DE19819473C2

DE19819473C2 - Einrichtung zum Erzeugen kohärenter Strahlung

Info

Publication number: DE19819473C2
Application number: DE19819473A
Authority: DE
Inventors: Achim Nebel; Jochen Schmitt; Richard Wallenstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Lumera Laser GmbH
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: AT500694A2; GB2336938A; AT500694A3; GB2336938B; DE19819473A1; ITMI990904A1; FR2778278B1; IT1312257B1; AT500694B1; GB9909928D0; FR2778278A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erzeugen kohärenter Strahlung mit

- einem Resonator mit Resonatorspiegeln, der auf eine Grundwelle mit der Frequenz ω abgestimmt ist, wobei einer der Resonatorspiegel den Auskoppelspiegel für die Grundwelle bildet,
- einem aktiven Material, das in dem Resonator angeordnet ist und zur Erzeugung der Grundwelle ω mit einer Pumpwelle gepumpt wird,
- einem frequenzvervielfachenden Material, das in dem Resonator angeordnet ist und zur Modenkopplung dient, wobei die erzeugte frequenzvervielfachte Welle durch Phasenfehlanpassung im frequenzvervielfachenden Material in die Grundwelle zurückkonvertiert wird.

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus dem Artikel "A diode-pumped nonlinear mirror mode-locked Nd: YAG laser" von G. Cerullo et al., Appl. Phys. Lett. 65 (19), November 1994, S. 2392-2394 bekannt.

Solche Einrichtungen sind beispielsweise als Laser einsetzbar, wobei die Grundwelle dann die zu erzeugende Laserstrahlung ist. Darauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Andere Einrichtungen zum Erzeugen kohärenter Strahlung können beispielsweise optisch-parametrische Oszillatoren (OPO) sein, bei denen eine einlaufende Welle aufgrund von Nichtlinearitäten zwei neue Wellenlängen erzeugt, die sogenannte Signal- und Idlerwelle. Eine dieser beiden Wellen wird hier im Sinne der Erfindung als Grundwelle verstanden, während die einlaufende Welle dann die Pumpwelle repräsentiert.

Im kommerziellen Bereich besteht heute ein großer Bedarf an Lasern, wobei hier auch einfache Anwendungen in CD-Spielern, Laserdruckern und Lichtzeigern zu nennen sind. Für derartige Anwendungen sind aber schon relativ leistungsschwache Laser, wie Helium-Neonlaser sowie Laserdioden, ausreichend.

Höhere Leistungen sind insbesondere in der Displaytechnik erforderlich. Wenn man zwar für einfache Vektorgraphik ebenfalls mit derartigen niederenergetischen Lasern auskommt, so ist die Darstellung eines bildpunktweise gerasterten Fernsehbildes doch nur mit höheren Leistungen möglich, da bei dieser Technik die Leistung pro Zeiteinheit eines Gesamtbildes pro Bildpunkt im Mittel um die Anzahl der dargestellten Bildpunkte verringert ist. Hier sind verschiedene Vorschläge gemacht worden. Insbesondere wird in den Patentschriften DE 195 04 047 C1, WO 96/08116, DE 197 13 433 C1 die Verwendung von optischparametrischen Oszillatoren (OPO) gelehrt, mit denen leistungskräftige Ausgangsstrahlen aller drei Farben durch Kombination einer Grundwelle hoher Leistung mit den Signal- und Idlerwellen des OPOs erzeugt werden.

Ein weiteres Problem besteht bei derartigen Displaytechniken in Interferenzen des die Bildpunkte beleuchtenden Laserstrahls, die als sogenannte Speckles sichtbar sind und in einem Bild störend wirken. Zum Vermeiden des Speckleproblems wird in der DE 196 45 978 A1 vorgeschlagen, die Kohärenzlänge zur Unterdrückung derartiger Interferenzeffekte gering zu halten. Dies läßt sich beispielsweise mit einer kurzen Pulslänge verwirklichen, jedoch sind auch andere Verfahren bekannt. Beispielsweise wird in der Anmeldung DE 195 35 526 A1 ein Doppelkernfaserlaser vorgeschlagen, der unter anderem aufgrund der Auswahl geeigneter Dotierstoffe ein großes Wellenlängenspektrum emittiert, wodurch die Kohärenzlänge geringer wird.

Der einleitend genannte Stand der Technik bezieht sich auf Laser mit Modenkopplung zum Erreichen hoher Laserleistung in einem Puls, die möglicherweise ebenfalls für derartige kommerzielle Anwendungen einsetzbar ist.

