DE19611015A1

DE19611015A1 - Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator

Info

Publication number: DE19611015A1
Application number: DE1996111015
Authority: DE
Inventors: Vadim Dipl Phys Berger; Ingo Dipl Phys Dr Klaft; Uwe Dipl Phys Dr Stamm; Stefan Dr Borneis
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1996-03-20
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 1998-01-29

Description

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren optischen parametri schen Oszillator (OPO) mit mindestens einem optischen parametri schen Verstärkermedium, das in einem ersten optischen Resonator aus mindestens zwei Spiegeln angeordnet ist, und mit einer Ein richtung zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in das Verstärkerme dium, wobei mindestens eine weitere reflektierende Fläche außer halb des ersten Resonators so angeordnet ist, daß diese mit zumindest einem der genannten Spiegel des ersten Resonators mindestens einen zweiten Resonator bildet, der mit dem ersten Resonator optisch gekoppelt ist, wobei die Reflektivitäten der Spiegel des ersten Resonators und der weiteren reflektierenden Fläche, die Abstände der Spiegel und der reflektierenden Fläche voneinander und das spektrale Verstärkungsprofil des optischen parametrischen Verstärkermediums so gewählt sind, daß die Aus gangsstrahlung der gekoppelten Resonatoren nur eine oder wenige Moden enthält.

Solche optischen parametrischen Oszillatoren werden üblicher weise mit OPO bezeichnet. Die Erfindung betrifft insbesondere schmalbandig abstimmbare OPOs mit sogenannten gekoppelten Reso natoren.

Die optischen parametrischen Verstärkungsmedien in derartigen OPOs sind vielfach nichtlinear-optische Kristalle. Wird bei einem derartigen OPO das optische parametrische Verstärkungs medium innerhalb des Resonators durch die sogenannte Pumpstrah lung angeregt, so wird durch Frequenzmischung Strahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt. Die erzeugte kurz wellige Strahlung heißt nach Konvention Signalstrahlung, die langwelligere Strahlung heißt Idlerstrahlung. Aufgrund der Ener gieerhaltung gilt, daß die Summe der Frequenzen von Signal- und Idlerstrahlung gleich der Frequenz der Pumpstrahlung ist. Die Wellenlängen von Signal- und Idlerstrahlung können durch Ver änderung der sogenannten Phasenanpassung abgestimmt werden. Dies kann bei fester Pumpwellenlänge beispielsweise durch Ände rung der Winkelausrichtung des nichtlinear-optischen Kristalls oder durch Änderung der Kristalltemperatur geschehen. Bei fest stehendem Kristall können Signal- und Idlerwellenlänge durch Änderung der Pumpwellenlänge abgestimmt werden. Ein derart auf gebauter OPO ist eine Quelle abstimmbarer kohärenter Strahlung. Beispielsweise kann bei Verwendung von ß-Barium-Borat (BBO) als optisches parametrisches Verstärkermedium und bei Einsatz der 3. Harmonischen eines Nd:YAG Lasers (355 nm) die Wellenlänge der Signalstrahlung etwa im Bereich zwischen 410 nm und 710 nm abgestimmt werden, wobei sich gleichzeitig die Wellenlänge der Idlerstrahlung im Bereich zwischen 2500 nm und 710 nm ändert.

Das Prinzip der optischen parametrischen Oszillation wurde erst mals von J.A. Giordmaine und R.C. Miller im Jahr 1965 bei AT Bell Laboratories, Holmdel (NJ), USA, demonstriert. Des weite ren sind abstimmbare OPOs z. B. bekannt aus der US 5,053,641, der US 5,033,057, der US 5,047,668, der DE 42 19 169 A1 oder der DE 44 00 095 A1.

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

Der obengenannte Stand der Technik gemäß US 5,053,641 beschreibt eine Laseranordnung zur Erzeugung abstimmbarer, kohärenter Strahlung mit einem optischen parametrischen Oszillator, der einen BBO-Kristall (β-BaB₂O₄) im Resonator verwendet. Der Pump strahl wird durch einen der beiden Resonatorspiegel in den nicht linear-optischen Kristall fokussiert. Die Abstimmung der Wellen länge der Ausgangsstrahlung wird über die Rotation des Kristalls um eine Achse senkrecht zur optischen Achse des Resonators er reicht.

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

Beide beschriebenen Anordnungen sind dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der OPO Strahlung auf der Signal- und der Idlerwellenlänge im wesentlichen durch die spektrale Breite des optischen parametrischen Verstärkerprofils gegeben ist. Diese liegt z. B. für das optische parametrische Verstärkermedium BBO je nach Wellenlänge im Bereich zwischen etwa 5 bis 50 cm^-1.

Für viele spektroskopische Anwendungen ist es allerdings wün schenswert, abstimmbare Strahlung mit deutlich geringerer spek traler Bandbreite (z. B. kleiner 0,2 cm^-1 bis hin zu einzelnen Longitudinalmoden mit Bandbreiten kleiner 0,01 cm^-1) einzu setzen. Für OPOs kann die Erzeugung schmalbandiger Strahlung ähnlich wie für abstimmbare Farbstofflaser beispielsweise durch zusätzliche frequenzselektive Elemente zur spektralen Filterung der OPO Strahlung innerhalb oder außerhalb des OPO-Resonators erfolgen.

