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Die
Erfindung betrifft vor allem den Bereich Laser und insbesondere
eine Laserquelle, die bei verschiedenen Wellenlängen im Infrarotbereich emittieren
kann.
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Für zahlreiche
Anwendungen, wie z.B. Lidars, die Detektion von atmosphärischen
Schadstoffen bzw. optronische Gegenmaßnahmen, werden Laserquellen
benötigt,
welche bei mehreren Wellenlängen
und in verschiedenen atmosphärischen
Transmissionsbändern
emittieren.
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Die
verschiedenen Architekturen solcher heutzutage entwickelter Laser
haben gemeinsam, dass sie eine Festkörperlaserquelle mit fester
oder abstimmbarer Wellenlänge
zusammen mit nichtlinearen optischen Bauteilen, wie z.B. einem optischen
parametrischen Oszillator (OPO) oder einem Raman-Konverter, verwenden.
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Die
bei der Entwicklung dieser Quellen angetroffenen Probleme betreffen
die räumliche
Qualität
der erhaltenen Strahlen, die mittlere Leistung bzw. energetische
Leistung pro Impuls sowie den Gesamtwirkungsgrad, ausgedrückt als
in den abzudeckenden Spektralbändern
erzeugte, nutzbare Laserleistung verglichen mit der in die Pumpdioden
injizierten elektrischen Leistung. Beim Austritt aus einem OPO-Konverter liegt sehr
häufig
eine der beiden erzeugten Wellenlängen (Signalwelle oder Idlerwelle)
außerhalb
des gewünschten
Spektralbereichs. Wenn eine Wellenlänge 2 μm nicht überschreitet, kann ein OPO,
der Band II, das heißt
den Bereich zwischen 3 und 5 μm,
abdecken soll, nicht zugleich im hohen Bandbereich bei 5 μm und im
niedrigen Bandbereich emittieren. Soll bei Anwendungen im Bereich
der optronischen Gegenmaßnahmen
das Band I bei 2.1–2.2 μm und das
Band II bei 4.1/4.2 und 4.6/4.7 μm
mit einem Pumplaser und einem OPO abgedeckt werden, so muss die
Pumpwellenlänge
mehr als 2 μm
betragen. Für
diese Anwendungen bevorzugt man heute zwei verschiedene diodengepumpte
Festkörperlaser-Architekturen.
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Zunächst einen
bei 1 μm
emittierenden Neodymlaser in Verbindung mit 2 kaskadenartig aufgebauten OPOs
zur Erreichung des Bandes II, z.B. Nd:YVO4,
emittierend bei 1.06 μm
mit einer Repetitionsrate von 5 kHz in Verbindung mit einem ersten
OPO (PPNL, PPKTP, KTP, KTA ...), welcher zwei Wellen bei 2.18 μm und 2.06 μm liefert.
Es darf angenommen werden, dass λ1 = 2.06 μm
sich im Band I befindet. Die Welle bei 2.18 μm pumpt einen zweiten OPO (z.B.
ZGP-OPO), wodurch man zwei Austrittswellenlängen, nämlich 4.1 und 4.6 μm im Band
II erhält.
Der theoretische Wirkungsgrad beträgt am Ausgang des ersten OPOs
bei λ =
2.18 μm 18%,
gesetzt den Fall, dass die Wirkungsgrade für Signal- und Idlerwelle beinahe
identisch sind. Im Vergleich zum Pumpstrahl bei 1.06 μm besitzt
der Strahl bei 2.18 μm
ein qualitativ wesentlich schlechteres räumliches Profil. Am Ausgang
des zweiten OPOs beträgt
der Wirkungsgrad für
die beiden Wellen im Band II, λ2 bei 4.1/4.2 μm und λ3 bei
4.6/4.7 μm,
weniger als 9% und die emittierten Strahlprofile sind noch schlechter.
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Eine
weitere, zumindest ebenso vorteilhafte Lösung basiert auf einer bei
2.09 μm
emittierenden Tm-Ho-Quelle in Verbindung mit einem einzigen OPO
zur Emission im Band II. Bei 2.09 μm besitzt der Strahl eine hervorragende
Qualität
(M2 < 1.2),
und der Wirkungsgrad beträgt
mehr als 20%. Jedoch ist in einem ZGP-OPO, welcher bei 3.83 und
4.6 μm emittiert,
eine der beiden Wellenlängen,
nämlich λ2 =
3.83 μm,
für Anwendungen
im Bereich der optronischen Gegenmaßnahmen nicht ideal platziert.
