DE19642409A1

DE19642409A1 - Passiv verriegelter externer optischer Hohlraum

Info

Publication number: DE19642409A1
Application number: DE1996142409
Authority: DE
Inventors: David A King; Richard J Pittaro; Jun Hewlett E Melton
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Sanofi Aventis Deutschland GmbH
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JP3878257B2; DE19642409B4; JPH09167868A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Systeme zur Erzeu gung von Laserstrahlung. Insbesondere bezieht sich diese Er findung auf einen Dioden-gepumpten, passiv verriegelten La ser mit einem linearen optischen Hohlraum.

Bei vielen Laseranwendungen (beispielsweise der chemischen Erfassung) wird Laserlicht hoher Intensität benötigt. Eine Möglichkeit, Licht hoher Intensität zu liefern, besteht dar in, Licht zu verwenden, das in einem optischen Hohlraum ein gefangen ist. Ein optischer Hohlraum oder Resonator besteht aus zwei oder mehr Spiegeloberflächen, die derart angeordnet sind, daß einfallendes Licht eingefangen werden kann, wobei es zwischen den Spiegeln hin- und hergeworfen wird. Auf die se Weise kann das Licht innerhalb des Hohlraums eine um vie le Größenordnungen höhere Intensität als das einfallende Licht aufweisen.

Bei vielen Anwendungen befindet sich das optische Verstär kungsmedium (beispielsweise eine Helium-Neon-Entladungsröh re) innerhalb des optischen Hohlraums. Bei einem typischen Diodenlaser sind die Hohlraumspiegel direkt auf dem Dioden verstärkungsmedium selbst abgeschieden. Bei einigen Anwen dungen, beispielsweise einer Frequenzabstimmung und einer Linienbreiten-Verengung, sind jedoch eine oder beide der Fa cetten der Diode antireflexionsbeschichtet, wobei die Diode innerhalb eines optischen Hohlraums betrieben wird, der durch Spiegel außerhalb der Diode definiert ist. Obwohl ein Diodenverstärkungsmedium innerhalb eines solchen Hohlraums betrieben werden kann, begrenzt die geringe Beschädigungs schwelle der Emissionsfacette der Diode den Betrag des Lei stungsaufbaus in dem Hohlraum schwerwiegend.

Um diese Begrenzung zu überwinden, während noch ein großes optisches Feld erzeugt wird, kann der Diodenlaser außerhalb eines separaten optischen Hohlraums hoher Feinheit plaziert sein, in dem die Diodenlaserstrahlung eingefangen ist. Die ser separate Hohlraum wird hierin nachfolgend als ein "Auf bau"-Hohlraum bezeichnet. Diodenlaser emittieren jedoch Strahlung mit einer optischen Bandbreite, die viel größer als die eines Aufbauhohlraums hoher Feinheit ist. Um eine wesentliche Verstärkung der Diodenlaserstrahlung in einem Aufbauhohlraum zu erreichen, muß der Diodenlaser getrieben werden, um kohärente Strahlung mit einer Bandbreite zu emit tieren, die der des Hohlraums bei einer Hohlraumresonanzfre quenz nahe kommt oder mit derselben übereinstimmt. Dieses Verfahren wird hierin nachfolgend als "optische Verriege lung" bezeichnet.

Eine Möglichkeit die Bandbreite von Diodenlasern zu reduzie ren besteht darin, eine vollelektronische Frequenzverriege lung von Diodenlasern zu verwenden. Diese Technik erfordert jedoch sehr schnelle Servomechanismen, ein großes Maß an op tischer Isolation des Diodenlasers von dem Hohlraum und eine hochentwickelte elektronische Steuerung.

Alternativ kann eine wesentliche Linienbreitenreduzierung mit optischen Rückkopplungs-Schemata (d. h. passiven Schema ta) erreicht werden. Beispielsweise berichten Dahmani u. a. in "Frequency stabilization of semi-conductor lasers by re sonant optical feedback", Opt. Lett., 12, S. 876-878 (1987), von einer passiven optischen Verriegelung eines Dio denlasers auf einen Aufbauhohlraum. Bei dieser Technik wird Licht von einem Diodenlaser in einen Aufbauhohlraum gelei tet. Wenn das Licht eine Frequenz aufweist, die an die Hohl raumresonanzfrequenz angepaßt ist, wird das Licht eingefan gen. Ein Teil des eingefangenen Lichts wird dann in den Dio denlaser zurückgeleitet, um als ein passiver Rückkopplungs mechanismus zu wirken, was die Frequenz des Diodenlasers ge ringer Feinheit auf die des Aufbauhohlraums hoher Feinheit verriegelt und ferner die Diodenemissionsbandbreite redu ziert.

Ein Nachteil von Systemen, die ähnlich denen von Dahmani u. a. sind, besteht darin, daß derartige Systeme eine schwa che optische Verriegelung verwenden: nur ein sehr geringer Teil des Lichts in dem Aufbauhohlraum wird zu dem Diodenla ser zurückgeführt. Der Nachteil der schwachen optischen Ver riegelungstechnik besteht darin, daß dieselbe noch eine sorgfältige elektromechanische Steuerung sowohl des Betrags als auch der Phase des Lichts, das zu dem Diodenlaser zu rückgeführt wird, erfordert. Außerdem enthält ein solches System zumindest vier Reflektoren.

Eine passive volloptische Verriegelung von antireflexionsbe schichteten Diodenlasern auf externe Resonanzhohlräume wurde in jüngerer Zeit umfassend ausgewertet. Beispiele umfassen eine Frequenzverdoppelung (U.S. Patent Nr. 5,038,352, Koz lovsky u. a., "Blue light generation by resonator-enhanced frequency doubling of an extended-cavity diode laser", Aug. 1994, Bd. 65 (5), S. 525-527, Appl. Phys. Lett.), eine Frequenzmischung (P.G. Wigley, Q. Zhang, E. Miesak und G.J. Dixon, "High power 467nm passively-locked signal-resonant sum frequency laser", Post Deadline Paper CPD21-1, Confe rence on Lasers and Electro-optics, Baltimore, MD., Optical Society of America, 1995), und eine chemische Erfassung (U.S. Patent Nr. 5,432,610). In dem U.S. Patent Nr. 5,432, 610 (siehe oben), das hiermit durch Bezugnahme in seiner Ge samtheit aufgenommen ist, sind mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen ein Diodenlaser optisch auf einen ex ternen Resonanzhohlraum verriegelt wird. Das U.S. Patent Nr. 5,432,610 lehrt, daß eine breite Beschränkung für den Dio denstrom existiert, und daß zusätzliche Komponenten erfor derlich sein können, um Reflexionen außerhalb der Resonanz für ein System, das drei reflektierende Elemente enthält, zu beseitigen.

Um die Schwierigkeit der passiven volloptischen Verriegelung eines Diodenlasers zu zeigen, wird im folgenden eine kurze Beschreibung der physikalischen Grundlagen eines optischen Hohlraums gegeben. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, definieren zwei reflektierende Oberflächen 2 und 4 (mit Reflexionsver mögen (Reflexionskoeffizienten) R₁ bzw. R₂) einen Hohlraum 6. Dieser Hohlraum 6 weist einen Kamm von Resonanzfrequenzen auf, wobei der Kammabstand c/2L ist (c ist die Lichtge schwindigkeit in dem Hohlraum und L ist der optische Abstand zwischen den zwei reflektierenden Oberflächen 2 und 4).

Licht, das auf einen linearen Hohlraum einfällt, wird im allgemeinen einem von zwei möglichen Phänomenen unterworfen, wie in Fig. 1 dargestellt ist. In Fig. 1A ist die Frequenz des einfallenden Lichts 8 weit entfernt von einer Hohlraum resonanzfrequenz. Folglich wird das einfallende Licht 8 ein fach durch die Oberfläche 2 als reflektiertes Licht 10 re flektiert. Fig. 1B stellt die Situation dar, in der das ein fallende Licht 8 bei (oder sehr nahe an) der Hohlraumreso nanzfrequenz ist. In diesem Fall wird das einfallende Licht als ein Innerhohlraumstrahl 12 zwischen den Oberflächen 2 und 4 eingefangen. Das eingefangene Licht entweicht zusätz lich durch die Oberflächen 2 und 4, was den reflektierten Strahl 10 bzw. den transmittierten Strahl 14 von dem Hohl raum bewirkt. Das Entweichen ist hinsichtlich des einfallen den Strahls 8 phasenverschoben, wodurch eine destruktive In terferenz mit dem Teil des Strahls 10 bewirkt wird, der ein fach und nicht-resonant von der Oberfläche 2 reflektiert wird.