In der Literatur sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren zur Modenkopplung bekannt. Hier seien vor allen Dingen die Patente US 4,914,658, DE 37 36 881 A1, EP 0 314 171 A2, EP 0 314 171 A3, US 5,119,383, EP 0 235 950 A1, US 5,046,184 und US 5, 054,027 als Stand der Technik genannt.

Bei der Modenkopplung lassen sich aktive und passive Verfahren unterscheiden. Die aktive Modenkopplung wird mit Hilfe eines akusto-optischen Modulators realisiert, der eine Amplitudenmodulation bewirkt. Weiter sind für diese Verfahren auch elektrooptische Modulatoren einsetzbar, mit denen eine Frequenzmodulation herbeigeführt wird. Bei der passiven Modenkopplung moduliert ein im Resonator umlaufender Laserimpuls selbst seine Amplitude. Die passive Modenkopplung wird mit dem "Kerr lens mode-locking" (KLM), einem "additive pulse mode-locking" (APM), unter Verwendung eines sättigbaren Absorbers und eines sogenannten nichtlinearen Spiegels, erreicht. Die unterschiedlichen Modenkopplungsverfahren unterscheiden sich jedoch bezüglich ihrer universellen Einsetzbarkeit, der erreichbaren Leistung, der erreichbaren Impulsdauer und des technischen Aufwands.

Das KLM-Verfahren nutzt die intensitätsabhängige Brechzahl einer resonatorinternen Komponente. Die nichtlineare Wechselwirkung ist von dritter Ordnung. Bei hohen Intensitäten kommt es aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung zur Selbstfokussierung der Strahlung im Resonator und damit zu einer Verringerung des Modendurchmessers. Dagegen würde die Selektion der Mode beispielsweise durch eine Blende zu höheren Verlusten im kontinuierlichen Betrieb und zu niedrigen Verlusten im modengekoppelten Betrieb führen.

Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die hier ausgenutzte Nichtlinearität aufgrund der dabei eingesetzten dritten Ordnung nur kleine Beiträge liefert und deshalb schon eine hohe Intensität vorhanden sein muß, um eine Modenkopplung im Resonator zu bewirken. Weiter erfordert das KLM-Verfahren zur Erhöhung der Leistungsdichte einen sehr kleinen Modenradius. Der Resonator muß deswegen so eingestellt werden, daß er am Rand des optischen Stabilitätsbereichs arbeitet. Ein Selbststarten des Lasers ist ferner ausgeschlossen. Derartige Eigenschaften machen diese Art der Modenkopplung für einen kommerziellen Laser mit hoher Ausgangsleistung ungeeignet.

Weiter ist das KLM-Verfahren aus diesen Gründen nicht auf alle bekannten Laser anwendbar, beispielsweise dann nicht, wenn die Pumpstrahlung keine besonders gute Fokussierbarkeit besitzt. Man kann deshalb beispielsweise keine fasergekoppelten Hochleistungsdiodenlaser für diesen Einsatzbereich verwenden. Die üblicherweise erreichbare Nichtlinearität ist auch relativ schwach, so daß für Impulse mit Impulsdauern von typisch größer 1 ps eine effektive Modenkopplung schwerlich bewirkt werden kann.

Die additive Modenkopplung (APM) verwendet dagegen ein interferometrisches Verfahren. An einen Resonator mit dem aktiven Lasermedium wird ein zweiter Resonator angekoppelt, der ein Element mit einem intensitätsabhängigen Brechungsindex enthält. Typischerweise wird für dieses Elemente eine einmodige Glasfaser eingesetzt, da diese eine hinreichend lange Wechselwirkungslänge aufweist. Ein intensitätsabhängiger Brechungsindex führt dabei zur Selbstphasenmodulation des Lichtes. Aufgrund kohärenter Überlagerung der so entstehenden phasenmodulierten Strahlung mit einer anderen Strahlung, die aus einem Hauptresonator emittiert wird, wird eine Interferenz erzielt, aufgrund der ein verkürzter Impuls entsteht. Allerdings erfordert die kohärente Überlagerung des hin- und rücklaufenden Impulses eine Stabilisierung der Resonatorlänge des angekoppelten Resonators mit einer Genauigkeit von Bruchteilen der Wellenlänge. Dadurch ist dieses Verfahren aufwendig sowie auch störanfällig und erfordert einen besonders stabilen Aufbau. Ein weiterer Nachteil, der dieses Verfahren auf Systeme mit nur geringer Ausgangsleistung begrenzt, ist die Notwendigkeit der Einkopplung des Laserlichts in eine Einmodenfaser, die bei hoher Laserleistung beschädigt werden könnte und dann nur geringe Standzeiten gestattet. Aus diesen Gründen ist eine additive Modenkopplung für die oben genannten Anwendungen wohl kaum geeignet.