Zudem besitzt der ZGP-Kristall bei 2.09 μm je nach Qualität einen
Absorptionskoeffizienten zwischen 0.03 et 0.1 cm–1.
Diese Architektur, welche zum Pumpen eines OPOs eine Tm:YLF → Ho:YAG-Quelle
verwendet, weist zwei weitere Nachteile auf:
Die von der Tm:YLF-Quelle
bei 1,91 μm
gelieferte Ho:YAG-Pumpwelle befindet sich in der Nähe einer
Wasserdampf-Absorptionslinie, was zu Intensitätsschwankungen führt. Für eine militärische Anwendung
muss die Tm:YLF-Quelle in einem Gehäuse mit trockener Luft installiert
werden. Der Ersatz der Tm:YLF-Quelle bei einem thuliumdotierten
Siliziumoxidfaser-Laser macht den Aufbau stabiler, führt aber
zu einem geringeren Wirkungsgrad, da die Pumpwirksamkeit von Thulium
bei λ =
0,793 μm
in Siliziumoxid nicht dieselbe ist wie in einem YLF-Kristall. Außerdem schwankt
die Impulsdauer eines Ho:YAG-Kristall-Lasers im gütegeschalteten
Betrieb beträchtlich
mit der Repetitionsrate. Bei einer Steigerung der Repetitionsrate
von 10 kHz auf 50 kHz nimmt die Dauer von 30 ns auf 120 ns zu. Somit
weist der OPO hinter der gepulsten Ho:YAG-Laserquelle ein in Abhängigkeit
von der Repetitionsrate stark schwankendes Verhalten auf. Bei der
Tm:YLF → Ho:YAG-Quelle bleibt
der Tm:YLF-Kristall ziemlich zerbrechlich, obwohl durch die Verwendung
von Verbundkristallen die Bruchgrenze bis auf 15 kW/cm2 erhöht werden
kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben, indem
eine Vorrichtung vorgeschlagen wird, welche Laserstrahlungen bei
mehreren verschiedenen Wellenlängen
emittiert und eine gepulste Strahlung mit hoher bzw. niedriger Repetitionsrate
und hoher Impulsenergie erzeugt, so dass etwa 100 kHz bei sehr geringer
Schwankung der Impulsdauer und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
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Als
Lösung
werden eine Laserquelle mit einem durch Pumpvorrichtungen pumpbaren,
neodymdotierten Kristall, ein nichtlinearer, methanstimulierter
Raman-Konverter
und ein optischer parametrischer Oszillator vorgeschlagen.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform
bewirken die Pumpvorrichtungen die Emission eines neodymdotierten
Kristalls am Übergang 4F3/2 → 4h13/2.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird der neodymdotierte Kristall aus folgenden Stoffen gewählt: YAG,
YALO, YVO4 bzw. KGW.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
enthalten die Pumpvorrichtungen einen Festkörperlaser, wie z.B. mindestens
eine Laserdiode.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
kann der durch die besagte Pumpvorrichtungen gepumpte neodymdotierte
Kristall eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1,3 et 1,4 μm emittieren.
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Gemäß einer
zusätzlichen
Ausführungsform
wandelt der Raman-Konverter die von dem neodymdotierten Kristall
erzeugte Strahlung in mindestens eine zweite Strahlung mit einer
Wellenlänge
zwischen 2,1 und 2,2 μm
um.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform
besteht der Raman-Konverter aus einem hohlen Lichtwellenleiter,
welcher unter Druck stehendes Methan enthält.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
handelt es sich bei diesem hohlen Lichtwellenleiter um einen Photonenkristall-Wellenleiter.
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Gemäß einer
zusätzlichen
Ausführungsform
wird der optische parametrische Oszillator von der zweiten, aus
dem Raman-Konverter kommenden Strahlung gepumpt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
besteht der optische parametrische Oszillator aus einem Laserresonator
unter Einsatz eines Kristalls, wie z.B. ZnGeP2 (ZGP)
oder CdSe, bzw. unter Verwendung von Halbleitern mit Quasi-Phasenanpassung,
wie z.B. GaAs oder ZnSe.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform
emittiert der optische parametrische Oszillator zwei Strahlungen
mit einer Wellenlänge
zwischen 3,8 und 5 μm.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform
erzeugt der optische parametrische Oszillator eine erste Strahlung
mit einer Wellenlänge
zwischen 4,1 und 4,2 μm
und eine zweite Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 4,6 und 4,7 μm.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus
der Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung
sowie den beigefügten
Figuren hervor, wobei:
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in 1 die
allgemeinen Bauelemente der Erfindung dargestellt werden,
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in 2 eine
erste Ausführungsform
der Erfindung dargestellt wird;
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in 3 eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung dargestellt wird.