Wenn der einfallende Strahl 8 bei der Hohlraumresonanzfre quenz ist, ist das effektive Reflexionsvermögen (der Refle xionskoeffizient) des Hohlraums 6 geringer als das einfache Nichtresonanz-Reflexionsvermögen (oder der Reflexionskoeffi zient) der Oberfläche 2. Dieser Effekt ist in Fig. 1C ge zeigt, in der das Reflexionsvermögen des Hohlraums (I_ref/ I_inc), das in Fig. 1A und Fig. 1B gezeigt ist, als eine Funktion der normierten Frequenz aufgezeichnet ist. Die Fre quenz ist auf einen Kammabstand des Hohlraums normiert, der art, daß eine Hohlraumresonanz für jeden ganzzahligen Wert der normierten Frequenz auftritt. Die Hohlraumbandbreite ist die volle Breite am halben Maximum jeder Resonanz und wird geringer, wenn die Reflexionsvermögen der Oberflächen 2 und 4 abnehmen. Wenn R₁ gleich R₂ wird, ist der Betrag der Reso nanz- und der Nichtresonanz-Reflexionen von der Oberfläche 2 gleich, wobei deren Phasen um 180° verschoben sind. Auf die se Weise fällt (beim Fehlen einer Streuung) das Hohlraumre flexionsvermögen bei einer Hohlraumresonanz auf Null.

Das Ziel der passiven Verriegelung eines Diodenlasers auf einen Hohlraum besteht darin, einen Innerhohlraumstrahl 12 mit einem einfallenden Strahl 8 von dem Diodenlaser zu er zeugen. Dies erlegt dem Diodenlaser erwünschte optische Ei genschaften (beispielsweise Bandbreite und Frequenz) auf, die von dem Hohlraum stammen. Der reflektierte Strahl 10 von dem Hohlraum wird verwendet, um den Diodenlaser frequenz mäßig auf eine Hohlraumresonanz zu verriegeln. Jedoch zeigt Fig. 1C, daß der reflektierte Strahl 10 bei einer Hohlraum resonanz der Schwächste ist. Folglich scheint es, daß der Laser durch eine optische Rückkopplung dazu tendiert, die Schwelle bei einer anderen Frequenz als einer Hohlraumreso nanzfrequenz zu erreichen, wenn der Diodenstrom erhöht wird. Deshalb wurde von Fachleuten lange angenommen, daß die Struktur, die in Fig. 1A gezeigt ist, für eine Frequenzver riegelung eines Diodenlasers stark ungeeignet ist.

Verschiedene Lösungsansätze wurden verwendet, um die oben genannte destruktive Interferenz zu reduzieren, und um si cherzustellen, daß die intensivste Reflexion zurück in den Diodenlaser eindeutig von dem optischen Hohlraum stammt. Ein einfacher Lösungsansatz besteht darin, zusätzliche Hohl raum-Reflektoren oder -Reflexionen zu verwenden, die eine räumliche Isolation der Resonanzrückkopplung ermöglichen (Dahmani u. a., "Frequency stabilization of semiconductor lasers by resonant optical feedback", siehe oben). Weitere Lösungen basieren auf der Verwendung einer sehr kleinen Rückkopplung in den Diodenlaser von einer Spiegel-induzier ten Doppelbrechung (C.E. Tanner, u. a., "Atomic beam collima tion using a laser diode with a self locking power-build-up cavity", Mai 1988, Bd. 13 (5), S. 357-359, Optics Letters) oder sehr schwach angeregter Gegenausbreitungsmoden (A. Hem merich, u. a., "Second-harmonic generation and optical stabi lization of a diode laser in an external ring resonator", April 1990, Bd. 15 (7), S. 372-374, Optics Letters). Je doch tendieren derartige zusätzliche Reflektoren dazu, die Komplexität und das Ausmaß des Aufbaus des Lasersystems zu erhöhen.

Es ist manchmal erwünscht, daß schmalbandiges Laserlicht auf unterschiedliche Frequenzen abstimmbar ist. Herkömmliche Quellen einer abstimmbaren Strahlung, beispielsweise Farb stofflaser, sind strukturell komplex und relativ groß. Dio denlaser sind einfach, klein und etwas abstimmbar, wobei dieselben jedoch keine Schmalbandstrahlung emittieren. Eine Erhöhung der Ausgangsleistung von Diodenlasern, um die Band breite zu verringern, ist nicht bevorzugt, da eine Erhöhung um mehrere Größenordnungen erforderlich ist, und die geringe Beschädigungsschwelle von Diodenlasern die Leistung der ein zelnen Dioden auf mäßig geringe Werte begrenzt. Eine bessere Alternative besteht darin, die Länge des Diodenhohlraums zu erhöhen. Dies wird am häufigsten durch eine Antireflexions beschichtung der Emissionsfacette des Diodenlasers und das Plazieren eines äußeren Reflektors in einem relativ großen Abstand von der Diode erreicht. Dieser Lasertyp wird übli cherweise als ein Externhohlraum-Diodenlaser bezeichnet. Ei ne Abstimmbarkeit dieser Vorrichtung wird durch die Verwen dung eines Reflexionsgitters als externem Reflektor erreicht (beispielsweise Hewlett-Packard Journal, Februar 1993). Je doch hat eine Zunahme der Hohlraumlänge (typischerweise im Bereich von 10 oder einigen 10 cm) eine Zunahme der Hohl raum-Longitudinalmodendichte zur Folge. Wenn das Gitter ab gestimmt wird, findet sehr häufig ein Longitudinalmoden springen (eine unzweckmäßige Diskontinuität in der Abstimm kurve) statt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Lasersystem zu schaffen, das einen passiv verriegelten Laser mit einem relativ einfachen Aufbau aufweist, der noch in der Lage ist, Licht hoher Intensität zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch ein Lasersystem gemäß Anspruch 1 und Anspruch 12 gelöst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, ein Verfahren zum passiven Verriegeln eines Laserver stärkungsmediums zu schaffen, um einen passiv verriegelten Laser mit einem relativ einfachen Aufbau zu schaffen, der noch in der Lage ist, Licht hoher Intensität zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 ge löst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Lasersystem, das einen ersten Resonanzhohlraum und einen zweiten Resonanzhohlraum mit einem gemeinsamen Reflektor zwischen denselben aufweist. Diese Resonanzhohlräume sind hierin jeweils als der "Laser hohlraum" und der "externe Resonanzhohlraum" (oder einfach der "externe Hohlraum") definiert. Typischerweise weist das Laseraufbausystem drei Reflektoren auf: einen ersten Reflek tor mit einem Reflexionsvermögen (R₁), einen zweiten Reflek tor, der von dem ersten Reflektor beabstandet ist, um den Laserhohlraum zu definieren, und einen dritten Reflektor, der von dem zweiten Reflektor beabstandet ist, um den exter nen Hohlraum zu definieren. Der zweite Reflektor weist ein Reflexionsvermögen (R₂) auf, das größer ist als das Reflexi onsvermögen (R₁) des ersten Reflektors. Der dritte Reflektor weist ebenfalls ein Reflexionsvermögen (R₃) auf, das größer ist als das Reflexionsvermögen des ersten Reflektors (R₁). Ein Laserverstärkungsmedium ist in dem Laserhohlraum enthal ten, um Licht zu emittieren, um in dem Laserhohlraum in Re sonanz zu treten. Licht gelangt aus dem Laserhohlraum, um in dem externen Resonanzhohlraum in Resonanz zu treten. Ein Teil des Lichts gelangt aus dem externen Resonanzhohlraum zurück in den Laserhohlraum, um das Laserverstärkungsmedium optisch zu verriegeln.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Hohlraum länge des externen Resonanzhohlraums einstellbar, um die Re sonanzfrequenz abzustimmen.

Unter Verwendung eines solchen Systems ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserlichts hoher Intensität geschaffen. Bei diesem Verfahren tritt Licht, das von dem Laserverstärkungs medium emittiert wird, in dem Laserhohlraum in Resonanz und betritt den externen Resonanzhohlraum, wobei es in demselben in Resonanz tritt, um eine hohe Intensität zu erreichen. Ein Teil des Resonanzlichts in dem externen Resonanzhohlraum wird durch den zweiten Reflektor zurück zu dem Laserhohlraum transmittiert, um das Laserverstärkungsmedium durch eine starke optische Rückkopplung optisch auf eine Resonanzfre quenz des externen Resonanzhohlraums zu verriegeln.