Ein solcher schmalbandiger abstimmbarer OPO ist beschrieben in dem Artikel von W.R. Bosenberg u. a., J. Opt. Soc. Am. B 10, 1716 (1993). Die Anordnung verwendet eine impulsförmige Anre gung und besteht neben dem nichtlinear-optischen Kristall aus einem Resonator, der als frequenzselektives Element ein Gitter enthält. Das Gitter wird dabei in streifendem Einfall einge setzt (grazing incidence). Die Resonatoranordnung ist für Farb stofflaser als Littman-Resonator, beschrieben in M.G. Littman, Optics Lett. 3, 138 (1978), bekannt.

Eine andere Anordnung eines gepulst angeregten schmalbandigen OPO ist in DE 42 19 169 A1 beschrieben. Diese Laseranordnung zur Erzeugung abstimmbarer, schmalbandiger kohärenter Strahlung besteht aus einem ersten OPO (Seed-Oszillator) ohne frequenz selektive Elemente zur Einengung der Bandbreite im Resonator. Außerhalb des Resonators befindet sich ein frequenzselektives Element, das aus der relativ breitbandigen Ausgangsstrahlung des Seed-Oszillators einen schmalen Spektralbereich ausfiltert. Diese schmalbandige Strahlung wird in einem zweiten OPO (Lei stungsoszillator) verstärkt.

Beide Anordnungen von schmalbandigen abstimmbaren OPOs haben verschiedene Nachteile. Der Littman-Resonator enthält mit dem Gitter ein Element, das neben der spektralen Einengung erhebli che lineare Verluste in den Resonator einbringt. Gute Gitter haben bei streifendem Einfall im in Rede stehenden Wellenlän genbereich Beugungsreflektivitäten von weniger als 20-50%. Da das Gitter pro Resonatorumlauf zweimal passiert wird, liegen die dadurch verursachten Resonatorverluste über 80%. Das hat zur Folge, daß die Schwelle der Schmalbandoszillation sehr hoch ist und die einzelnen optischen Komponenten sehr stark belastet werden. Die Verhältnisse werden noch ungünstiger, wenn man nicht, wie von W.R. Bosenberg u. a., J. Opt. Soc. Am B 10, 1716 (1993), beschrieben, ein optisches parametrisches Verstärkermedium mit relativ geringer Verstärkungsbandbreite (im Artikel KTP), son dern ein Medium mit großer Verstärkungsbandbreite, wie bei spielsweise BBO oder LBO, einsetzt.

Die in der DE 42 19 169 A1 beschriebene Anordnung umgeht die mit den Gitterverlusten verbundenen Probleme im OPO-Resonator. Durch die externe spektrale Filterung werden aber passive Ver luste für die Seedstrahlung des zweiten OPOs (Leistungsoszil lators) eingeführt, die umso größer sind, je größer das Ver hältnis von Bandbreite der Ausgangsstrahlung des ersten OPOs zur Bandbreite des externen spektralen Filters ist. Da die mi nimal nötigen Seed-Energien für einen stabilen schmalbandigen Betrieb des geseedeten Leistungsoszillators für eine vorgegebe ne Anordnung feststehen, erhöht sich die nötige Pumpenergie, die dem ersten OPO zugeführt werden muß, in dem Maße, in dem die Bandbreite der Ausgangsstrahlung verringert werden soll. Betrachtet man das Beispiel eines von der 3. Harmonischen eines geseedeten Nd:YAG Lasers gepumpten BBO-OPOs, der mit einer Band breite von 50 cm^-1 anschwingt, dann verursacht die Erzeugung von Strahlung mit 0,05 cm^-1 Bandbreite durch externe spektrale Filterung bereits eine Reduktion der Energie um den Faktor 1000. Da typische Seed-Energien für optische parametrische Lei stungsoszillatoren im Energiebereich von 10 µJ bis 100 µJ lie gen, sind 10 mJ bis 100 mJ OPO Strahlung aus dem ersten OPO erforderlich. Das erfordert aber Pumpenergien für den ersten OPO im Bereich von 100 mJ bis 1 J.

Das Problem der externen Verluste kann reduziert werden, wenn der Seed-OPO sehr kurz aufgebaut wird, der Resonator also einen großen longitudinalen Modenabstand hat. Die gesamte Ausgangs energie ist dann diskret verteilt auf die einzelnen anschwin genden Moden, und die externen spektralen Verluste verringern sich. Um beispielsweise bei 50 cm^-1 Verstärkungsbandbreite die Verluste durch die externe spektrale Filterung auf den Faktor 50 zu reduzieren, dürfen nur 50 longitudinale Moden des OPO-Resonators anschwingen. Das erfordert einen Modenabstand des OPO-Resonators von 1 cm^-1. Das optische parametrische Verstär kungsmedium müßte damit kürzer als 3,3 mm sein.