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1 zeigt
das allgemeine Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Laserquelle.
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Diese
Laserquelle beinhaltet einen durch Pumpvorrichtungen 3 pumpbaren,
neodymdotierten Kristall 2, einen nichtlinearen, methanstimulierten
Raman-Konverter 4 und
einen optischen parametrischen Oszillator 5.
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Die
Pumpvorrichtungen 3 bewirken die Emission des neodymdotierten
Kristalls am Übergang 4F3/2 → 4I13/2, so dass dieser
Kristall eine Laserstrahlung 6 mit einer Wellenlänge λp zwischen
1,3 und 1,4 μm
je nach Art des Kristalls emittiert.
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Der
methanstimulierte, nichtlineare Raman-Konverter 4 ist eine
bekannte Vorrichtung und besteht aus einem hohlen Lichtwellenleiter,
der mit unter Druck stehendem Methan gefüllt ist.
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Die
von dem neodymdotierten Kristall emittierte Laserstrahlung gelangt
in den hohlen Lichtwellenleiter und reagiert mit dem Methan, wodurch,
in Abhängigkeit
von der Eintrittswellenlänge λp der Strahlung
und, wie bereits zuvor erwähnt,
der Art des neodymdotierten Kristalls, eine Strahlung 7 mit
einer Wellenlänge λ1 zwischen
2,1 und 2,3 μm
entsteht.
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Vorrichtungen 8, 9 zur
Teilung der aus dem Raman-Konverter 4 kommenden Strahlung 7 befinden
sich zwischen dem Konverter und dem optischen parametrischen Oszillator 5.
Diese Teilungsvorrichtungen 8, 9 teilen die aus
dem Raman-Konverter 4 kommende Strahlung 7 in
eine erste Strahlung 10, welche direkt von der Laserquelle
emittiert wird, und eine zweite Strahlung 11 zur Versorgung
des optischen parametrischen Oszillators 5.
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Bei
dem optischen parametrischen Oszillator 5 handelt es sich
um einen klassischen Oszillator entsprechend dem Stand der Technik.
Er ist einfach resonant bei einmaligem Pumpen und verwendet klassische ZnGeP2-Kristalle für eine Phasenanpassung bei λp =
2.2 μm.
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Die
Strahlung 11 zur Versorgung des optischen parametrischen
Oszillators bei einer Wellenlänge λ1 wird im
Oszillator in zwei Strahlungen 12 und 13, jeweils
mit einer Wellenlänge λ2 und λ3 zwischen
3 und 5 μm,
umgeformt.
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Nachstehende
Tabelle zeigt die annähernden
Werte der Wellenfängen λp, λ1, λ2 und λ3 für folgende unterschiedliche
Nd:X-Kristalle: Yttriumaluminiumgranat (YAG), Yttriumvanadat (YVO4), Yttriumaluminiumoxid (YALO), Kalium-Gadolinium-Wolframat (KGW).
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2 zeigt
eine besondere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Laserquelle.
Diese Quelle beinhaltet drei Resonatoren 20,30 und 40.
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Der
erste Resonator 20 beinhaltet einen ersten Spiegel 21,
einen akustoptischen Modulator oder elektrooptischen Q-switch 22,
einen Kristall 23 und einen zweiten Spiegel 34.
Der Resonator und insbesondere der Kristall 23 besitzen
Pumpvorrichtungen 25 für
den Kristall 23. Der Resonator 20 wird somit durch
die beiden Spiegel 21 und 34 begrenzt.
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Der
akustooptische Modulator 22 ist eine bekannte Vorrichtung.
Er soll einen diskontinuierlichen Betrieb der Laserquelle und eine
bedarfsgerechte Einstellung ihrer Betriebsfrequenz ermöglichen.
So ist z.B ein Betrieb mit hoher Repetitionsrate von bis zu über 100
kHz möglich,
wenn es sich um einen neodymdotierten Yttriumvanadat-Kristall (Nd:YVO4) handelt.
