DE19512984A1

DE19512984A1 - Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator

Info

Publication number: DE19512984A1
Application number: DE19512984A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Phys Dr Stamm; Peter Dipl Phys Lokai; Vadim Berger; Stefan Dipl Ing Dr Borneis
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1995-04-06
Filing date: 1995-04-06
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2015-04-07
Also published as: US5661595A; DE19512984C2

Description

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren optischen parametrischen Oszillator (OPO) mit mindestens einem optisch nichtlinearen Kristall, der in einem optischen Resonator angeordnet ist. Ein solcher OPO ist eine Quelle kohärenter Strahlung.

Ein solcher abstimmbarer OPO ist zum Beispiel bekannt aus der US 5,053,641, der US 5,033,057, der US 5,057,668 oder der DE 42 19 169 A1.

Zum Stand der Technik wird weiterhin auf die Artikel von Y.X. Fan u. a., Appl. Phys. Lett 53, S. 2014 (1988), A.Fix u. a., Laser und Optoelektronik 23, S. 106 (1991), H. Komine, Journal Opt. Soc. Am. B 10, S. 1751 (1993), W.R. Bosenberg u. a., Journal Opt. Soc. Am. B 10, S. 1716 (1993) sowie A. Fix u. a., Journal Opt. Soc. Am. B 10, S. 1744 (1993) hingewiesen.

Der obengenannte Stand der Technik gemäß der US-PS 5,053,641 beschreibt eine Laseranordnung zur Erzeugung abstimmbarer, kohä renter Strahlung mit einem optischen parametrischen Oszillator, der einen BBO-Kristall (β-BaB₂O₄) im Resonator verwendet. Der Pumpstrahl wird durch einen der beiden Resonatorspiegel hindurch in den nichtlinear-optischen Kristall fokussiert. Die Abstimmung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung wird über die Rotation des Kristalls um eine Achse senkrecht zur optischen Achse des Resonators erreicht.

In der US-PS 5,033,057 wurde die Anordnung so modifiziert, daß sich im Resonator des OPO zwei Spiegel zur Einkopplung bzw. Auskopplung der Pumpstrahlung befinden.

Im Artikel von H. Komine, Journal Opt. Soc. Am. B 10, S. 1751 (1993), wird ein OPO beschrieben, bei dem hinter dem im OPO-Reso nator angeordneten Spiegel, der die Pumpstrahlung aus dem Resona tor auskoppelt, ein für die Pumpstrahlung hochreflektierender Spiegel angeordnet ist, der den Pumpstrahl in sich zurückreflek tiert.

Die in der US-PS 5,053,641 beschriebene Anordnung hat den Nachteil, daß die OPO Resonatorspiegel eine große Strahlungsfestigkeit gegenüber der Pumpstrahlung haben müssen und zumindest ein Resona torspiegel eine hohe Transmission für die Pumpstrahlung besitzen muß, um den Pumpstrahl effizient einkoppeln zu können. Bei den in Rede stehenden Spiegeln für OPOs ist diese Forderung sehr problematisch, da die OPO-Spiegel wegen der Abstimmbarkeit eine hohe Reflexion über einen großen Wellenlängenbereich (z. B. von 400 nm-700 nm, Signalwellenlängenbereich eines mit der frequenz verdreifachten Strahlung eines Nd:YAG Lasers gepumpten BBO OPO) aufweisen müssen. Um das zu gewährleisten, sind Mehrschichtspiegel systeme nötig, deren Zerstörschwelle aber mit zunehmender Schicht zahl abnimmt.

Dieser Nachteil wird mit der in der US-PS 5,033,057 beschriebenen modifizierten OPO-Anordnung eliminiert, allerdings auf Kosten der Effizienz der Umwandlung von Pumpleistung in OPO-Ausgangslei stung, da wegen der durch die beiden unter einem Winkel im Resona tor stehenden Spiegel zur Einkopplung bzw. Auskopplung der Pump strahlung vergrößerten Resonatorlänge die Gesamtverluste zunehmen. Dies sieht man z. B. für gepulst gepumpte OPOs, bei denen die Pumpintensität zum Erreichen der Oszillationsschwelle direkt proportional zum Quadrat der Resonatorlänge ist (s. z. B. Artikel von S.J. Brosnan, R. L Byer, IEEE J. Quant. Electron. QE-15, S. 415 (1979)).