Die Modenkopplung mit einem sogenannten "nichtlinearen Spiegel" nutzt die Nichtlinearität zweiter Ordnung für die Modenkopplung. Derartige Verfahren zur Modenkopplung sind beispielsweise aus der DE 38 26 716 A1, der DE 37 36 881 A1 sowie den Artikeln "Self-starting mode locking of a cw Nd: YAD laser using cascaded second-order nonlinearities", G. Cerullo et aL Optics Letters, Vol. 20, No. 7, 1995, S. 746-748 sowie "A diode-pumped nonlinear mirror mode-locked Nd: YAG laser", G. Cerullo et al., Appl. Phys. Lett. 65 (19), Nov. 1994, S. 2392-2394 bekannt.

Dieses Verfahren bzw. der nichtlineare Spiegel wird in der Literatur auch als "Stankov-Spiegel" bezeichnet. Der dabei verwendete "nichtlineare Spiegel" ist Teil eines optischen Resonators und besteht aus einem nichtlinearen parametrischen Kristall und einem dichroitischen Spiegel, der die in dem nichtlinearen Kristalle erzeugte Welle vollständig und die Laserwelle nur zum Teil zurückreflektiert. Beim Wiedereintritt beider Wellen in dem Kristall während des Rücklaufs ist die Wechselwirkung von der relativen Phase zwischen Grundwelle und der Harmonischen abhängig. Ist der nichtlineare Kristall ein Frequenzverdopplungskristall, so wird die frequenzverdoppelte Welle beim Rücklauf in den nichtlinearen Kristall wieder in die Grundwelle zurückkonvertiert, wenn die relative Phase zwischen Grundwelle und der frequenzverdoppelten Welle um 90° phasenverschoben ist. Die rücklaufende Grundwelle wird dadurch verstärkt. Die Kombination aus Frequenzverdoppler und Spiegel wirkt bei phasenrichtiger positiver Rückkopplung als intensitätsabhängiger Reflektor, dessen Amplitudenmodulation die Modenkopplung bewirkt. Die relative Phase wird durch die Dispersion einer Glasplatte, die sich zwischen Verdopplerkristall und Spiegel befindet oder durch die Dispersion in der Luft eingestellt. Dazu ist eine Variation des Abstands des Spiegels zum Kristall notwendig.

Für diese Art der Modenkopplung ist eine möglichst hohe Konversion im nichtlinearen Kristall und eine möglichst geringe Reflexion des Spiegels bei der Wellenlänge der Laserwelle erforderlich, damit sich ein genügend großer Unterschied zwischen dem "nichtlinearen" Reflexionsvermögen der Kombination Kristall/Spiegel und dem "normalen" Reflexionsvermögen des Spiegels ergibt. Um die entsprechenden Impulse in ihrer Impulsdauer zu minimieren, kann zusätzlich ein geeignetes optisches Element, wie ein doppelbrechender Kristall, zwischen Kristall und Spiegel eingefügt werden, um die unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten von Grundwelle und der zweiten Harmonischen zu kompensieren.

Dieses Modenkopplungsverfahren verwendet zwei hintereinandergeschaltete nichtlineare Prozesse zweiter Ordnung. Dabei ist die Stärke der nichtlinearen Amplitudenmodulation proportional zum Quadrat des nichtlinearen Koeffizienten für die Konversion der Grundwelle in die zweite Harmonische. Sie ist damit typischerweise um mehr als zwei Größenordnungen größer als die nichtlineare Wechselwirkung bei solchen Modenkopplungsverfahren, wie sie beim KLM-Verfahren schon beschrieben wurden.

Nachteilig ist bei dem Modenkopplungsverfahren mit einem "nichtlinearen Spiegel", daß ein spezieller dichroitischer Spiegel benötigt wird, der auf das Verstärkungsmedium und auf die jeweiligen Parameter des Lasers angepaßt sein muß. Außerdem ist die Auswahl von nichtlinearen Kristallen wegen der Notwendigkeit einer hohen Konversionseffizienz begrenzt. Weiter kann es insbesondere bei Hochleistungslasern mit mehreren Watt Ausgangsleistung zu Stabilitätsproblemen aufgrund der hohen Leistung der höheren Harmonischen kommen. Geringfügige Absorption im Kristall bei den typischen Wellenlängen der Harmonischen führen zu Änderungen des Brechungsindexes und damit zu einer die Konversion reduzierenden unerwünschten Phasenfehlanpassung.