Im Gegensatz zu bekannten Externhohlraum-Diodenlasern ist bei der vorliegenden Erfindung das Reflexionsvermögen des zweiten Reflektors (R₂) nicht kleiner gemacht als das des ersten Reflektors (R₁). Aufgrund der Wahl der relativen Wer te von R₁, R₂ und R₃, ist die Frequenzbandbreite des Laser hohlraums größer als die des externen Hohlraums. Bei diesem Laseraufbausystem dominiert der externe Schmalbandhohlraum durch eine optische Rückkopplung das Laserverstärkungsmedi um. Auf diese Weise kann eine volloptische passive Verriege lung (ohne den Bedarf nach elektromechanischen Komponenten, um die räumliche Beziehung der optischen Elemente oder die optische Phase einzustellen) des Laserverstärkungsmediums auf den externen Hohlraum erhalten werden. Anders als bei herkömmlichen passiv verriegelnden Lasersystemen ist bei der vorliegenden Erfindung ein stabiler Betrieb mit einer dimen sionierbaren Menge einer Resonanzrückkopplung erhältlich, um das Laserverstärkungsmedium auf die Resonanzfrequenz des ex ternen Hohlraums zu verriegeln. Dies wird als passive "Starkrückkopplungs"-Verriegelung bezeichnet. Bei einer sol chen passiven Starkrückkopplungsverriegelung wird anders als bei den oben erwähnten herkömmlichen Systemen kein zusätzli cher elektromagnetischer Mechanismus benötigt, um die Phase und den Betrag des Lichts zu steuern, das zu dem Laserver stärkungsmedium zurückgeführt wird.

Jedoch benötigt im Unterschied zu herkömmlichen Laseraufbau systemen, die eine relativ große Rückkopplungsverriegelung verwenden (beispielsweise im U.S. Patent Nr. 5,038,352 oder bei Kozlovsky), die zusätzliche optische Elemente (bei spielsweise Spiegel) erfordern, um die Stabilität zu er leichtern, das vorliegende Laseraufbausystem keine zusätzli chen Elemente für eine zusätzliche Stabilität. Es ist allge mein bekannt, daß zusätzliche optische Elemente eine Aus richtung erfordern und das Herstellungsverfahren komplizie ren, und ferner die Kosten für die Komponenten erhöhen.

Da sich das Laserverstärkungsmedium nicht innerhalb des ex ternen Hohlraums befindet, kann gemäß der vorliegenden Er findung ferner ein Licht sehr hoher Intensität (Leistung) in dem externen Hohlraum vorliegen, ohne eine Beschädigung des Laserverstärkungsmediums zu bewirken. Das hohe Reflexions vermögen der Reflektoren ermöglicht, daß Licht in mehreren Durchläufen in dem externen Hohlraum reflektiert wird, wo durch eine schmale Bandbreite ermöglicht wird, ohne eine große Hohlraumlänge zu erfordern. Gemäß dieser Erfindung kann eine Laserlichtquelle hoher Intensität mit einer theo retisch minimalen Anzahl von Komponenten aufgebaut sein (einschließlich optischer Elemente, beispielsweise Reflekto ren, und elektromechanischer Elemente, um die Position der optischen Elemente fein abzustimmen). Die Intensität in dem externen Resonanzhohlraum kann um eine oder mehrere Größen ordnungen höher sein als die des Laserhohlraums und kann 10 bis 10⁵ mal so hoch wie die sein, die durch das Verstär kungsmedium emittiert wird. Ferner besitzt der externe Schmalbandbreitenhohlraum einen zeitlichen Mittelungseffekt auf die Diodenemission, was schnelle Schwankungen minimiert (der externe Hohlraum kann als ein optischer Kondensator be trachtet werden). Daher ist die vorliegende Erfindung ein zigartig geeignet, um eine kompakte Lichtquelle hoher Inten sität zu liefern.

Das Licht hoher Intensität, das bei dem Laseraufbausystem oder dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verfügbar ge macht wird, weist eine Vielzahl von Anwendungen auf. Bei spiele schließen die folgenden ein, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: (1) Diodenlaser-Modenreinigung - wo ein gut charakterisierter Ausgangsstrahl von einer oder mehreren Festkörperquellen erforderlich ist; (2) chemische Erfassung (wie beispielsweise in dem US-Patent 5,432,610 und in dem US-Patent 5,437,840 beschrieben ist); eine Partikelzählung; eine nichtlineare Frequenzerzeugung (beispielsweise unter Verwendung eines nichtlinearen Mediums innerhalb des exter nen Hohlraums); eine Umweltbedingungs-Erfassung; und eine Abstandsmessung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die bei liegenden Zeich nungen, in denen gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren gleiche Merkmale bezeichnen, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A eine schematische Darstellung von Licht, das ohne Resonanz auf einen optischen Hohlraum einfällt;

Fig. 1B eine schematische Darstellung von Licht, das mit Resonanz auf einen optischen Hohlraum einfällt;

Fig. 1C eine grafische Darstellung einer Hohlraumreflexion, bezogen auf eine normierte Frequenz, die den Effekt der Reflexionsvermögen der Reflektoren in einem optischen Hohlraum zeigt;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels des Lasersystems der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels des Lasersystems der vorliegen den Erfindung, das eine Modenanpassungsvorrichtung aufweist;

Fig. 4A eine schematische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Lasersystems der vorlie genden Erfindung, bei dem sich die reflektierenden Oberflächen des Laserhohlraums auf dem Verstär kungsmedium befinden;

Fig. 4B eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels des Lasersystems der vorliegenden Erfin dung, das mehr als ein Verstärkungsmedium auf weist;

Fig. 5 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Lasersystems der vorlie genden Erfindung mit einer Frequenzbegrenzungsvor richtung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels einer Frequenzbegrenzungsvorrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;

Fig. 7 eine grafische Darstellung des Schwellenstroms des Verstärkungsmediums bezogen auf die Laserhohlraum länge und die Externhohlraumlänge mit einer Fre quenzbegrenzungsvorrichtung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Lasersystems der vorlie genden Erfindung, die einen nichtlinearen Kristall in dem externen Hohlraum zeigt;

Fig. 9 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Lasersystems der vorlie genden Erfindung, die einen nichtlinearen Kri stall, auf dem reflektierende Oberflächen gebildet sind, zeigt;

Fig. 10 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Lasersystems der vorlie genden Erfindung, bei dem die reflektierenden Oberflächen auf einen Festkörperträger aufgebracht sind;

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels des Lasersystems der vorliegenden Erfin dung, die eine Probe, die analysiert wird, und ei nen Detektor zum Erfassen der Lichtwechselwirkung durch die Probe zeigt; und

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels des Lasersystems der vorliegenden Erfin dung, die einen piezoelektrischen Stapel zum Ein stellen des Abstands zwischen dem zweiten und dem dritten Reflektor zeigt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine zweite reflektie rende Oberfläche (oder ein Reflektor) mit einem relativ großen Reflexionsvermögen zwischen einer ersten reflektie renden Oberfläche (oder einem Reflektor) und einer dritten reflektierenden Oberfläche (oder einem Reflektor) angeord net, um einen Laserhohlraum (der ein Laserverstärkungsmedium enthält) und einen externen Hohlraum zu definieren. Licht tritt in dem externen Hohlraum in Resonanz und gelangt aus demselben zurück, um eine Rückkopplung zu liefern, um das Laserverstärkungsmedium passiv auf die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums zu verriegeln.

Ein erste bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Laseraufbau systems ist in Fig. 2 gezeigt. Drei reflektierende Oberflä chen (oder Reflektoren) 101, 102 und 104 sind bei dem Laser system derart angeordnet, daß sich Licht auf einem geradli nigen Lichtweg (der durch eine Achse oder Linie 106 darge stellt ist) zwischen denselben ausbreiten kann. Die Reflexi onsvermögen der drei Oberflächen 101, 102 und 104 sind R₁, R₂ bzw. R₃. Ein Laserhohlraum 108 (in diesem Fall ein opti scher Zweispiegelhohlraum) ist zwischen den reflektierenden Oberflächen (oder Reflektoren) 101 und 102 definiert. Die reflektierenden Oberflächen 102 und 104 definieren einen weiteren Zweispiegelhohlraum, den externen Hohlraum 106. Ein optisches Verstärkungsmedium 114 ist auf eine solche Art und Weise in dem Laserhohlraum 108 angeordnet, daß dasselbe Licht, das sich entlang der Achse 106 ausbreitet, verstärkt, ohne irgendeine wesentliche, zusätzliche Reflexion einzufüh ren. Dies kann durch eine Antireflexionsbeschichtung der Fa cetten des Verstärkungsmediums 114 geschehen, um eine Refle xion zu beseitigen. Eine alternative Möglichkeit, eine Re flexion von dem Verstärkungsmedium zu vermeiden, besteht darin, die Facette(n) desselben abzuschrägen. Wenn die Werte von R₁, R₂ und R₃ gemäß der Erfindung gewählt sind und das Verstärkungsmedium eine optische Nichtlinearität zeigt, dann weist oberhalb der Laserschwelle das Licht in beiden Hohl räumen 108 und 110 die gleichen optischen Eigenschaften (d. h. Frequenz und Bandbreite) auf. Die optischen Eigen schaften des Lichts in dem Laserhohlraum 108 sind durch das Licht in dem externen Hohlraum 110 bestimmt.