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Der
Kristall 23 besteht aus neodymdotierten Yttriumvanadat,
während
die Pumpvorrichtungen 25 Dioden und Mittel zu deren Versorgung
beinhalten. Diese Dioden emittieren bei einer Wellenlänge von
0,808 μm und
bewirken somit die Emission des neodymdotierten Kristalls am Übergang 4F3/2 → 4I13/2, so dass dieser nach dem
Pumpvorgang eine Laserstrahlung 26 mit einer Wellenlänge λp von 1,3425 μm emittiert.
Die Spiegel 21 und 34 sind bei einer Emissionswellenlänge λp von 1,3425 μm des Kristalls 23 hoch
reflektierend, so dass der Raman-Konverter mit der im Resonator 20 vorhandenen
Höchstleistung
gepumpt wird.
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Der
zweite Resonator 30 beinhaltet einen Spiegel 24 mit
einer maximalen Transmission bei einer Wellenlänge λp von 1,3425 μm und einer
maximalen Reflexion bei einer Wellenlänge λ1 von
ungefähr
2,1 bzw. 2,2 μm.
Er beinhaltet auch eine erste Kollimationslinse 31, einen
methanstimulierten (CH4, V R = 2914 cm–1 ),
nichtlinearen Raman-Konverter 32, eine zweite Kollimationslinse 33 und
einen dritten, mit dem Resonator 20 gemeinsamen Spiegel 34 mit
einer maximalen Reflexion bei einer Wellenlänge λp von 1,3425 μm und einer
für die
Wellenlängen λ1 bei
ungefähr
2,1 und 2,2 μm
optimierten Transmission im Hinblick auf den höchsten Wirkungsgrad des Raman-Konverters.
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Dieser
Raman-Konverter 32 besteht aus einem hohlen Lichtwellenleiter
mit Zweiband-Photonenkristallen, welcher bei 1,34 und 2,2 μm geringe
Verluste aufweist und an jedem Ende ein Fenster beinhaltet. Zur Erreichung
eines befriedigenden Umwandlungswirkungsgrades von 1.3 bis 2,1/2,2 μm wird Methan
unter einem Druck von mehreren zehn atm verwendet, und die Pumpleistungsdichte
erreicht einige 100 MW/cm2 bis 1 GW/cm2 [1]. Der Kern des hohlen Lichtwellenleiters
besitzt einen Durchmesser von ca. 20 bis 50 μm, wohingegen seine Länge einige
10 cm beträgt.
Die theoretische Wirksamkeit am Austritt des Raman-Konverters beträgt beinahe
45%, und es wird praktisch eine Wirksamkeit von mindestens 15% (Diode
0,808 μm → 2.2 μm) erreicht.
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Der
zweite Spiegel 24 ist bei der Emissionswellenlänge des
Raman-Konverters 32 hoch reflektierend, während der
dritte Spiegel 34 für
die Wellenlängen
bei 2,1/2,2 μm
eine optimierte Transmission aufweist.
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Somit
wird der Raman-Konverter durch die Laserstrahlung 26 gepumpt
und emittiert eine Strahlung 36 auf der ersten Stokes-Linie
von Methan bei einer Wellenlänge λ1 zwischen
2.1 und 2.2 μm.
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Der
dritte Resonator 40 besteht aus einem herkömmlichen
optischen parametrischen Oszillator 41, welcher zwischen
den Spiegeln 44 und 54 bei einmaligem Pumpen einfach
resonant ist, wobei in diesem Fall die Strahlung 36 eine
Wellenlänge λp =
2.2 μm besitzt,
und bei dem klassische ZnGeP2-Kristalle
für eine
Phasenanpassung bei λp = 2.2 μm
zum Einsatz kommen. Dieser optische parametrische Oszillator 41 emittiert zwei
Strahlungen 45 und 46, nämlich die Signalwelle und die
Idlerwelle, wobei erstere eine Wellenlänge λ2 von ungefähr 4.1/4.2 μm und letztere eine Wellenlänge λ3 von ungefähr 4.6/4.7 μm aufweist.
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Außerdem befinden
sich Vorrichtungen 50 zur Teilung der aus dem Raman-Konverter 32 kommenden Strahlung 36 zwischen
dem zweiten Resonator 30 und dem dritten Resonator 40.
Ein Teil 52 dieser Strahlung wird mittels Fokussierungsvorrichtungen 51,
und zwar mittels einer Fokussierungslinse, zum optischen parametrischen
Oszillator 41 gelenkt, während ein zweiter Teil 53 von
der Laserquelle emittiert wird.