An eine kontinuierliche modengekoppelte Lichtquelle zur Erzeugung einer Grundwelle mit der Frequenz ω sind für den oben genannten kommerziellen Anwendungsbereich verschiedene Anforderungen zu stellen:

1. eine hohe mittlere Leistung von einigen Watt;
2. eine kurze Impulsdauer der Laserimpulse von typisch kleiner 20 ps;
3. eine hohe Repetitionsrate der Laserimpulse von größer 40 MHz;
4. eine gute, möglichst beugungsbegrenzte Strahlqualität;
5. ein möglichst einfacher und kompakter Aufbau;
6. die Verwendung eines Modenkoppelverfahrens, das
- 1. für verschiedene Lasermaterialen und Emissionswellenlängenbereiche einsetzbar ist;
- 2. robust ist gegen äußere Störungen und Einstellungen der Parameter des Lasers bzw. des Resonators;
- 3. von sich aus in den Betriebszustand der Emission von ultrakurzen Impulsen geht (Selbststarten).

Zur Verwirklichung dieser Ziele ist ein Modenkopplungsverfahren erwünscht, das nicht die Beschränkungen der bisher bekannten Verfahren aufweist. Mit diesem neuen Verfahren sollten ultrakurze Impulse erzeugbar sein, so daß gleichzeitig auch eine hohe mittlere Leistung zur Verfügung steht und eine geringe Kohärenzlänge gegeben ist, mit der Speckle bei der Bilddarstellung vermindert auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, bei der ein Modenkopplungsverfahren zum Einsatz kommt, mit dem insbesondere ein Laser für ultrakurze Impulse mit gleichzeitig hoher mittlerer Leistung möglich wird.

Die Aufgabe wird ausgehend von der eingangs genannten Einrichtung bekannter Art gelöst, indem der Resonator so aufgebaut ist, daß die frequenzvervielfachte Welle das frequenzvervielfachende Material nur einmal durchläuft.

Das erwähnte frequenzvervielfachendes Material kann dabei ein geeigneter Kristall sein. Im Sinne dieser Erfindung kann dieses aber auch völlig andersgeartet sein, wie z. B. mehrere Kristallstücke mit zusätzlichen dazwischengeschobenen dispersiven Stücken anderen Materials. Wichtig ist hierbei allein die Eigenschaft der Frequenzkonversion und die Dispersion der Phasen von Grundwelle und frequenzvervielfachter Welle.

Zunächst ist unerwartet, daß für die gewünschten Laser zur Vermeidung von Speckle in Richtung sehr kurzer Pulse gegangen wird. Man hätte statt auf modengekoppelte Laser zurückzugreifen auch die genannten Doppelkernfasern weiterentwickeln können. Wie aus der einleitenden Diskussion der Modenkopplung deutlich wurde, erschien das Modenkopplungsverfahren für die gewünschten Laser für eine Bilddarstellung wenig vielversprechend zu sein. Erst durch die Erkenntnis, daß auch eine Phasenfehlanpassung im frequenzvervielfachenden Material, die dafür bisher als ungeeignet angesehen wurde, eine Modenkopplung gestattet, führt zu der Möglichkeit, die gewünschten Einrichtungen, insbesondere Laser, für kommerzielle Anwendungen zu schaffen.

Aufgrund der Phasenfehlanpassung verbleibt nach dem Durchlauf durch das frequenzvervielfachende Material nahezu die gesamte Energie in der Grundwelle, was erst die erwünschte hohe Leistung ermöglicht. Dichroitische Spiegel und empfindliche Abstimmungen können unterbleiben, so daß derartige Einrichtungen für den kommerziellen Einsatz mit den üblichen Schwankungen der Umgebungsbedingungen hergestellt werden können. Das Fehlen des dichroitischen Spiegels gemäß Stand der Technik und die unkritischere Abstimmung des Resonators führen zu einem gewaltigen Kostenvorteil, so daß es erst mit Hilfe der Erfindung möglich wird, derartige Einrichtungen kommerziell, insbesondere in Videogeräten mit gerastertem Lichtbündel, einzusetzen.