Ein signifikanter Teil des Lichts, das auf den externen Hohlraum 110 einfällt, gelangt durch die reflektierende Oberfläche 102 in den Laserhohlraum 108 zurück, um das Ver stärkungsmedium optisch zu verriegeln. Abhängig von der An wendung und dem Betrag des Lichts, das den externen Hohlraum verläßt (beispielsweise durch die reflektierende Oberfläche 104), kann sich der Betrag des Lichts, das zurückkehrt, um das Verstärkungsmedium optisch zu verriegeln, ändern. Im allgemeinen beträgt dieser Betrag von etwa 3% bis etwa 90%; und vorzugsweise aufgrund von optischen Begrenzungen allge mein verfügbarer optischer Elemente von etwa 10% bis etwa 50%. Folglich hat dies eine starke optische Rückkopplung für eine volloptische passive Verriegelung des Verstärkungsmedi ums auf die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums zur Fol ge. Ein geeignetes Verstärkungsmedium weist eine adäquate Nichtlinearität auf, so daß dasselbe mit einer starken opti schen Rückkopplung optisch auf den externen Hohlraum verrie gelt werden kann. Obwohl ein Diodenlaser aufgrund seiner großen Nichtlinearität das bevorzugte Verstärkungsmedium ist, können andere nichtlineare Verstärkungsmedien, bei spielsweise ein Titan-dotierter Saphir, organische Materia lien und dergleichen, verwendet werden.

Die Bandbreite eines optischen Hohlraums ist durch die Re flexionsvermögen der Hohlraumspiegel bestimmt. Bei dieser Erfindung sind die Reflexionsvermögen R₂ und R₃ gewählt, um viel größer zu sein als das Reflexionsvermögen R₁. Bei der artigen Reflexionsvermögen ist die Bandbreite des externen Hohlraums 110 um mehrere Größenordnungen kleiner als die Bandbreite des Laserhohlraums 108. Die Laserhohlraumlänge und die Externhohlraumlänge sind die optischen Entfernungen zwischen den Oberflächen 101 und 102 bzw. zwischen den Ober flächen 102 und 104.

Gemäß dieser Erfindung beträgt der Wert von R₁ im allgemei nen von etwa 0,1 bis etwa 0,99, R₂ beträgt von etwa 0,9 bis etwa 0,999999, und R₃beträgt von etwa 0,9 bis etwa 0,999999. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise einer che mischen Analyse (U.S. Patent 5,432,610) beträgt R₁ vorzugs weise von etwa 0,1 bis etwa 0,99, R₂ beträgt von etwa 0,995 bis etwa 0,999999, und R₃ beträgt von etwa 0,995 bis etwa 0,999999, um Licht höherer Intensität in dem externen Hohl raum zu liefern. Bei einigen anderen Anwendungen, beispiels weise einer nichtlinearen Innerhohlraumerzeugung von Licht, liegen die bevorzugten Werte zwischen 0,1 und 0,99 für R₁, zwischen 0,9 und 0,999999 für R₂ und zwischen 0,9 und 0,999999 für R₃. Um eine stärkere optische Rückkopplung zu besitzen, ist es außerdem bevorzugt, daß R₁ kleiner als R₂ ist, das vorzugsweise kleiner als R₃ ist (d. h. R₁ < R₂ < R₃) Jedoch wird das optisch verriegelte System noch funktionie ren, wenn R₂ größer oder gleich R₃ ist. In der Praxis (unter Verwendung realer Komponenten) können R₂ und R₃ gleich sein, wobei das Reflexionsvermögen des Hohlraums aufgrund von Streuverlusten des Lichts dennoch nicht Null ist.

Bei herkömmlichen Externhohlraum-Diodenlasern (ECL; ECL = external cavity diode laser) (beispielsweise denjenigen, die von Jens Buus, Single frequency semiconductor lasers, SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, WA, 1991, Sektion 8.2, beschrieben sind) sind die Oberflächen 101 und 102 die Facetten eines Diodenlasers. Es ist gut bekannt, daß für einen stabilen Betrieb das Reflexionsvermögen R₂ so klein wie möglich gemacht wird - um Größenordnungen kleiner als R₁ (P. Zorabedian, "Axial-mode instability in tunable exter nal-cavity semiconductor lasers", Juli 1994, Bd. 30 (7), S. 1542-1552, IEEE Journal of Quantum Electronics). Es ist ebenfalls gut bekannt, daß, wenn R₃ groß ist und R₂ sich R₁ nähert, das System, das in Fig. 2 gezeigt ist, den Kohärenz kollapsbereich betritt (J. Buus, siehe oben) und der Betrieb instabil wird. Eine Instabilität ist durch eine Ungleichheit der optischen (Phasen-) Eigenschaften des Lichts in den zwei Hohlräumen 108 und 110 gekennzeichnet und hat üblicherweise eine Linienbreitenverbreiterung zur Folge. Unter Bedingungen einer höheren Rückkopplung (beispielsweise mehr als 10%) ar beitet der Diodenlaser nur stabil, wenn die Emissionsfacette antireflexionsbeschichtet ist (R.W. Tkach und A.R. Chraply vy, "Regimes of feedback effects in 1,5 µm distributed feed back lasers", November 1986, Bd. LT-14 (11), S. 1655-1661, Journal of Lightwave Technology). Wenn eine solche Emis sionsfacette antireflexionsbeschichtet ist, ist das Lasersy stem tatsächlich ein Zweispiegel-Lasersystem.

Jedoch wird erstaunlicher Weise bei dem Zweihohlraum-Laser system der vorliegenden Erfindung ein stabiler Betrieb er reicht, wenn R₂ viel größer ist als R₁ (d. h. die entspre chende Transmission desselben um Größenordnungen größer ist als die von R₁). Tatsächlich wird durch das Wählen der Re flexionsvermögen R₁, R₂ und R₃ entsprechend dieser Erfindung ein gänzlich neuer Betriebsbereich erreicht. Außerdem ist das Verhalten dieser Vorrichtung viel besser als das eines herkömmlichen ECL, da die Linienbreite in einem kompakteren Entwurf viel schmaler sein kann, und die Strahlform der stärker erwünschte Hermite-Gaußsche Mode niedrigster Ordnung TEM₀₀ ist. Ein stabiler Betrieb wird bei der vorliegenden Erfindung durch das wohl überlegte Auswählen der Reflexions vermögen der reflektierenden Oberflächen in dem Laseraufbau system erreicht.

Gemäß dieser Erfindung sind zwei Resonanzhohlräume (der La serhohlraum und der externe Hohlraum) durch eine gemeinsame reflektierende Oberfläche, beispielsweise die Oberfläche 102, getrennt. Das Reflexionsvermögen R₁ ist viel kleiner als R₂ und R₃. Es ist gut bekannt, daß die Bandbreite eines einfachen Zweispiegelhohlraums von den Spiegelreflexionsver mögen abhängt - je höher die Reflexionsvermögen, desto kleiner die Bandbreite. Folglich ist die Bandbreite des La serhohlraums 108 viel größer als die des externen Hohlraums 110. Unter einer Breitbandbeleuchtung kann das zirkulierende elektrische Feld in dem Laserhohlraum 108 als die Summe zweier Komponenten betrachtet werden; eine mit einer großen Bandbreite (die in dem Laserhohlraum entsteht) und die ande re mit einer kleinen Bandbreite (die in dem externen Hohl raum 110 entsteht und durch den Spiegel 102 entweicht). Da mit das Licht in dem Laserhohlraum 108 die gleichen opti schen Eigenschaften aufweist wie das Licht in dem externen Hohlraum 110, muß die Komponente mit der schmalen Bandbreite dominieren, wenn die Verstärkung des Verstärkungsmediums 114 zu der Laserschwelle hin erhöht wird.

Fig. 1C zeigt, daß für einen Hohlraum mit R₁ = 0,4 und R₂ = 0,9 (Kurve C1) das Reflexionsvermögen eines Hohlraums bei einer Hohlraumresonanz 60% von dem des vorderen Spiegels (der ein Reflexionsvermögen von R₁ aufweist) sein kann. Die Kurve C2 zeigt das Reflexionsvermögen für einen Hohlraum mit R₁ = R₂. Für ein System, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, bei dem R₁ = 0,85, R₂ = 0,99936 und R₃ = 0,99999, kann das Re flexionsvermögen des externen Hohlraums 110 bei der Hohl raumresonanz zu 94% dessen des vorderen Spiegels (R₂) be rechnet werden. Jedoch ist für eine Laserhohlraumlänge von 5 cm und eine Externhohlraumlänge von 9 cm die Bandbreite des äußeren Hohlraums beinahe 280 mal kleiner als die des Laserhohlraums. Es ist bekannt, daß die Schwelleninversions dichte für eine Lasertätigkeit umgekehrt proportional zu der Hohlraumbandbreite ist (A.E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA, 1986, S. 511). Das Licht mit der schmalen Bandbreite von dem externen Hohlraum wird die Lasertätigkeitsschwelle bei einer geringeren optischen Ver stärkung erreichen als die breitbandige Laserhohlraumkompo nente. Folglich wird das Verstärkungsmedium durch die Rück kopplung von dem externen Hohlraum 110 dominiert, und nicht von der einfachen Reflexion von der Oberfläche 102. Obwohl angenommen wird, daß die obige Theorie korrekt ist, ist der Betrieb und der Aufbau der Lasersysteme der vorliegenden Er findung durchführbar und hängt nicht vor irgendeiner spe ziellen Theorie ab.