In der Veröffentlichung von J. Pinard und J.F. Young in OPTICS COMMUNICATIONS, Vol. 4, Nr. 6, 1972, S. 425 bis 427, ist ein abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator beschrieben, bei dem die Bandbreite der Ausgangsstrahlung bei etwa 0,001 cm^-1 liegt. Dies wird durch eine Anordnung von Resonatorspiegeln entsprechend einem Fox-Smith-Interferometer erreicht.

Aus der Veröffentlichung von J. M. Boon-Engering, L.A.W. Gloster et al "Highly efficient single-longitudinal-mode β-BaB₂O₄ optical parametric oscillator with a new cavity design" in "OPTICS LETTERS", Vol. 20, Nr. 20, 1995, S. 2087 bis 2089, ist ein schmalbandiger abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator mit einer Ausgangsstrahlung in Form einer einzigen Mode bekannt. Bei diesem bekannten OPO wird aber ein wellenlängenselektives Element in Form eines Gitters mit streifendem Einfall im OPO-Resonator angeordnet, wodurch die Effizienz des OPO reduziert wird. Dieser Stand der Technik verwendet, im Unterschied zum obengenannten Stand der Technik gemäß Pinard und Young eine Michelson-Anordnung der beiden Resonatoren. Bei einer Michelson-Anordnung der beiden gekoppelten Resonatoren ist das Verstär kungsmedium bzw. Lasermedium in beiden Resonatoren angeordnet, während bei einer Fox-Smith-Anordnung von gekoppelten Resonato ren das Verstärkungsmedium bzw. Lasermedium nur in einem der beiden Resonatoren vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schmalbandigen, abstimmbaren optischen parametrischen Oszillator der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei sehr geringer spektraler Bandbreite der Ausgangsstrahlung und einfach ein Aufbau der Vorrichtung eine sehr hohe Effizienz erreicht ist.

Die erfindungsgemäßen Lösungen dieser Aufgabe sind in den Pa tentansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängi gen Ansprüche beschrieben.

Die im Anspruch 1 angegebenen Materialien für den Verstärker kristall ermöglichen eine Abstimmung der emittierten Wellenlän ge in Spektralbereichen, die mit Lithium Niobat nicht erreich bar waren. Auch wird die Oszillationsschwelle beträchtlich ge senkt.

Die im Anspruch 2 genannte Anordnung des Gitters derart, daß die oszillierende Strahlung nicht streifend auf das Gitter ein fällt, hat gegenüber dem obengenannten Stand der Technik von J. M. Boon-Engering et al. den Vorteil einer erhöhten Effizienz und vereinfachten Justierung.

Die im Anspruch 3 genannte Positionierung der Spiegel desjeni gen Resonators, der den verstärkenden Kristall enthält, direkt auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls, hat insbesondere den Vorteil, daß bei niedriger Oszillationsschwelle eine hohe Effizienz erreicht wird und auch die Belastung der optischen Bauteile gering gehalten werden kann. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bedeutet die direkte Anordnung der beiden Spiegel auf gegenüberliegenden Seiten des Verstärkerme diums, daß keine strahlteilenden Spiegel oder andere, die Sig nal- oder Idlerstrahlung umlenkende optische Bauteile zwischen dem Resonatorspiegel und dem Kristall angeordnet sind. Derjeni ge Resonatorspiegel, durch den Strahlung aus dem ersten Resona tor austritt, um in den gekoppelten zweiten Resonator einzutre ten, ist so teildurchlässig gewählt, daß beide Resonatoren an schwingen.

Das Merkmal, daß die Spiegel des ersten Resonators direkt auf beiden gegenüberliegenden Seiten des Verstärkermediums angeord net sind, bezieht sich auf die im Resonator (um)laufende, para metrisch erzeugte Strahlung, nicht jedoch auf die Pumpstrahlung, die, in an sich bekannter Weise, auch mittels zusätzlicher op tischer Komponenten in den Resonator eingekoppelt werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung (Anspruch 4) ist vorgesehen, daß die beiden Resonatoren inter ferometrisch (durch Interferenz) gekoppelt sind, und zwar durch eine nullte und eine erste Beugungsordnung eines strahlteilen den Gitters, welches im Strahlengang beider gekoppelter Resona toren liegt.

Erfindungsgemäß erfolgt also mit dem System gekoppelter Resona toren eine spektrale Selektion der longitudinalen Moden (des Systems gekoppelter Resonatoren) derart, daß die Ausgangsstrah lung, die vom System insgesamt abgegeben wird, spektral deut lich schmalbandiger ist als das Verstärkungsprofil des opti schen parametrischen Verstärkermediums, also z. B. des nicht linear-optischen Kristalls.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen OPO-Systems folgen aus der Modenselektion. Es werden passive Verluste im Resonator vermie den. Die Modenselektion wird durch eine Verstärkung der Rück kopplung für die bevorzugten Spektralbereiche (Moden) erreicht.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines schmalbandigen abstimmbaren optischen parametrischen Oszillators mit gekoppelten Resonatoren in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein typisches Moden-Spektrum eines aus zwei Spiegeln gebildeten Resonators mit einem optischen parametri schen Verstärkermedium und ein typisches spektrales optisches parametrisches Verstärkungsprofil eines solchen Verstärkermediums;