Aufgrund der Phasenfehlanpassung muß die Grundwelle auch nicht zweimal durch das nichtlineare, frequenzvervielfachende Material hindurchlaufen, um wieder in die Grundwelle konvertiert zu werden. Dadurch ist die gewünschte Modenkopplung wesentlich effektiver.

Diese Vorteile zeigen sich jedoch insbesondere bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, bei der das frequenzvervielfachende Material ein nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdopplung m = 2 ist.

Entsprechend der Weiterbildung läßt sich ein nichtlinearer Kristall, aus den bekannten Kristallen aussuchen. Durch die Beschränkung der Frequenzvervielfachung auf eine Frequenzverdopplung gehen für die Konversion nur der erste nichtlineare Koeffizient ein. Damit wird der Modenkopplungsprozeß außerordentlich effektiv. Frequenzverdopplung ist zwar, wie angegeben, aus dem Stand der Technik schon bekannt. Durch die dort bewirkte Phasenanpassung bei einem einzelnen Durchlauf des Lichts geht jedoch der nichtlineare Koeffizient quadratisch ein, so daß der sich hier ergebende Vorteil der effektiven Modenkopplung bisher nicht erreicht werden konnte.

Die Länge L des Kristalls läßt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch bestimmen, daß sie durch eine ganze Zahl n über die Beziehung

Δk . L/2 = n . π ± π/4

mit

Δk = k(2ω) - 2 . k(ω)

bestimmt ist, wobei k(2ω) die Wellenzahl der frequenzverdoppelten Welle und k(ω) die Wellenzahl der Grundwelle unter Berücksichtigung der bei der jeweiligen Frequenz gegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit im nichtlinearen Kristall ist.

Aufgrund der oben angegebenen Gleichung befindet sich die Phasenanpassung im Minimum. Die angegebene Toleranz von 25% ist in der Praxis auch einfach zu verwirklichen. Weiter arbeitet die Einrichtung in dem Minimum in einem sehr flachen Bereich der Konversionskurve, so daß diese Toleranz nur wenig von den optimalen Phasenfehlanpassungsbedingungen wegführt.

Dies wäre bei der 90° Verschiebung zwischen frequenzvervielfachter Welle und Grundwelle gemäß dem Stand der Technik völlig anders, da man sich dort in einem Konversionsmaximum befindet. Aufgrund dieser Auswahl ist die Einstellung der Phasenbedingungen wesentlich unkritischer. Dazu sei noch ausgeführt, daß die Wahl eines derartig unkritischen Bereichs nur aufgrund der erfindungsgemäß gewählten Bedingung der Phasenfehlanpassung möglich wird.

Wie aus der obigen Beziehung schon deutlich wurde, lassen sich verschiedene ganze Zahlen n für die Einstellung der Phasenfehlanpassung auswählen. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Weiterbildung der Erfindung, bei der die Länge L gemäß einer Zahl n gewählt ist, bei der die Pulslänge der ausgekoppelten Grundwelle minimal ist.

Aufgrund dieser Auswahl der minimalen Pulslänge ist die höchstmögliche Leistung innerhalb des Pulses vorhanden, so daß auch die Konversion in die frequenzvervielfachte Welle zur Modenkopplung außerordentlich effektiv ist. Damit wird insbesondere das genannte Ziel einer hohen mittleren Leistung bei kurzer Pulsdauer in besonderem Maße gefördert.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die mindestens einen derjenigen physikalischen Parameter, welche die Phasenfehlanpassung bestimmen, regelt. Aufgrund dieser Regelung wird die Einrichtung stabilisiert, so daß sie auch bei großen Schwankungen der Umgebungsbedingungen einsetzbar ist. Dies ist vor allen Dingen für den kommerziellen Einsatz förderlich.

Physikalische Parameter, die Einfluß auf die erstrebte Phasenfehlanpassung nehmen, können beispielsweise die Temperatur des frequenzvervielfachten Materials oder in geringerem Maße auch die Kristallrichtung sein, die sich beispielsweise ändern könnte, wenn sich ein Träger des Kristalls oder von Spiegeln in der Einrichtung aufgrund von Schwankungen in den Umgebungsbedingungen verzieht.

Insbesondere ist aber gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß einer der Parameter die Länge des frequenzvervielfachenden Materials ist, die von der Grundwelle und der frequenzvervielfachenden Welle durchlaufen wird. Insbesondere hängt die Phasenfehlanpassung, wie vorstehend schon ausgeführt, von der Länge des frequenzvervielfachenden Materials ab, so daß sich hier eine Regelung am effektivsten durchführen läßt.