Fig. 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Bei diesem ist das Verstärkungsmedium in die Struktur eines Halbleiterdiodenlasers 214 eingebaut. Die hintere Facette des Lasers ist beschichtet, um reflektierend zu sein, und bildet eine Oberfläche 201. Die Emissionsfacette 203 des Diodenlasers ist antireflexionsbeschichtet (AR-beschichtet), mit einem Reflexionsvermögen vorzugsweise im Bereich von we niger als 10^-3. Reflektierende Oberflächen 202 und 204 sind auf Spiegel (Substrate) 207 bzw. 209 beschichtet. Diese Oberflächen weisen geeignete Krümmungen auf, um einen stabi len räumlichen Mode in dem externen Hohlraum 210 (zwischen den Oberflächen 202 und 204) zu unterstützen. Moden-Anpas sungsoptiken 216 (beispielsweise Linsen und/oder Prismen), die Fachleuten gut bekannt sind, können verwendet werden, um die Diodenemission in dem externen Hohlraum 210 räumlich an zupassen. Die Oberfläche 219 des Spiegels (des Substrats) 207, die dem Laserhohlraum 208 zugewandt ist, ist vorzugs weise antireflexionsbeschichtet mit einem Reflexionsvermögen im Bereich von etwa 0,04 bis 0,001. Alternativ kann die Oberfläche 219 eine Schräge in einem Winkel bezüglich des Lichtwegs 206 sein, um die Lichtreflexion derselben in das Verstärkungsmedium zu reduzieren.

Beispielsweise kann ein derartiges System unter Verwendung eines Diodenlasers Philips CQL801D als dem Verstärkungsme dium 214, dessen Emissionsfacette 203 beschichtet ist, um ein Reflexionsvermögen in dem Bereich von 10^-5 bis 10^-4 auf zuweisen, aufgebaut sein. Die Spiegel 207 und 209 (die Ober flächen mit Reflexionsvermögen R₂ = R₃ = 0,99999 aufweisen), können von Research Electro-optics, Boulder, CO, erhalten werden. Der Krümmungsradius jeder der Oberflächen 202 und 204, die den externen Hohlraum bilden, beträgt 5 cm. Die Moden-Anpassungsoptiken bestehen aus einer AR-beschichteten Gradientenindexlinse (GRIN-Linse) mit einer Moden-Anpas sungslinse eines 0,23-Abstands und einer Fokuslänge von 5 cm. Die Externhohlraumlänge beträgt 2 cm und die Laserhohl raumlänge beträgt 4 cm. Bei einem Diodenstrom von etwa 70 mA (der von einer 9V-Transistorbatterie erhalten wird) wurde ein stabiler Dauerwellen-Betrieb (CW-Betrieb; CW = conti nuous wave) mit einer Gesamtleistung von etwa 145 W, die in einem TEM₀₀-Mode in dem externen Hohlraum erzeugt wurde, bei einem derartigen System erhalten.

Der optimale Wert von R₂ hängt von einem Kompromiß zwischen der gewünschten Leistung in dem externen Hohlraum und der Rückkopplung (oder der Systemstabilität) zu dem Verstär kungsmedium ab. Wenn der optische Verlust der Moden-Anpas sungsoptiken (oder irgendeiner anderen optischen Komponente in dem Laserhohlraum) groß ist und die Oberfläche 203 nicht perfekt antireflexionsbeschichtet ist, muß beispielsweise mehr Licht von dem externen Hohlraum in den Laserhohlraum durchgelassen werden, um in dem hohen Rückkopplungsbereich ein stabiles Systemverhalten zu erreichen. Dies kann er reicht werden, indem der Wert von R₂ reduziert wird, während der Wert von R₃ konstant gehalten wird (siehe Fig. 1C). Je doch wird gleichzeitig die Leistung in dem externen Hohlraum abnehmen. In der Praxis hängt der optimale Wert von R₂ von dem optischen Verlust und dem Grad der Modenanpassung ab.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 4A) können bei de reflektierenden Oberflächen des Laserhohlraums auf ein Verstärkungsmedium aufgebracht sein (vorzugsweise einen Dio denlaser). Eine Oberfläche 301 und eine stark reflektierende Oberfläche 302 sind jeweils durch die hintere und die Emis sions-Facette des Diodenlasers gebildet, um ein Dreireflek torsystem (d. h. reflektierende Oberflächen 301, 302, 304) zur Folge zu haben. Die reflektierende Oberfläche 304 kann auf ein Spiegelsubstrat 309 aufgebracht sein. Wiederum soll te die Krümmung der Oberflächen 301, 302 und 304 gewählt sein, um einen stabilen Hohlraummode auf eine Art und Weise zu unterstützen, die Fachleuten gut bekannt ist. Eine geeig nete Technik zum Bilden derartiger reflektierender Oberflä chen besteht aus dem Aufbringen eines dielektrischen Stapel spiegels auf ein Substrat und Übertragen des Stapels auf die Emissionsfacette (E. Schmidt u. a., "Evaporative coatings", Mai 1995, S. 126-128, Photonics spectra).

Fig. 4B zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehr als ein Verstärkungsmedium gleichzeitig mit dem externen Hohlraum optisch verriegelt ist, sofern das zusätzliche Verstärkungs medium oder die Medien eine Nichtlinearität zeigen. Gemäß Fig. 4B, einem System ähnlich dem von Fig. 2, ist ein zu sätzliches Verstärkungsmedium 114A in einem zweiten Laser hohlraum 108A enthalten, der zwischen einer reflektierenden Oberfläche 101A mit einem Reflexionsvermögen von R₄ und der reflektierenden Oberfläche 102 über einen Strahlteiler 103 definiert ist. R₄ kann, muß aber nicht, gleich wie R₁ sein, sofern dasselbe auf eine analoge Art und Weise funktioniert, um eine Resonanz und eine Lichteingabe in den externen Reso nanzhohlraum 110 zu bewirken. In gleicher Weise können das zusätzliche Verstärkungsmedium 114A und der zusätzliche La serhohlraum 108A die gleiche Bandbreite wie das erste Ver stärkungsmedium 114 und der erste Laserhohlraum 108 aufwei sen, müssen jedoch nicht. Tatsächlich können das Verstär kungsmedium 114A und der Laserhohlraum 108A bei einer Fre quenz in Resonanz treten, die sich von der des Verstärkungs mediums 114 und des Laserhohlraums 108 unterscheidet. Der Vorteil des optischen Verriegelns von mehr als einem Ver stärkungsmedium auf den externen Hohlraum besteht darin, daß eine größere Leistung oder zusätzliche Frequenzen in dem ex ternen Hohlraum eingefangen werden können. Zusätzliche Ver stärkungsmedien könnten auf die gleiche Art und Weise hinzu gefügt werden. Der Strahlteiler 103 kann ein Polarisations strahlteiler sein. Bei einem weiteren verwandten Beispiel kann bei einem System, das ähnlich dem von Fig. 3 ist, ein Diodenarray das Diodenverstärkungsmedium 214 ersetzen.

Begrenzen der Resonanzfrequenzen

Ein Beispiel eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit ei ner Frequenzbegrenzungsvorrichtung ist in Fig. 5 gezeigt. Im allgemeinen weist das Verstärkungsmedium eine Verstärkungs bandbreite auf, die viele Hohlraumresonanzfrequenzen über spannt. Bei einem Lasersystem mit optischer Rückkopplung kann das Verstärkungsmedium auf eine beliebige der externen Hohlraumresonanzfrequenzen verriegeln. Beispielsweise weisen typische InGaAlP-Diodenlaser eine Verstärkungsbandbreite von näherungsweise 10 THz auf, zentriert um 670 nm, wobei der Resonanzfrequenzabstand des externen Hohlraums 1,5 GHz be trägt, wenn die Länge des externen Hohlraums 10 cm ist. Dies bedeutet, daß das System auf eine beliebige von mehr als 6.000 möglichen Frequenzen verriegeln kann. Bei einigen An wendungen, beispielsweise einem Partikelzählen, ist dieser Frequenzbereich akzeptabel, während für andere Anwendungen, beispielsweise bestimmte chemische, z. B. spektrale, Analy sen, nichtlineare Frequenzumwandlungen oder Distanzmessun gen, die Anzahl von möglichen Verriegelungsfrequenzen be grenzt sein muß (in einigen Fällen auf weniger als 10). Un ter diesen Umständen kann eine Frequenzbegrenzungsvorrich tung verwendet werden, um die unerwünschten Frequenzen her auszufiltern. Beispiele derartiger Vorrichtungen sind de tailliert im U.S. Patent 5,432,610 (siehe oben) beschrieben. Diese Vorrichtungen können Gitter, Etalone, Lyotfilter, di elektrische Stapelfilter oder Kombinationen derselben ein schließen. Das U.S. Patent 5,432,610 beschreibt ferner, wie die rückseitige Oberfläche eines Diodenlaser-Verstärkungs mediums mit einem verteilten Bragg-Reflektor beschichtet sein kann, was ebenfalls die möglichen Frequenzen des Sy stems begrenzt.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine Frequenzbegrenzungsvor richtung 222 zwischen Moden-Anpassungsoptiken 216 und einem Spiegel 205 in einem System, das ähnlich dem von Fig. 3 ist, plaziert. Auf diese Weise erzeugt die Frequenzbegrenzungs vorrichtung 222 die größte Wirkung unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten. Ein derartiges System wur de unter Verwendung eines Diodenlasers Philips CQL801D als Verstärkungsmedium 214 aufgebaut, dessen Emissionsfacette beschichtet war, um ein Reflexionsvermögen im Bereich von 10^-5 bis 10^-4 aufzuweisen. Die Moden-Anpassungsoptik 216 be stand aus einer antireflexionsbeschichteten (AR-beschichte ten) Linse mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,48 und einer Fokuslänge von 4,8 mm, einem anamorphotischen Prismen paar (3 : 1) und einer Linse einer Fokuslänge von 25 cm. Die Oberflächen 202 und 204 hatten einen Krümmungsradius von 17 cm, mit R₂ = 0,9999 und R₃ = 0,99999. Die Länge des externen Hohlraums 210 betrug 10 cm.