Fig. 3 das sich aus dem Modenspektrum und dem Verstärkungs profil gemäß Fig. 2 ergebende Spektrum des aus zwei Spiegeln gebildeten OPO;

Fig. 4 ein berechnetes Moden-Spektrum eines erfindungsge mäßen Resonators mit drei zusätzlichen externen re flektierenden Flächen nach Faltung mit einem Verstär kungsprofil (entsprechend Fig. 2), wobei die zentrale Wellenlänge 569,8 nm (17 550 cm^-1) ist;

Fig. 5 ein mit einem Fabry-Perot-Etalon gemessenes Spektrum einer experimentellen Anordnung mit den in Fig. 4 zugrundegelegten Eigenschaften, also mit drei zusätz lichen externen reflektierenden Flächen; der freie Spektralbereich des Fabry-Perot-Etalons ist 0,67 cm^-1;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Anordnung eines optischen parametrischen Oszil lators mit einer zusätzlichen externen reflektieren den Fläche und mit piezo-elektrischen Verschiebern zur Abstimmung der Wellenlänge mittels Variation der Spiegelabstände;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen abstimmbaren optischen parametrischen Oszilla tors mit gekoppelten Resonatoren in einer druckdich ten Kammer zur Abstimmung der Wellenlänge mittels Druckveränderung;

Fig. 8 in schematischer Darstellung verschiedene bevorzugte Anordnungen zur Ein- und Auskopplung der Pumpstrah lung in erfindungsgemäß gekoppelte Resonatoren, wobei der Einfachheit der Darstellung halber immer nur ein zusätzlicher externer Spiegel vorgesehen ist;

Fig. 9 in schematischer Darstellung verschiedene Ausführungs beispiele von erfindungsgemäß gekoppelten Resonatoren;

Fig. 10 verschiedene bevorzugte erfindungsgemäße Anordnungen von gekoppelten Resonatoren, wobei G das Gitter be zeichnet;

Fig. 11 schematisch den Unterschied zwischen gekoppelten Resonatoren in Michelson-Anordnung und in Fox-Smith-Anordnung;

Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen abstimmbaren optischen parametrischen Oszilla tors mit gekoppelten Resonatoren, wobei ein Gitter zur Strahlteilung und Wellenlängenselektion bzw. Ab stimmung verwendet wird;

Fig. 13 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines abstimmbaren optischen parametrischen Oszilla tors unter Verwendung eines Gitters; und

Fig. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsge mäßen abstimmbaren optischen parametrischen Oszilla tors, bei dem in jedem Resonatorzweig ein Kristall als Verstärkungsmedium vorgesehen ist.

Fig. 1 zeigt einen schmalbandigen abstimmbaren optischen parame trischen Oszillator (OPO) mit einem Kristall als Verstärkerme dium. Dieses Ausführungsbeispiel ist zur Verdeutlichung des Wesentlichen in vereinfachter Form dargestellt. Der erste (klas sische) Resonator wird durch die Spiegel 1 und 2 gebildet, zwi schen denen der Kristall angeordnet ist. Die Spiegel 1, 2 haben einen Abstand d1. Der Kristall ist in bekannter Weise drehbar angeordnet. Pumpstrahlung wird durch einen Strahlumlenker 4 auf der Symmetrieachse des Resonators eingekoppelt.

Außerhalb des durch die Spiegel 1, 2 und den Kristall gebilde ten OPO-Resonators (Oszillators) ist unter einem Abstand d2 vom Spiegel 2 eine weitere reflektierende Fläche 3 angeordnet, so daß insgesamt ein System gekoppelter Resonatoren gebildet ist.

Die vom Strahlumlenker 4 reflektierte Pumpstrahlung trifft durch die Spiegel 2 und 3 auf den Kristall. In bekannter Weise werden durch Frequenzmischung die sogenannte Signalstrahlung und die Idlerstrahlung erzeugt. Die Verstärkungsbandbreite des optischen parametrischen Verstärkermediums, hier also des Kri stalls, ist durch den Akzeptanzwinkel des nichtlinearen Kri stalls vorgegeben und liegt typischerweise im Bereich einiger bis einiger zehn Wellenzahlen (ca. 5 bis 50 cm^-1). Es sei zu nächst angenommen, daß die reflektierende Fläche nicht vorhan den oder so positioniert ist, daß durch sie kein (weiterer) Resonator mit den Spiegeln 1 bzw. 2 gebildet wird. Unter dieser Voraussetzung schwingen im durch die Spiegel 1 und 2 gebildeten Resonator in Abhängigkeit vom Verstärkungsprofil des Kristalls bestimmte Moden an, was in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. In den Fig. 2 und 3 ist die Abszisse auf "1" normiert, und auf der Ordinate sind die Wellenzahlen aufgetragen. Fig. 3 zeigt, wie entsprechend dem parametrischen Verstärkungsprofil des Kristalls bestimmte Moden mehr oder weniger anschwingen.