Die von H. Komine, Journal Opt. Soc. Am. B 10, S. 1751 (1993), beschriebene Anordnung vermindert den Verlust an Effizienz, indem die Pumpstrahlung nochmals durch den Kristall geschickt wird und der nichtlinear-optische Kristall dadurch zweimal ange regt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abstimmbaren optischen parametrischen Oszillator derart weiterzubilden, daß einerseits die Anforderungen an die Strahlungsfestigkeit der Spiegel gegenüber der Pumpstrahlung reduziert werden und anderer seits die Effizienz der Umwandlung von Pumpleistung in OPO-Aus gangsleistung verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß innerhalb des Resonators zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem nichtlinear-optischen Kristall ein erster Umlenkspiegel zur Einkopplung der Pumpstrahlung und außerhalb des Resonators hinter dem zweiten Resonatorspiegel ein zweiter Umlenkspiegel für die Trennung der Pumpstrahlung von der im optischen parametrischen Oszillator erzeugten Strahlung angeordnet sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich hinter dem zweiten Umlenkspiegel für die Trennung der Pump strahlung von der im optischen parametrischen Oszillator erzeug ten Strahlung ein Element, das die Pumpstrahlung in sich zurück reflektiert. Durch die damit erreichte doppelte Anregung des nichtlinear-optischen Kristalls wird die Effizienz der Umwandlung von Pumplicht in abstimmbare Strahlung erhöht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich im Pumpstrahlengang vor dem ersten Umlenkspiegel zur Einkopplung der Pumpstrahlung ein teildurchlässiger Spiegel.

Dieser teildurchlässige Spiegel bildet mit dem sich hinter dem zweiten Umlenkspiegel für die Trennung der Pumpstrahlung von der im optischen parametrischen Oszillator erzeugten Strahlung befindlichen Element, das die Pumpstrahlung in sich zurückreflek tiert, einen optischen Resonator für die Pumpstrahlung. Die Feldüberhöhung in diesem Resonator hat eine weitere Verbesserung der Effizienz zur Folge.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Mit Hilfe der Erfindung wird also zum einen die Anforderung an die Strahlungsfestigkeit der OPO-Resonatorspiegel dadurch vermin dert, daß der eine OPO-Resonatorspiegel nicht von dem Pumplicht durchstrahlt wird. Zum zweiten hat die wegen der Trennung von Pumplicht von erzeugter OPO-Ausgangsstrahlung außerhalb des Resonators möglich werdende Verkürzung der Resonatorlänge ein Absinken der Schwelle des OPOs zur Folge und ermöglicht damit eine stabile optische parametrische Oszillation bereits bei geringeren Pumpintensitäten, wodurch die Strahlungsbelastung des zweiten OPO-Spiegels sinkt und die Effizienz steigt.

Die Rückkopplung der Pumpstrahlung führt zu einer weiteren Erhö hung der Effizienz der Anordnung.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines optisch parametrischen Oszillators (OPO) und

Fig. 2 bis 4 weitere Ausführungsbeispiele von OPOs.

In den Figuren sind funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugs zeichen bezeichnet.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines optisch parametri schen Oszillators ist ein optisch nichtlinearer Kristall 10 in einem Resonator angeordnet, der einen ersten Resonatorspiegel 12 und einen zweiten Resonatorspiegel 14 aufweist.

Der Kristall 10 wird in als solches bekannter Weise mittels Pumpstrahlung 16 gepumpt.

Die Pumpstrahlung 16 wird gemäß den Figuren mittels eines ersten Umlenkspiegels 18 in den Resonator eingekoppelt. Der erste Umlenkspiegel 18 steht bevorzugt unter dem Brewsterwinkel zur optischen Achse A des Resonators für die resonierte OPO-Strahlung.

Direkt hinter dem Kristall 10 ist der zweite Resonatorspiegel 14 angeordnet. Aus dem Resonator durch den zweiten Resonatorspie gel 14 austretende Strahlung trifft auf einen zweiten Umlenkspie gel 20, der so ausgelegt ist, daß die Ausgangsstrahlung 24 des optisch parametrischen Oszillators von der Pumpstrahlung 22 getrennt wird. Der zweite Umlenkspiegel für die Pumpstrahlung steht bevorzugt unter dem Brewsterwinkel für die OPO-Ausgangsstrah lung.

Die vorstehend beschriebene Anordnung der optischen Komponenten hat eine Reihe von Vorteilen:

Zunächst ist die Anforderung an die Strahlungsfestigkeit der Resonatorspiegel 12, 14 des optisch parametrischen Resonators dadurch verringert, daß einer der beiden Resonatorspiegel (hier der erste Resonatorspiegel 12) nicht von der Pumpstrahlung 16 durchstrahlt wird. In den Figuren ist die in den OPO eintretende Pumpstrahlung mit 16 bezeichnet, während die aus dem OPO austre tende Pumpstrahlung mit 22 bezeichnet ist. Die Trennung der Pumpstrahlung von der mittels des OPO erzeugten Ausgangsstrahlung 24 außerhalb des Resonators hat den Vorteil, daß die Resonatorlänge verkürzt werden kann und somit ein Absinken der Schwelle des OPO ermöglicht ist. Dies ermöglicht eine stabile optisch parame trische Oszillation bereits bei geringen Intensitäten der Pump strahlung, wodurch die Strahlungsbelastung auch am zweiten Resona torspiegel 14 sinkt und die Effizienz des OPO wächst.