Die Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 für dieses Beispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Dieselbe bestand aus einem metal lisierten Spiegel 232 und einem Brechungsgitter 236 (Zeiss) mit 1.800 g/mm, derart angeordnet, daß der Spiegel 232 einen zweiten Durchlauf des optischen Strahls entlang des Licht wegs 238 auf dem Brechungsgitter lieferte, wobei die effek tive Dispersion verdoppelt wird. Die gleichen Komponenten könnten verwendet werden, um das Licht eine große Anzahl von Malen von dem Gitter prallen zu lassen, wodurch die Gesamt systembandbreite verringert wird. Alternativ könnte auch ein Abprallen auf dem Brechungsgitter verwendet werden. Bei die sem System wurde mit einem Diodenstrom von 65 mA Licht von etwa 230 W mit einem stabilen Systemverhalten in dem exter nen Hohlraum erzeugt.

Eine weitere bevorzugte Frequenzbegrenzungsvorrichtung ist ein Ultraschmalband-Transmissionsfilter, das auf dielektri schen Stapelfiltern mit sehr geringem Verlust basiert, die um eine Schicht der Dicke einer halben Wellenlänge beabstan det sind (Research Electro-optics, Boulder, CO). Ein Filter, das auf einem Substrat von 2,54 cm (1 Inch) abgeschieden ist, wurde in einem System ähnlich dem von Fig. 5 verwendet. Das Filter besaß eine Transmission von etwa 80% und eine Bandbreite von 0,08 nm. Dieses Filter wurde in einem System betrieben, das aus einem AR-beschichteten Diodenlaser To shiba 9225 214 besteht. Die Moden-Anpassungsoptik 216 be steht aus einer AR-beschichteten Linse mit NA = 0,48 und ei ner Fokuslänge von 4,8 mm; einem zylindrischen 3 : 1-Galilei- Teleskop (Fokuslängen +38,1 mm und -12,7 mm); und einer sphärischen 12,5 cm-Linse 216, mit einem Ultraschmalband- Transmissionsfilter als der Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222. Die Spiegel 207 und 209 von Research Electro-optics weisen jeweils einen Krümmungsradius von 10 cm auf. Die Län ge des externen Hohlraums war 8 cm. Das Reflexionsvermögen R₃ der Oberfläche 204 war etwa 0,99999. Unterschiedliche Werte von R₂ (dem Reflexionsvermögen der Oberfläche 202) wurden verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 tabella risch dargestellt.

Tabelle 1

Der Vorteil der Verwendung eines Ultraschmalband-Transmis sionsfilters als der Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 be steht darin, daß alle Komponenten entlang einer einzelnen geraden Achse 206 ausgerichtet sein können. Bei einem wei teren Ausführungsbeispiel kann das Ultraschmalband-Transmis sionsfilter direkt anstelle der Antireflexionsbeschichtung 219 auf dem Spiegel 207 aufgebracht sein.

Bei einigen Anwendungen ist es bevorzugt, daß nur einer oder einige wenige Externhohlraummoden lasern (d. h. in Resonanz treten). Zu diesem Zweck kann man dem Verhältnis zwischen Laserhohlraum und Externhohlraum-Länge eine zusätzliche Be schränkung auferlegen. Wenn der Betrieb durch die Bandbreite des Verstärkungsmediums oder die Frequenzbegrenzungsvorrich tung 222 auf nur einige wenige Moden beschränkt ist, hängt die Leistungsstabilität von dem effektiven Verriegelungsbe reich des Verstärkungsmediums ab. In dem Fall einer Laser diode findet die Verriegelung teilweise aufgrund der Wech selwirkung zwischen der Verstärkung und der Phase (da die Wellenlänge durch den externen Hohlraum bestimmt ist), eben so wie dem effektiven Reflexionsvermögen des externen Hohl raums statt (C.H. Henry u. a., Locking range and stability of injection locked 1,54 µm InGaAsP semiconductor lasers", Aug. 1985, Bd. QE-21 (8), S. 1152-1156, IEEE Journal of Quantum Electronics). Damit der externe und der Laserhohlraum bei der gleichen Wellenlänge in Resonanz treten, muß die opti sche Weglänge in jedem Hohlraum eine ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlängen sein. Der Diodenlaser kann seine Phasenverzögerung einstellen, um diese Bedingung durch das Ändern der gesättigten Verstärkung anzupassen (C.H. Henry u. a., siehe oben).

Es kann mathematisch gezeigt werden, daß, damit ein stabiler Aufbau in dem Laserhohlraum (und daher eine Frequenzverrie gelung) auftritt, das elektrische Feld in dem Laserhohlraum mit unterschiedlichen Phasenverzögerungen bei unterschiedli chen Resonanzfrequenzen des externen Hohlraums erscheint. Das Verhältnis, r, der Längen des Laserhohlraums und des ex ternen Hohlraums kann als r = n + a/b ausgedrückt werden, wobei n eine ganze Zahl ist, wohingegen a und b Realzahlen sind. Wenn a = 0, ist das Verhältnis r ganzzahlig. Dann tritt das elektrische Feld bei allen Externhohlraum-Reso nanzfrequenzen mit der gleichen Phasenverzögerung auf, wie derholend alle 2π. Der Diodenlaser weist eine anfängliche Phasenverzögerung auf, die sich von der des elektrischen Feldes bei einer beliebigen der Hohlraumresonanzfrequenzen unterscheiden kann. In diesem Fall ist der maximale Phasen betrag (d. h. die Verstärkung), die der Diodenlaser einstel len muß, um auf den externen Hohlraum verriegelt zu bleiben ±π. Andererseits kann gezeigt werden, daß, wenn a = 1 und b = 3 und der Diodenhohlraum darauf beschränkt ist, über nur drei Moden zu lasern (beispielsweise durch die Frequenzbe grenzungsvorrichtung 222), die maximale Phaseneinstellung ±π/3 ist. Ohne eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung kann der Diodenlaser einfach bei einer unterschiedlichen Hohlraumre sonanzfrequenz lasern, um die zusätzliche Phasenverzögerung zu erreichen.

Wenn der Diodenlaser auf nur einige wenige Moden beschränkt ist, kann eine Verriegelungsinstabilität auftreten, wenn die Diode die Phasenverzögerung nicht weit genug einstellen kann. Die Nichtlinearität, die für eine verstärkungsabhängi ge Phase verantwortlich ist, unterscheidet sich unter Dio denlasern. In Fällen, in denen die Nichtlinearität klein ist, ist eine kleine Einstellung der Phasenverschiebung ge genüber einer großen bevorzugt, um eine stabile Verriegelung beizubehalten. Dieser Effekt ist in Fig. 7 gezeigt, in der ein System von Fig. 5 verwendet wurde. Das Verstärkungsme dium 214 war ein Laser Hitachi 6714G und die Frequenzbegren zungsvorrichtung war ein Ultraschmalbandübertragungsfilter. Der Schwellenstrom (ein Maß der gesättigten Verstärkung) ist größer, immer wenn die Laserhohlraumlänge ein ganzzahliges Vielfaches der Länge des externen Hohlraums (9 cm) ist. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen das Verstärkungsmedium ei nen begrenzten Verriegelungsbereich zeigt (oder eine be grenzte Nichtlinearität), ist ein nichtganzzahliges Verhält nis der Länge des externen Hohlraums zu der Laserhohlraum länge bevorzugt. Vorzugsweise ist das Verhältnis von b/a groß, noch bevorzugter größer als 3.