Die Modenstruktur eines Einzelresonators ist durch die sogenann te Airy-Funktion gegeben:

wobei

Hierbei sind R1 und R2 die Reflektivitäten der Spiegel 1 bzw. 2, d ist der Spiegelabstand, λ die Wellenlänge und n der Wel lenbrechungsindex des eingeschlossenen Mediums.

Wird bzw. werden nun gemäß Fig. 1 eine oder mehrere externe reflektierende Flächen 3 (in Fig. 1 nur eine Fläche dargestellt) angekoppelt, so werden bei passender Wahl der Abstände und der Verstärkungsprofile ein oder auch mehrere weitere Resonatoren gebildet. Die durch die Koppelung der Resonatoren bewirkte Über lagerung von Modenprofilen der einzelnen Resonatoren führt zu einer Art Schwebungsfunktion. Bei passender Wahl der Spiegelab stände und damit auch der Modenabstände Δv = c/2nd, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und d die Resonatorlänge sind, sowie durch geeignete Spiegelreflektivitäten R kann erreicht werden, daß innerhalb des Gesamt-Verstärkungsprofils nur wenige oder auch nur eine einzelne Mode anschwingt.

Fig. 4 zeigt ein theoretisches Rechenbeispiel für einen OPO mit einem BBO Kristall, der mit der 3. Harmonischen (355 nm) eines geseedeten Nd:YAG-Lasers gepumpt wird. Bei diesem bevorzugten berechneten Ausführungsbeispiel werden drei externe reflektie rende Flächen vorgesehen. Wie Fig. 4 zeigt, schwingt eine mittlere Mode bei etwa 17 550 cm^-1 besonders stark an.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis einer experimentellen Realisierung der entsprechenden Anordnung. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Intensitätsverteilung in der Meßebene eines Fabry-Perot-Spektral analysators. Deutlich sichtbar ist, daß durch die Anord nung von drei externen Spiegelflächen nur eine einzige Mode des ersten OPO-Resonators (gebildet aus den Spiegeln 1 und 2 gemäß Fig. 1) anschwingen kann. Der für die Messung verwendete Fabry-Perot-Spektralanalysator hat einen freien Spektralbereich von 0,67 cm^-1 und eine Auflösung von 0,04 cm^-1, was einer Moden breite des schmalbandigen OPOs von 0,02 cm^-1 entspricht. Dies entspricht genau dem in Fig. 4 gezeigten Berechnungsergebnis, dem die gleichen Reflektivitäten und Spiegelabstände zugrunde gelegt sind.

Um die Wellenlänge der schmalbandigen Ausgangsstrahlung eines derartigen Systems gekoppelter Resonatoren abzustimmen (zu ändern), kann der Kristall relativ zur Resonatorachse gekippt werden, was in den Fig. 1 und 6 durch den im Kristall darge stellten Pfeil angedeutet ist. Ein solches Kippen des Kristalls ermöglicht eine grobe Abstimmung der Wellenlänge mit einer Ge nauigkeit von etwa einer Wellenzahl.

Für eine präzisere Feinabstimmung einzelner Moden innerhalb des Verstärkungsprofils des Systems gekoppelter Resonatoren sollen hier zwei verschiedene Möglichkeiten genannt werden:

Eine erste Möglichkeit der Feinabstimmung der Wellenlänge ist in Fig. 6 schematisch dargestellt: Durch Veränderung der Spie gelabstände ist es möglich, nur die zentrale Mode zu selektie ren. Hierzu muß z. B. der Spiegel 1 gemäß Fig. 6 so verschoben werden, daß mit der obengenannten Funktion (1) immer eine Mode mit der zentralen Wellenlänge anschwingen kann. Der Spiegel 3 sowie gegebenenfalls weitere vorhandene externe Spiegel werden in Bezug auf den Spiegel 2 so verschoben, daß die resultierende Schwebungsfunktion ebenfalls genau bei der genannten zentralen Wellenlänge ein Maximum erreicht. Diese Verschiebung der Spie gel liegt im Bereich einiger Nanometer bis Micrometer und kann deshalb durch Piezoelektrische Verschieber 5 durchgeführt wer den.

Eine andere Möglichkeit der Feinabstimmung der Wellenlänge ist die Änderung des Luftdruckes im Resonator, was in Fig. 7 sche matisch dargestellt ist. Danach ist der Resonator in ein luft dichtes Gehäuse 7 eingeschlossen und durch Variation des Luft druckes mittels eines Gaseinlasses 6 kann im Resonator der Bre chungsindex des Gases geändert werden. Damit kann eine Feinab stimmung der Wellenlänge durchgeführt werden. Für eine Änderung der Wellenlänge um eine Wellenzahl muß der Luftdruck um etwa 18 mbar geändert werden. Dies entspricht etwa 2% des Normaldrucks und ist leicht zu verwirklichen. Die Laserstrahlen können durch Brewster-Fenster 8 in das luftdichte Gehäuse ein- bzw. ausge koppelt werden.