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1. Die aus dem OPO austretende Pumpstrahlung 22 wird beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 mittels eines optischen Elemen tes 26 in sich selbst zurückreflektiert. Das hierzu dienende optische Element ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein hochreflektierender Spiegel (HR-Reflektor).

Durch die Rückkopplung der Strahlung 22 zurück in den OPO-Resona tor wird die Effizienz der Anordnung insgesamt erhöht, da der nichtlinear optische Kristall mehrfach angeregt wird. Eine Erhö hung der Effizienz des OPO bedeutet, daß ein größerer Anteil der Pumpstrahlung in abstimmbare OPO-Strahlung 24 umgewandelt wird.

Fig. 3 zeigt eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weitergebildete Anordnung, bei der die in den OPO eintretende Pumpstrahlung 16 vor Auftreffen auf den ersten Umlenkspiegel 18 einen teildurchlässigen Spiegel 28 passiert. Dieser teildurchläs sige Spiegel 28 bildet mit dem hinter dem zweiten Umlenkspiegel 20 angeordneten, reflektierenden optischen Element 26 einen optischen Resonator für die Pumpstrahlung (der nicht zu verwech seln ist mit dem OPO-Resonator aus den Spiegeln 12 und 14). Dieser Resonator für die Pumpstrahlung aus den Spiegeln 26 und 28 führt zu einer Feldüberhöhung der Pumpstrahlung im Kristall 10 und somit zu einer weiteren Verbesserung der Effizienz des OPO.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen dem Kri stall 10 und dem zweiten Resonatorspiegel 14 ein weiterer Spiegel 30 angeordnet ist, der die Pumpstrahlung 16 in sich zurückreflek tiert, d. h. in den Kristall 10, so daß es zu einer weiteren Effizienzerhöhung kommt.

Wie als solches bekannt ist, wird die Wellenlange der vom OPO abgegebenen Strahlung 24 dadurch abgestimmt, daß der optisch nichtlineare Kristall 10 in Bezug auf die optische Achse A des OPO-Resonators mehr oder weniger gekippt wird. Gemäß einer bevor zugten Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen Ausführungsbei spiele ist vorgesehen, daß der zweite Umlenkspiegel 20 synchron mit dem Kristall 10 gedreht wird, wobei die Dicke des zweiten Umlenkspiegels 20 so bemessen ist, daß der bei der Kristalldre hung auftretende Strahlversatz des aus dem OPO austretenden Strahls nach Passieren des Umlenkspiegels kompensiert ist. Dies bedeutet, daß der austretende Strahl 24 unabhängig vom eingestell ten Drehwinkel des Kristalls immer die gleiche Lage im Raum hat.

Claims

1. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator mit min destens einem nichtlinear-optischen Kristall (10), der in einem optischen Resonator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Resonators zwischen einem ersten Resonatorspiegel (12) und dem nichtlinear-optischen Kristall (10) ein erster Umlenkspiegel (18) zur Einkopplung der Pumpstrahlung (16) und außerhalb des Resonators hinter einem zweiten Resonatorspiegel (14) ein zweiter Umlenkspiegel (20) für die Trennung der Pumpstrahlung (22) von der im optischen parametrischen Oszillator erzeugten Strahlung (24) angeordnet ist.

2. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Umlenk spiegel für den Pumpstrahl (16) unter dem Brewsterwinkel zur optischen Achse (A) des Resonators steht.

3. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem zweiten Umlenkspiegel (20), der die Pumpstrahlung von der im optischen parametrischen Oszillator erzeugten Strahlung (24) trennt, ein Element (26) angeordnet ist, das die Pumpstrahlung (22) in sich zurückreflek tiert.

4. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hinter dem zweiten Umlenkspiegel (20) angeordnete reflektierende Element (26) ein Spiegel ist.

5. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hinter dem zweiten Umlenkspiegel (20) angeordnete reflektierende Element (26) ein phasenkonjugie render Spiegel ist.

6. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hinter dem zweiten Umlenkspiegel (20) angeordnete reflektierende Element (26) ein Tripelprisma ist.

7. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Pumpstrahlengang vor dem ersten Umlenkspiegel (18), der zur Einkopplung der Pumpstrahlung dient, ein teildurchlässiger Spiegel (28) angeordnet ist.

8. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem nichtlinear-optischen Kristall (10) und dem zweiten Resonatorspiegel (14) ein weiterer Spiegel (30) angeordnet ist, der den Pumpstrahl in sich zurück reflektiert.

9. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umlenkspiegel (20) für den Pumpstrahl synchron mit dem nichtlinear-optischen Kristall gedreht wird und die Dicke dieses Umlenkspiegels so ist, daß der bei Kristalldrehung auftretende Strahlversatz des OPO Aus gangsstrahls nach Passieren des Umlenkspiegels kompensiert ist.