Um eine kompakte Vorrichtung mit einem Laseraufbauhohlraum der vorliegenden Erfindung herzustellen, können die erste, die zweite und die dritte reflektierende Oberfläche durch die Bearbeitung (beispielsweise die Mikrobearbeitung) eines Substrats (beispielsweise Silizium, Siliziumdioxid und der gleichen) und das Beschichten mit einem geeigneten dielek trischen Material (oder einem anderen geeigneten reflektie renden Material) hergestellt werden, um an den gewünschten Positionen das ausgewählte Reflexionsvermögen zu erhalten. Auf diese Weise können der Laserhohlraum und der externe Re sonanzhohlraum an den richtigen Positionen gebildet werden. Standardbearbeitungstechniken, die Mikrobearbeitungs- und mikrolithografische Techniken einschließen, können verwendet werden. Beispielsweise beschreiben Jerman u. a. ("A miniature Fabry-Perot interferometer with a corrugated silicon diaph ragm support", Sensors and Actuators, 29, 151 (1991)), wie ein Zweispiegelhohlraum mittels einer Mikromaterialbearbei tung zu fertigen ist. Diese Technik kann verwendet werden, um den Laserhohlraum und den externen Resonanzhohlraum eines Dreispiegelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung herzu stellen. Außerdem wird angenommen, daß andere optische Kom ponenten, beispielsweise Moden-Anpassungsvorrichtungen, ebenfalls durch derartige Mikromaterialbearbeitungstechniken gebildet werden können. Das Bilden der optischen Elemente auf einem Substrat (vorzugsweise als eine unitäre, ein stückige Einheit) beseitigt den Bedarf nach Befestigungsein richtungen, beispielsweise einem Kleber, Nuten und Bolzen, Schrauben, Klammern, und dergleichen, und reduziert ferner Ausrichtungs- und Bewegungs-Probleme.

Anwendungen

Die vorliegende Erfindung kann in vielen Anwendungen vor teilhaft verwendet werden. Beispiele schließen eine nicht lineare Frequenzumwandlung und Abstandsmessungen ein. Sobald ein geeigneter Laser vorgesehen ist (beispielsweise durch die vorliegende Erfindung), können derartige Operationen von Fachleuten durchgeführt werden. Die Innenhohlraum-Frequenz umwandlung wurde von mehreren Autoren beschrieben: für eine Frequenzverdoppelung von E.S. Polzik und H.J. Kimble, "Fre quency doubling with KNbO₃, in an external cavity", 15. Sep tember, Bd. 16 (18), Optics Letters, W. Lenth und W.P. Risk (siehe oben), W.J. Kozlovsky u. a. (siehe oben) und A. Hemme rich u. a. (siehe oben); und für ein nichtlineares Mischen von P.G. Wigley u. a. (siehe oben) und P.N. Kean und G.J. Dixon, "Efficient sum-frequency upconversion in a resonantly pumped Nd : YAG laser", 15. Jan., Bd. 17 (2), Optics Letters.

Fig. 8 zeigt einen veranschaulichende schematische Ansicht eines Systems, das verwendet werden kann, um von der Fre quenz, die durch das Verstärkungsmedium 204 geliefert wird, verschiedene optische Frequenzen zu erzeugen. Ein nichtli nearer Kristall 401 ist innerhalb des externen Hohlraums 110 in einer Einstellung, die ähnlich der von Fig. 2 ist, pla ziert. Der nichtlineare Kristall wandelt das Licht von dem Verstärkungsmedium 114 in Licht anderer Frequenzen um. Die reflektierenden Oberflächen 402 und 404 ersetzen die Ober flächen 102 und 104 von Fig. 2. Die Oberflächen 402 und 404 können, zusätzlich dazu, daß sie die gleichen Reflexionsver mögensbereiche wie die Oberflächen 102 und 104 aufweisen (unter Berücksichtigung des zusätzlichen optischen Verlu stes, der dem Durchgang des Lichts durch den Kristall zuge ordnet ist), bei allen Frequenzen des Lichts, das nichtli near erzeugt wird, reflektierend sein. Ein oder mehrere Kri stalle können notwendig sein, um die nichtlineare Umwandlung abzuschließen. Wenn es nötig ist, können mehrere Kristalle in dem externen Hohlraum 110 plaziert sein. In einigen Fäl len kann eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 verwendet sein, beispielsweise wenn die nichtlineare Frequenzumwand lung über einen schmalen Frequenzbereich stattfindet und keine andere Vorrichtung existiert, um die Frequenz zu be schränken.

Bei Fig. 8 sind die Kristalloberflächen, die dem Licht in dem Lichtweg 106 ausgesetzt sind, vorzugsweise antirefle xionsbeschichtet, um die Bandbreite des externen Hohlraums zu minimieren, wodurch die Frequenzverriegelung des externen Hohlraums auf den Laserhohlraum verbessert wird. Ein alter natives, einfacheres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 9 ge zeigt, bei der die reflektierenden Oberflächen 402 und 404 direkt auf die Oberflächen des Kristalls 401 aufgebracht sind. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird ein Diodenlaser 214 als die optische Quelle verwendet. Eine Moden-Anpassungsop tik 216 und eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 können ebenfalls für einen optimalen Betrieb verwendet werden.

Eine optische Distanzmessung erfordert eine Quelle, die ei nen stabilen Strahl schmaler Bandbreite erzeugt. Eine geeig nete Quelle ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung (beispielsweise das, das in Fig. 10 gezeigt ist). Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die reflektierenden Oberflächen 202 und 204 auf ein Festkörperstück eines op tisch transparenten Trägermaterials 501 aufgebracht. Geeig nete Trägermaterialien weisen sehr geringe thermische Expan sionskoeffizienten auf, beispielsweise Zerodur, einem Waren zeichen für eine Glas/Keramikkombination, die aus einer amorphen und einer kristallinen Komponente besteht, oder Quarzglas. Um die thermische Stabilität zu erhöhen, kann der Festkörperträger 501 thermisch gesteuert werden (wie es ge genwärtig bei herkömmlichen Abstandmessern auf der Basis ei nes Heliumneonlasers durchgeführt wird). Einrichtungen zur thermischen Steuerung sind in der Technik gut bekannt.

Wie vorher dargelegt wurde, ist das Licht, das mit dem vor liegenden, passiv verriegelten, externen Hohlraum verfügbar gemacht wird (speziell Licht hoher Intensität), zur Verwen dung bei der chemischen Erfassung (Analyse) wirksam. Bei spielsweise kann gemäß Fig. 11, die ein Lasersystem 506 zeigt, eine Probe 503, die Zielanalyte enthält, in dem Strahlweg 106 in dem externen Resonanzhohlraum 110 plaziert werden, um eine Lichtwechselwirkung (d. h. eine Lichtabsorp tion, eine Lichtstreuung, eine Raman-Streuung, eine Fluores zenz, eine indirekte Fluoreszenz, eine Phosphoreszenz und dergleichen) zu bewirken. Ein Detektor 505 kann benachbart zu der Probe 503 positioniert sein, um die Lichtwechselwir kung zu erfassen, wodurch analytische Daten über die Analyte in der Probe 503 geliefert werden. Die Probe kann mittels eines Behälters 507, der Licht der gewünschten Frequenz (oder Frequenzen) nicht wesentlich absorbiert oder reflek tiert, in dem Strahlweg plaziert sein. Alternativ können die reflektierenden Oberflächen 102, 104 ein Teil der Struktur (beispielsweise des Behälters), der die Probe begrenzt, sein. Ein weiteres Beispiel ist das Aufbringen der Probe auf die Seite der reflektierenden Oberfläche 104 außerhalb des externen Resonanzhohlraums 110, derart, daß die Lichtwech selwirkung durch eine abklingende Anregung bewirkt wird.

Einstellen des Abstands zwischen dem zweiten Reflektor und dem dritten Reflektor

Um die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums abzustimmen (für eine schmale Bandbreite), kann der Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Reflektor durch eine thermische Ex pansion und Kontraktion der Struktur, die diese zwei Reflek toren trägt, eingestellt werden. Fig. 12 zeigt ein alterna tives Ausführungsbeispiel, das eine Servovorrichtung zum Be wegen des dritten Reflektors darstellt. Obwohl nur in Fig. 12 eine Servovorrichtung gezeigt ist, ist es offensichtlich, daß eine Servovorrichtung auf alle Starkrückkopplungs-Laser systeme, die hierin beschrieben sind, anwendbar ist, wobei der zweite und der dritte Reflektor beweglich relativ zu einander befestigt sind.

