiert werden. Hierfür 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 ähnlich sind. Dies sind die sogenannte “intracavity”-Frequenzverdopplung sowie die externe resonante Frequenzverdopplung. Darüber hinaus wird auch das Verfahren der Selbstfrequenzverdopplung behandelt. Weiterhin werden neuere optische parametrische Oszillatoren sowie bei Raumtemperatur betriebene “upconversion”-Laser diskutiert.