Man könnte daran denken, das frequenzvervielfachende Material in verschiedene Stücke zu teilen und ein dispersives Material zwischen diesen vorzusehen, so daß ein Verschieben der einzelnen Stücke gegeneinander eine Änderung der effektiven Länge für die Fehlanpassung bewirken würde. Wesentlich einfacher hat es sich jedoch gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung herausgestellt, wenn der die Phasenfehlanpassung bestimmende Parameter die Temperatur des frequenzvervielfachenden Materials ist und daß ein das frequenzvervielfachende Material heizender, temperaturgeregelter Ofen zur Regelung der Phasenfehlanpassung vorgesehen ist. Auch die Temperatur ändert geringfügig die Länge. Die Regelung über die Temperatur hat jedoch den weiteren Vorteil, daß auch die Wellenzahldifferenz Δk temperaturabhängig ist und mitgeregelt wird. Die Regelung könnte auch durch Kühlung, beispielsweise durch ein am frequenzvervielfachten Material angeordnetem Peltierelement eventuell bei zusätzlicher Heizung erfolgen. Der Einsatz eines temperaturgeregelten Ofens ist dagegen äußerst einfach und wirkungsvoll.

Die Regelung könnte auf verschiedene Art und Weise durchgeführt werden. Beispielsweise könnte man einen Teilstrahl der aus der Vorrichtung entnommenen Grundwelle abzweigen, dessen Leistung als Sollwert bestimmen und mit einem Istwert vergleichen, um die Phasenfehlanpassungsbedingungen im Optimum aufrecht zu erhalten. Hier ist insbesondere bei dem dann einzusetzenden Regelalgorithmus zu unterscheiden, in welcher Richtung, zu hoher oder zu niedriger Temperatur, die Phasenfehlanpassung vom Minimum der Anpassung abweicht. Dies macht eine Regelung aufwendig.

Als wesentlich einfacher hat es sich gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung herausgestellt, wenn der Ofen die Temperatur des frequenzvervielfachten Materials direkt durch Vergleich eines temperaturproportionalen Sollwerts mit einem festgelegten Istwert regelt. Erfahrungen mit experimentellen Aufbauten haben unerwarteterweise gezeigt, daß eine derartige Regelung für praktische Anwendungen ausreichend ist, so daß nicht auf die Leistungsregelung übergegangen werden muß. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, daß die Phasenfehlanpassung im Minimum wesentlich unkritischer ist, als beispielsweise die bekannte 90° Verschiebung zwischen Grundwelle und frequenzvervielfachter Welle.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zum Auskoppeln ein Auskoppelspiegel vorgesehen, der auf einem Substrat für die Wellenlänge der Grundwelle auf der den Resonator abgewandten Seite antireflexbedampft ist, wobei das Substrat einen Keilwinkel aufweist. Unerwarteterweise wird dadurch das Modenkoppelverhalten bezüglich Kürze der Pulse und Pulsqualität vermindert.

Das frequenzvervielfachende Material kann an verschiedensten Stellen im Resonator eingefügt werden. Weiter können verschiedenste optische Aufbauten zum Erzeugen oder Einkoppeln der Grundwelle eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Anordnung bezüglich einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung herausgestellt, bei der einem dem Auskoppelspiegel gegenüberliegend angeordneten zweiten Resonatorspiegel und zwei innerhalb des Resonators angeordnete, die Grundwelle reflektierende Spiegel an beiden Seiten des aktiven Materials vorgesehen sind, wobei der Auskoppelspiegel, der zweite Spiegel sowie die das aktive Material begrenzenden Spiegel für die frequenzvervielfachende Welle durchlässig sind.

Dieser Aufbau wird im folgenden noch anhand des Ausführungsbeispiels deutlicher werden, wobei vor allen Dingen die vorteilhafte Art der Auskopplung besser verständlich werden wird.

Bezüglich der Anordnung des frequenzvervielfachenden Materials zur Modenkopplung der Grundwelle hat sich diesbezüglich eine Einrichtung als vorteilhaft herausgestellt, bei der das frequenzvervielfachende Material zwischen einem gegenüber dem Auskoppelspiegel liegenden, den Resonator begrenzenden Spiegel und einem die Grundwelle reflektierenden Spiegel vorgesehen ist.