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Die
Laserquelle wird folgendermaßen
betrieben:
Die elektrisch versorgten Laserdioden emittieren
bei einer Wellenlänge
von 0,808 μm
eine kontinuierliche Strahlung in Richtung des Kristalls 23,
welche zu einer Emission am Übergang 4F3/2 → 4I13/2 von Neodym
führt. Da
der akustooptische Modulator 22 auf eine bestimmte Betriebsfrequenz,
z.B. 100 kHz, der Laserquelle eingestellt ist, lasert der Kristall 23 bei
dieser Frequenz und erzeugt somit eine Impulsstrahlung 26 mit
einer Wellenlänge
von 1,3425 μm.
Diese Impulsstrahlung 26 tritt aus dem ersten Resonator
aus und in den zweiten Resonator 30 und anschließend den
Raman-Konverter 32 ein, der ihre Wellenlänge verändert. Der
Raman-Konverter 32 wird nämlich durch die gepulste Laserstrahlung 26 gepumpt
und emittiert eine Strahlung 36 auf der ersten Stokes-Linie
von Methan bei einer Wellenlänge λ1 zwischen
2.1 und 2.2 μm.
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Ein
Teil dieser Impulsstrahlung 36 wird von Vorrichtungen 50 zur
Teilung der aus dem Raman-Konverter 32 kommenden Strahlung 36 verwendet
und somit von der Quelle emittiert, während der andere Teil dieser Strahlung 36 die
Fokussierungslinse 51 durchdringt, so dass ein Brennfleck
mit einem Durchmesser von einigen hundert μm entsteht, wobei die Wechselwirkungslänge (Rayleigh-Länge) je
nach Brennweite der Linse, M2 und Durchmesser
des Pumpstrahls wenige Millimeter bzw. 1 cm betragen kann. Die aus
der Fokussierungslinse kommende Strahlung gelangt in den dritten
Resonator 40, d.h. den optischen parametrischen Oszillator 41,
aus welchem wiederum zwei synchronisierte Impulsstrahlungen kommen,
nämlich
die Signalwelle 45 und die Idlerwelle 46, erstere
bei einer Wellenlänge λ2 von ungefähr 4.1/4.2 μm und letztere
bei einer Wellenlänge λ3 von ungefähr 4.6/4.7 μm, wobei
beide Strahlungen 45 et 46 von der Laserquelle
emittiert werden können. Durch
die Verwendung eines Nd:YVO4-Kristalls kann
mit hoher Repetitionsrate (über
100 kHz) gearbeitet werden, und es kann eine Impulsenergie zwischen
0.1 und 0.5 mJ oder sogar darüber
geliefert werden.
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In 3 wird
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, bei welcher, verglichen mit der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
der erste Resonator durch einen Master Oscillator Power Amplifier
(MOPA) ersetzt wird, welcher einen Oszillator 60 unter
Einsatz eines neodymdotierten Yttriumaluminiumoxid-Kristalls (Nd:YALO)
und einer Verstärkerkette 61 zur
Verstärkung
der Strahlung des Oszillators 60 enthält. Mit Hilfe einer solchen
Laserquelle ist ein Betrieb bei einer auf einige 10 Hz beschränkten Repetitionsrate
mit einer Energie von über
100 mJ pro Impuls und am Austritt des optischen parametrischen Oszillators
erzeugter Welle möglich.
Durch den Einsatz eines Nd:YAG-Kristalls (λp = 1.321 μm) lassen sich ebenfalls solche
Repetitionsraten erzielen.
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Selbstverständlich können die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
auf unterschiedliche Art und Weise modifiziert werden, ohne den
Rahmen der Erfindung zu sprengen.
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So
können
im Rahmen der Erfindung auch weitere neodymdotierte Kristalle, welche
in dieser Anmeldung nicht benannt werden, verwendet werden. Außerdem kann
der ZnGeP2-Kristalle (ZGP) verwendende optische
parametrische Oszillator (OPO) durch einen OPO mit CdSe-Kristallen
bzw. Halbleitern mit Quasi-Phasenanpassung
wie GaAs oder ZnSe ersetzt werden. Anstelle der bei 1,32/1,34 μm emittierenden,
neodymdotierten Quellen unter Einsatz von Kristallen können ebenfalls
dotierte Faserlaser verwendet werden. Somit könnte ein neodymdotierter Quarzglaslaser
verwendet werden.