Gemäß Fig. 12 ist eine Servovorrichtung in ein Lasersystem, das ähnlich dem von Fig. 5 ist, eingebaut. Diese Servovor richtung 511 weist einen piezoelektrischen Stapel 512 auf, der wirksam mit dem Spiegel 209 der dritten reflektierenden Oberfläche 204 verbunden ist (d. h. mit dem Substrat, auf das die reflektierende Oberfläche aufgebracht ist, verbunden ist). Dieser piezoelektrische Stapel 512 ist wiederum mit dem geeigneten elektrischen Treiber (der in Fig. 12 nicht gezeigt ist) zum Treiben desselben verbunden, um eine Bewe gung zu bewirken. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der zweiten und der dritten reflektierenden Oberfläche ein gestellt werden, um die Resonanzfrequenz des externen Hohl raums 210 einzustellen.

Die Wellenlänge des Lichts in dem externen Hohlraum kann durch das Untersuchen der Emission durch die Oberfläche 204 (und den Spiegel 209) oder die Oberfläche 201 mit einem Lichtanalysator 513 gemessen werden, welcher die Wellenlänge (oder die Frequenz) mißt. Derartige Wellenlängen- (oder Fre quenz-)-Meßvorrichtungen sind in der Technik bekannt und um fassen Gitterspektrometer oder alternativ ein Etalon. (Siehe auch beispielsweise Kuntz u. a., "Miniature integrated-opti cal wavelength analyzer chip", Optics Letters, 20, S. 2300 (1995)). Ferner kann ein elektronisches Rückkopplungssystem (oder eine Vorrichtung) 515 verwendet sein, um den Antrieb des piezoelektrischen Stapels basierend auf einer Rückkopp lung von der Wellenlängenmeßvorrichtung zu steuern, um eine gewünschte Wellenlänge von dem Verstärkungsmedium 214 zur Folge zu haben.

Ein wichtiger Vorteil eines Lasersystems der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Qualität der räumlichen Moden sehr hoch ist, da die zweite und die dritte reflektie rende Oberfläche mit einer geeigneten Krümmung hergestellt werden kann, so daß nur ein räumlicher Mode unterstützt wer den kann. Auf die Schmalbandstrahlung kann zugegriffen wer den, indem das Entweichen durch die Oberflächen 204 oder 201 analysiert wird. Alternativ kann das Licht innerhalb des externen Hohlraums analysiert werden, beispielsweise durch eine Doppler-freie Spektroskopie. (Siehe M.D. Levenson, In troduction to Nonlinear Laser Spectroscopy, Academic Press, New York, 1982, S. 164).

Claims

1. Lasersystem (100) mit folgenden Merkmalen:

(a) einem Laserverstärkungsmedium (114);
(b) einem ersten Reflektor (101) mit einem Reflexions vermögen (R₁) und einem zweiten Reflektor (102), der von dem ersten Reflektor (101) beabstandet ist, um einen Laserhohlraum (108) zu definieren, der das Laserverstärkungsmedium (114) enthält, wo bei der zweite Reflektor (102) ein Reflexionsver mögen (R₂) aufweist, das größer als das Reflexi onsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) ist, derart, daß Licht, das von dem Laserverstärkungs medium (114) emittiert wird, in dem Laserhohlraum (108) in Resonanz tritt; und
(c) einem dritten Reflektor (104) mit einem Reflexi onsvermögen (R₃), das größer ist als das Refle xionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101), der von dem zweiten Reflektor (102) beabstandet ist, um mit demselben einen Resonanzhohlraum (110) außerhalb des Laserhohlraums (108) zu definieren, derart, daß Licht aus dem Laserhohlraum (108) tritt, um in dem externen Resonanzhohlraum (110) in Resonanz zu treten, und daß Licht aus dem ex ternen Laserhohlraum (110) tritt, um das Laserver stärkungsmedium (114) optisch zu verriegeln.

2. System gemäß Anspruch 1, bei dem das Laserverstärkungs medium eine Laserdiode (214) ist, wobei bewirkt wird, daß dieselbe durch eine starke optische Rückkopplung von dem externen Resonanzhohlraum zu der Laserdiode auf eine Resonanzfrequenz des externen Resonanzhohlraums (210) verriegelt wird.

3. System gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lichtinten sität in dem externen Resonanzhohlraum (110) zumindest eine Größenordnung größer als die in dem Laserhohlraum (108) ist.

4. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei dem R₁ von 0,1 bis 0,99 beträgt, R₂ von 0,9 bis 0,999999 beträgt, und R₃ von 0,9 bis etwa 0,999999 be trägt.

5. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine Laserdiode (214) ist, wobei bewirkt wird, daß dieselbe durch eine optische Rückkopplung zu der Laserdiode von mehr als 10% des Lichts, das von der Laserdiode zu dem externen Resonanzhohlraum übertragen wird, auf eine Resonanzfre quenz des externen Resonanzhohlraums (210) verriegelt.

6. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem R₃ größer ist als R₂, das größer ist als R₁.

7. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, das ferner ein nichtlineares optisches Element (401) aufweist, das zwischen dem zweiten Reflektor (402) und dem dritten Reflektor (404) angeordnet ist, um Licht von dem Laserverstärkungsmedium in eine unterschiedli che Frequenz umzuwandeln, und wobei der zweite und der dritte Reflektor angepaßt sind, damit Licht der unter schiedlichen Frequenz in eine Resonanz tritt.

8. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine antireflexi onsbeschichtete Facette (203) aufweist, die von dem zweiten Reflektor (202) beabstandet und demselben zu gewandt ist.

9. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Laserverstärkungsmedium (314) zwei antire flexionsbeschichtete Facetten aufweist, die von dem er sten und dem zweiten Reflektor (101, 102) beabstandet sind.

10. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, das ferner eine Moden-Anpassungsoptik (216) aufweist, um das Licht, das von dem Laserverstärkungsmedium emit tiert wird, räumlich an den externen Resonanzhohlraum (210) anzupassen.

11. System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Abstand zwischen dem dritten Reflektor und dem zweiten Reflektor einstellbar ist, um die Resonanz frequenz des externen Resonanzhohlraums (210) abzustim men.

12. Lasersystem (506) mit folgenden Merkmalen:

(a) einem Laserverstärkungsmedium (114);
(b) einem ersten Reflektor (101) mit einem Reflexions vermögen (R₁) und einem zweiten Reflektor (102), der von dem ersten Reflektor (101) beabstandet ist, um einen Laserhohlraum (108) zu definieren, der das Laserverstärkungsmedium (114) enthält, und in dem Licht, das von dem Laserverstärkungsmedium emittiert wird, in Resonanz tritt, wobei der zwei te Reflektor (102) ein Reflexionsvermögen (R₂) aufweist, das größer als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) ist;
(c) einem dritten Reflektor (104) mit einem Reflexi onsvermögen (R₃), das größer als das Reflexions vermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) ist, und der mit dem zweiten Reflektor (102) einen Reso nanzhohlraum (110) außerhalb des Laserhohlraums (108) definiert, derart, daß Licht aus dem Laser hohlraum (108) tritt und in dem externen Resonanz hohlraum (110) entlang eines Resonanz-Innenhohl raum-Strahlwegs (106) in Resonanz tritt, und daß Licht aus dem externen Resonanzhohlraum (110) in den Laserhohlraum (108) gelangt, um das Laserver stärkungsmedium (114) optisch zu verriegeln;
(d) einer Einrichtung (507), die dem externen Reso nanzhohlraum (110) zugeordnet ist, um eine analy tische Probe Lichtenergie von dem externen Reso nanzhohlraum (110) auszusetzen, um eine Lichtwech selwirkungscharakteristik eines Analyts in der analytischen Probe zu bewirken; und
(e) einem Detektor (505), der für eine Belichtung be nachbart zu der Einrichtung (507) positioniert ist, um die Lichtwechselwirkung zu erfassen;

derart, daß das Lasersystem (500) angepaßt ist, um das Vorliegen des Analyts in der analytischen Probe zu er fassen.

13. Verfahren zum passiven Verriegeln eines Laserverstär kungsmediums mit folgenden Schritten:

(i) Emittieren eines Lichtstrahls von dem Laserver stärkungsmedium, das in einem Laserhohlraum (108) angeordnet ist, der durch einen ersten Reflektor (101) und einen zweiten Reflektor (102), der von dem ersten Reflektor (101) beabstandet ist, defi niert ist, derart, daß Licht von dem Laserverstär kungsmedium (114) in dem Laserhohlraum (108) in Resonanz tritt; und
(a) Übertragen von Licht von dem Laserhohlraum (108) zu einem Resonanzhohlraum (110), der durch den zweiten Reflektor (102) und einen dritten Reflek tor (104) definiert ist, wobei der Resonanzhohl raum (110) außerhalb des Laserhohlraums (108) ist, derart, daß Licht, das von dem Laserverstärkungs medium (114) emittiert wird, in dem externen Reso nanzhohlraum (110) in Resonanz tritt, wobei ein Teil des Lichts in dem externen Resonanzhohlraum (110) zurück zu dem Laserhohlraum (108) übertragen wird, um das Laserverstärkungsmedium (114) auf ei ne Resonanzfrequenz des externen Resonanzhohlraums (110) optisch zu verriegeln.