Für die Einkopplung einer Pumpwelle beispielsweise bei einem Laser, der mit dieser Einrichtung verwirklicht werden kann, hat sich bei einer Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, wenn bei dieser mit mindestens einem Spiegel ein gefalteter Strahlengang für den auf die Grundwelle abgestimmten Resonator erzeugt wird, wobei der Spiegel für die Pumpwelle durchlässig ist und über dessen Rückseite die Pumpwelle eingekoppelt ist.

Auch die letzen beiden Weiterbildung der Erfindung werden anhand der Ausführungsbeispiele besser verständlich werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn zum Erzeugen der Pumpwelle Diodenlaser vorgesehen sind. Diese erlauben eine besonders hohe Leistung eines Lasers und Stabilität der Vorrichtung.

Für den Einsatz einer als Laser ausgebildeten Einrichtung für die Laservideoprojektion hätte man erwartet, daß die Grundwelle im sichtbaren Frequenzbereich, also rot, grün und blau, liegt.

Dagegen ist bei einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, daß die Grundwelle im Infrarotbereich liegt und insbesondere eine größere Wellenlänge als 800 nm aufweist.

Eine derartige Wellenlänge läßt sich vorteilhaft mit Diodenlasern anregen. Weiter stehen in diesem Bereich genügend viele Materialien für das frequenzvervielfachende Material zur Verfügung. Deswegen ist es weitaus günstiger diese Einrichtung als Infrarotlaser auszubilden und mit Hilfe des so erzeugten Infrarotlichtes die mindestens drei farbigen Lichtbündel, beispielsweise mit der vorher genannten OPO-Technik, zur Laserprojektion zu erzeugen. Dies wird insbesondere deshalb möglich, da die Pulse ultrakurz sind und nichtlineare Frequenzkonversionsprozesse, wie sie bei der bekannten Technik eingesetzt werden, mit hoher Effizienz ausgenutzt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für einen Laser;

Fig. 2 ein Diagramm für die Leistung der zweiten Harmonischen in einem Frequenzverdopplungskristall der Länge L als Funktion des Orts z im Kristall für Phasenanpassung und für Antiphasenanpassung mit verschiedenen Ordnungszahlen n;

Fig. 3 die Pulsdauer der Grundwelle und Leistung der zweiten Harmonischen als Funktion der Kristalltemperatur;

Fig. 4 die Pulsdauer als Funktion der Kristalltemperatur für verschiedene Auskopplungsgrade;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen optisch parametrischen Oszillator (OPO)

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Lasers, der mittels des vorher näher beschriebenen Modenkopplungsverfahren arbeitet, dargestellt. In einem aus den Spiegeln 1, 2, 3, 4, 5 und 6 bestehenden Resonator befindet sich als lasendes Material 7 ein Nd: YVO₄-Kristall. Der Kristall wird von Diodenlaserpumplicht gepumpt, das über die Spiegel 3 und 4 in der durch die Pfeile 8 und 9 bezeichneten Richtung eingekoppelt wird.

Der Spiegel 1 dient in dieser Anordnung als Auskoppelspiegel. Die Spiegel 3 und 4 falten nicht nur den Strahlengang innerhalb des Resonators sondern erlauben gleichzeitig eine besonders günstige Einkopplung des Diodenlaserlichts. Die Spiegel 2 bis 6 sind für die Emissionswellenlänge des so mit dem Resonator aufgebauten Nd: YVO₄-Lasers von 1064 nm hochreflektierend.

Zwischen dem Spiegel 4 und 6, insbesondere zwischen dem Spiegel 5 und 6, ist ein LBO- Kristall 10 angeordnet, mit dem eine frequenzvervielfachte Welle erzeugt wird. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist für eine frequenzverdoppelte Welle, also für eine zweite Harmonische bei 532 nm, ausgelegt. Alle Spiegel 1 bis 6 haben bei dieser Wellenlänge eine hohe Transmission von T < 85%. Die Spiegel 3 und 4 sind außerdem für eine hohe Transmission bei der Wellenlängen der Pumplaserdioden von 808 nm ausgelegt und insbesondere auf der Rückseite für die Wellenlänge von 808 nm antireflexbedampft.

Der Spiegel 1, also der Auskoppelspiegel, wies beim Ausführungsbeispiel bei einer Wellenlänge von 1064 nm eine Transmission von T ≈ 18% auf. Insbesondere ist er für die Wellenlänge von 1064 nm auf seiner Rückseite antireflexbedampft. Das Substrat des Spiegels 1 hat weiter einen Keilwinkel von 0,5°, um eine Rückkopplung der Grundweile in den Resonator zu unterdrücken. Der das Material 7 bildende Nd: YVO₄-Kristall ist für die Wellenlängen 1064 nm und 808 nm antireflexbedampft.