Fig. 8 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Einkoppelung der Pumpstrahlung in das System gekoppelter Resonatoren. Wird der schmalbandige OPO bei geringer Pumpenergie betrieben, also z. B. als Oszillator in einer Oszillator-Verstärker-Anordnung, so kann der Pumpstrahl durch alle Resonatorspiegel ein- bzw. aus gekoppelt werden. Dies zeigen die Anordnungen a) und b) von Fig. 8. In den Figuren ist mit einem fett dargestellten Pfeil jeweils die Pumpstrahlung angedeutet. Weiterhin sind der Kristall und die Resonator-Spiegel schematisch dargestellt. Die Fig. c) bis f) von Fig. 8 zeigen auch noch schematisch die Um lenkspiegel.

Die Pumpanordnungen gemäß den Beispielen a) und b) von Fig. 8 ermöglichen, den Resonator relativ kurz zu halten. Da der Mo denabstand umgekehrt proportional ist zum Abstand der Spiegel, ermöglicht dies einen relativ großen Modenabstand.

Soll der schmalbandige OPO mit mittlerer oder hoher Pumplei stung betrieben werden, so kann der Pumpstrahl durch einen Spiegel mit niedriger Reflektivität in den Resonator eingekop pelt (eingestrahlt) werden, wobei der Pumpstrahl jedoch von einem Spiegel mit hoher Reflektivität (größer als 70%) wieder ausgekoppelt wird, um eine Spiegelbeschädigung zu vermeiden. Dies ist in den Beispielen c) und d) von Fig. 8 schematisch dargestellt.

Bei bestimmten Anwendungen kann der Pumpstrahl auch transversal in den Resonator eingekoppelt und nach Durchtritt durch den Kristall wieder direkt aus dem Resonator ausgekoppelt werden, ohne einen Spiegel passiert zu haben, was in den Beispielen e) und f) von Fig. 8 dargestellt ist.

Fig. 9 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele gekoppelter Re sonatoranordnungen mit jeweils mindestens einer zusätzlichen reflektierenden Fläche außerhalb des ersten OPO-Resonators. Die Beispiele d) und e) zeigen jeweils bevorzugte lineare Anordnun gen, bei denen die Kristalle und Spiegel der Resonatoren auf der Resonatorachse des ersten Resonators liegen, d. h. des Reso nators, dessen Spiegel direkt beidseitig des Kristalls angeord net sind. In Fig. 9 ist mit dem Pfeil die schmalbandige Aus gangsstrahlung angedeutet. Die Spiegel sind, wie in den anderen Figuren, jeweils durch geschwärzte Balken symbolisiert.

In den Fig. 9 a), b) und c) ist gestrichelt eine bevorzugte Abwandlung der dort dargestellten Ausführungsbeispiele gekenn zeichnet, nämlich derart, daß jeweils ein weiterer zusätzlicher teildurchlässiger Spiegel M′ direkt am verstärkenden Kristall angeordnet ist. Dieser als bevorzugte Option vorgesehene Spie gel M′ ist teilreflektierend für die Signal- oder die Idler-Wellenlänge des OPO oder auch für beide Wellenlängen und bildet somit um den Kristall bereits einen Resonator.

Fig. 10 zeigt verschiedene Anordnungen gekoppelter Resonatoren. Beim Beispiel gemäß Fig. 10 g) erfolgt die Ankoppelung eines weiteren externen Resonators mittels eines Prismas (schematisch im Schnitt dargestellt).

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 h) erfolgt die Ankoppe lung des weiteren Resonators über ein Gitter G in Littrow-Anord nung.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 i) erfolgt die Ankoppe lung einer Littrow-Gitter-Anordnung mit einem zusätzlichen Reso nator, der durch die 0.Gitter-Ordnung gebildet ist.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 10 g), h) und i) ist der zwischen dem verstärkenden Kristall und dem Gitter bzw. Prisma angeordnete Spiegel teilreflektierend für die Signal- und/oder Idler-Wellenlänge des OPO und bildet damit direkt um den Kristall einen ersten Resonator.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 k) dient das Gitter in Littrow-Anordnung direkt als reflektierende Fläche zur Bildung des zumindest einen weiteren Resonators.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 m) zeigt eine Koppelung eines Gitters in Littrow-Anordnung, wobei ein zusätzlicher Reso nator über die 0. Gitter-Ordnung gebildet ist.

Fig. 11 veranschaulicht die oben bereits vorgenommene Unter scheidung zwischen gekoppelten Resonatoren in Michelson-Anord nung einerseits und in Fox-Smith-Anordnung andererseits. Fig. 11 a) zeigt eine Michelson-Anordnung, bei der der verstärkende Kristall K und der Strahlteiler S in Bezug auf die Spiegel M₁, M₂ und M₃ so angeordnet ist, daß der Kristall K in beiden Reso natoren R₁ und R₂ wirksam ist. Bei den Fox-Smith-Anordnungen gemäß Fig. 11 b) und 11 c) befindet sich hingegen nur im ersten Resonator R₁ ein verstärkender Kristall K, während die jeweils mit dem Resonator R₁ gekoppelten zweiten Resonatoren R₂ keinen verstärkenden Kristall enthalten.

Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines schmalban dig abstimmbaren optischen parametrischen Oszillators unter Verwendung eines strahlteilenden Gitters G. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel ist nicht nur die nullte Beugungsordnung (0.0.) des Gitters G, sondern auch noch eine interferometrische (durch Interferenz gegebene) Kopplung der ersten Beugungsordnung (1.0.) und der am Gitter reflektierten Beugungsordnung (Spiegel M₃) vorgesehen. In der Figur sind die Beugungsordnungen der Strah len und ihre Richtungen eingezeichnet.

Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines schmalban dig abstimmbaren optischen parametrischen Oszillators, bei dem ein Spiegel M₁ senkrecht dem Gitter gegenüber angeordnet ist, d. h. die Spiegelebene ist parallel zur Gitterebene. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die emittierte Wellenlänge (Emission durch den Spiegel M₂) durch Drehung der Gesamtanordnung aus Gitter und Spiegel M₁ abgestimmt. Der Spiegel M₂ reflektiert die nullte Beugungsordnung zurück.

Fig. 14 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele erfindungsge mäßer schmalbandig abstimmbarer optischer parametrischer Oszil latoren, bei denen die beiden verstärkenden Kristalle (OPOs) K₁ und K₂ jeweils gegensinnig angeordnet sind (was in den Figuren schematisch dargestellt ist), um eine sogenannte "Walk-Off"-Kompensation zu erreichen, d. h. eine Wellenlängenstabilisierung zu bewirken. Die beiden verstärkenden Kristalle K₁ und K₂ sind in verschiedenen Zweigen der Interferometer angeordnet.

Claims

1. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator (OPO) mit mindestens einem optischen parametrischen Verstärkermedium, das in einem ersten optischen Resonator aus mindestens zwei Spiegeln (1, 2) angeordnet ist, und mit einer Einrichtung (4) zum Einkop peln von Pumpstrahlung in das Verstärkermedium, wobei mindestens eine weitere reflektierende Fläche (3) außerhalb des ersten Resonators so angeordnet ist, daß diese mit zumindest einem der genannten Spiegel (1, 2) des ersten Resonators mindestens einen zweiten Resonator bildet, der mit dem ersten Resonator optisch gekoppelt ist, wobei die Reflektivitäten der Spiegel (1, 2) des ersten Resonators und der weiteren reflektie renden Fläche (3), die Abstände (d1, d2) der Spiegel (1, 2) und der reflektierenden Fläche (3) voneinander und das spektrale Verstärkungsprofil des optischen parametrischen Verstärkermediums so gewählt sind, daß die Ausgangsstrahlung der gekoppelten Re sonatoren nur eine oder wenige Moden enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
das optische parametrische Verstärkermedium ein Kristall ist aus ß-Barium Borat (BBO) oder Cäsium-Borat (CBO) oder Kalium- Beryllium-Borat-Fluorid (KBBF) oder Strontium-Beryllium-Borat (SBBO) oder Kalium-Titanyl-Phosphat (KTP) oder Kalium-Titanyl-Arsenat (KTA) oder Rubidium-Titanyl-Arsenat (RTA) oder Cäsium-Titanyl-Arsenat (CTA) oder Kalium-Niobat (KNB) oder Lithium-Niobat-Arsenat (LiNbO₃) und
daß die beiden gekoppelten Resonatoren eine Fox-Smith-Anordnung bilden.

2. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator (OPO) mit mindestens einem optischen parametrischen Verstärkermedium, das in einem ersten optischen Resonator aus mindestens zwei Spiegeln (1, 2) angeordnet ist, und mit einer Einrichtung (4) zum Einkop peln von Pumpstrahlung in das Verstärkermedium, wobei mindestens eine weitere reflektierende Fläche (3) außerhalb des ersten Resonators so angeordnet ist, daß diese mit zumindest einem der genannten Spiegel (1, 2) des ersten Resonators minde stens einen zweiten Resonator bildet, der mit dem ersten Reso nator optisch gekoppelt ist, wobei die Reflektivitäten der Spie gel (1, 2) des ersten Resonators und der weiteren reflektie renden Fläche (3), die Abstände (d1, d2) der Spiegel (1, 2) und der reflektierenden Fläche (3) voneinander und das spektrale Verstärkungsprofil des optischen parametrischen Verstärkerme diums so gewählt sind, daß die Ausgangsstrahlung der gekoppel ten Resonatoren nur eine oder wenige Moden enthält, wobei die beiden Resonatoren eine Michelson-Anordnung oder eine Fox-Smith-Anordnung bilden und ein Gitter (G) als Strahlteiler in zumindest einem der Resonatoren angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter nicht mit streifendem Einfall (grazing incidence) angeordnet ist.

3. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator (OPO) mit mindestens einem optischen parametrischen Verstärkermedium, das in einem ersten optischen Resonator aus mindestens zwei Spiegeln (1, 2) angeordnet ist, und mit einer Einrichtung (4) zum Einkop peln von Pumpstrahlung in das Verstärkermedium, wobei mindestens eine weitere reflektierende Fläche (3) außerhalb des ersten Resonators so angeordnet ist, daß diese mit zumindest einem der genannten Spiegel (1, 2) des ersten Resonators minde stens einen zweiten Resonator bildet, der mit dem ersten Resona tor optisch gekoppelt ist, wobei die Reflektivitäten der Spiegel (1, 2) des ersten Resonators und der weiteren reflektierenden Fläche (3), die Abstände (d1, d2) der Spiegel (1, 2) und der reflektierenden Fläche (3) voneinander und das spektrale Ver stärkungsprofil des optischen parametrischen Verstärkermediums so gewählt sind, daß die Ausgangsstrahlung der gekoppelten Re sonatoren nur eine oder wenige Moden enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei den ersten Resonator bildenden Spiegel (1, 2) direkt auf gegenüberliegenden Seiten des Verstärkermediums (K) angeord net sind.

4. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator (OPO) mit mindestens einem optischen parametrischen Verstärkermedium, das in einem ersten optischen Resonator aus mindestens zwei Spiegeln (1, 2) angeordnet ist, und mit einer Einrichtung (4) zum Einkop peln von Pumpstrahlung in das Verstärkermedium, wobei mindestens eine weitere reflektierende Fläche (3) außerhalb des ersten Resonators so angeordnet ist, daß diese mit zumindest einem der genannten Spiegel (1, 2) des ersten Resonators minde stens einen zweiten Resonator bildet, der mit dem ersten Resona tor optisch gekoppelt ist, wobei die Reflektivitäten der Spiegel (1, 2) des ersten Resonators und der weiteren reflektierenden Fläche (3), die Abstände (d1, d2) der Spiegel (1, 2) und der reflektierenden Fläche (3) voneinander und das spektrale Ver stärkungsprofil des optischen parametrischen Verstärkermediums so gewählt sind, daß die Ausgangsstrahlung der gekoppelten Re sonatoren nur eine oder wenige Moden enthält, wobei die beiden Resonatoren eine Michelson-Anordnung oder eine Fox-Smith-Anord nung bilden und ein Gitter (G) als Strahlteiler in zumindest einem der Resonatoren angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine interferometrische Kopplung der nullten und der ersten Beugungsordnung des Gitters.

5. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach ei nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonator ein stabiler Resonator ist.

6. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonator ein instabiler Resonator ist.

7. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der instabile Resonator ein konfokaler instabiler Resonator ist.

8. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der konfokale instabile Resonator ein Resonator im positiven Bereich ist.

9. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß genau eine reflek tierende Fläche außerhalb des ersten Resonators angeordnet ist.

10. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei reflektierende Flächen außerhalb des ersten Resonators angeordnet sind.

11. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei reflektierende Flächen außerhalb des ersten Resonators angeordnet sind.

12. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel des ersten Resonators eine zweite teilreflektierende, parallele Fläche aufweist, die mit der dem Resonator zugewandten Spiegel fläche ein Festkörperetalon bildet.

13. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel des ersten Resonators eine zweite teilreflektierende, parallele Fläche aufweist, die mit der dem Resonator zugewandten Spie gelfläche ein Festkörperetalon bildet und ein zweites Festkör peretalon außerhalb des ersten Resonators angeordnet ist.

14. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das optische parametrische Verstärkermedium ein Kristall ist aus ß-Barium Borat (BBO) oder Cäsium-Borat (CBO) oder Kalium-Beryllium- Borat-Fluorid (KBBF) oder Strontium-Beryllium-Borat (SBBO) oder Kalium-Titanyl-Phosphat (KTP) oder Kalium-Titanyl-Arsenat (KTA) oder Rubidium-Titanyl-Arsenat (RTA) oder Cäsium-Titanyl-Arsenat (CTA) oder Kalium-Niobat (KNB) oder Lithium-Niobat-Arsenat (LiNbO₃).

15. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische para metrische Verstärkermedium drehbar gelagert ist und daß sowohl der erste Resonator als auch die zumindest eine extern des ersten Resonators angeordnete reflektierende Fläche Mittel (5) zum Ändern der Resonatorlänge besitzen, so daß durch Abstimmung der Drehung des optischen parametrischen Verstärkermediums und der Resonatorlänge die schmalbandige Ausgangsstrahlung kontinu ierlich über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

16. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische para metrische Verstärkermedium drehbar gelagert ist und zumindest einer der Resonatoren in einem druckdichten Gehäuse angeordnet ist, wobei Mittel zur Änderung des Gasdruckes im Gehäuse vorge sehen sind, so daß durch Drehung des optischen parametrischen Verstärkermediums und Änderung des Druckes im Gehäuse die schmalbandige Ausgangsstrahlung kontinuierlich über einen wei ten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

17. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung impulsförmig eingestrahlt wird.

18. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung kontinuierlich eingestrahlt wird.

19. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der zumindest zwei Resonatoren zumindest ein optisches parametri sches Verstärkermedium (K₁, K₂) angeordnet ist.

20. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorspiegel bzw. die weitere reflektierende Fläche nur für die Signalstrahlung des OPO reflektierend sind.

21. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorspiegel bzw. die weitere reflektierende Fläche nur für die Idler-Strahlung des OPO reflektierend sind.

22. Abstimmbarer optischer parametrischer Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorspiegel und die weitere reflektierende Fläche für die Signalstrahlung und die Idler-Strahlung des OPO reflektierend sind.