Der frequenzvervielfachende Kristall 10 ist so ausgerichtet, daß die Ausbreitungsrichtung des Laserlichts entlang der x-Achse des LBO-Kristalls liegt. Die Abstimmung der Phasenfehlanpassung erfolgt über eine Temperaturänderung des Kristalls. Dazu befindet sich dieser in einem Gehäuse, das mit einem Ofen 12 heizbar ist. Mit diesem wurde der LBO-Kristall mit einer Genauigkeit von besser als 0,1°C temperaturgeregelt. Aufgrund Wechselwirkung mit der Grundwelle entsteht im frequenzvervielfachten Kristall 10 eine Welle mit der Wellenlänge von 532 nm, die aber im Idealfall aufgrund der Phasenfehlanpassung vollständig unterdrückt wird. Aufgrund der Durchlässigkeit der Spiegel 1 bis 6 für diese Wellenlänge, würde ein eventueller Restanteil der doppelfrequenten Welle den Resonator auch verlassen und nicht mehr für eine weitere Erregung zur Verfügung stehen. Deshalb dient der frequenzvervielfachende LBO-Kristall 10 allein zur Modenkopplung.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf LBO-Kristalle angewiesen, sondern kann durch jeden Kristall bzw. jedes Medium, das bei den durch die Grundwelle vorkommenden Feldstärken ein nichtlineares Verhalten zeigt, ersetzt werden. Die Phasenanpassung bzw. Phasenfehlanpassung wird bei doppelbrechenden nichtlinearen Kristallen durch eine geeignete Wahl der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung im Kristall und/oder eine geeignete Kristalltemperatur bzw. eine entsprechende Änderung weiterer physikalischer Parameter erreicht.

Die Anforderungen an die Komponenten sind bei dem im Ausführungsbeispiel eingesetzten Modenkopplungsverfahren geringer als die nach dem Stand der Technik. Es ist kein spezieller dichroitischer Spiegel als Endspiegel des Laserresonators erforderlich, da die Grundwelle aufgrund der Phasenfehlanpassung immer ohne wesentliche Beiträge der zweiten Harmonischen schon aus dem in der Frequenzvervielfachung eingesetzten Kristall herausläuft, während bei dem nichtlinearen Spiegel gemäß dem Stand der Technik die Grundwelle zweimal durch den Kristall laufen mußte, um dann wieder nahezu vollständig in die Grundwelle zu konvertieren.

Die Anforderungen an die nichtlinearen Kristalle sind bei diesem neuen Verfahren geringer als bei anderen Verfahren. Da die Intensitäten der Harmonischen außerhalb des Kristalls vergleichsweise gering sind, werden die Kristalloberflächen keinen hohen Leistungen bei der Harmonischen ausgesetzt. Dieses gilt insbesondere auch für die auf den Oberflächen angebrachten Beschichtungen, denn die Phasenfehlanpassung bei diesem Verfahren bedeutet, daß auf der Oberfläche immer ein Minimum der Harmonischen und damit keine bzw. eine nur sehr geringe Leistung vorhanden ist. Außerdem gewährleistet die Phasenfehlanpassung einen stabilen und wenig von den Einstellungen der Laser und der Resonatorparameter abhängigen Betrieb, wie nachfolgend noch deutlicher wird.

Zur Verbesserung der Modenkopplung sind die Spiegel 5 und 6 im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 fokussierend ausgebildet, so daß sich im LBO-Kristall 10 ein Strahltaillenradius von etwa 160 µm ergibt und der Strahlradius im Nd: YVO₄-Kristall etwa dem Strahlradius der Pumpstrahlung entspricht. Diese Fokussierung in dem LBO-Kristall führt zu einer erhöhten Leistungsdichte, welche die Effizienz der Erzeugung der zweiten Harmonischen steigert. Insbesondere hatten die Spiegel Krümmungsradien von 150 mm beim Spiegel 6, 350 mm beim Spiegel 5 und 600 mm beim Spiegel 2.

Um die Anordnung der Krümmungsradien und die Fokussierung besser zu verstehen wird hier ausdrücklich auf die Fig. 1 verwiesen. Insbesondere ist aus der Figur auch zu erkennen, daß alle anderen Resonatorspiegel 1, 3, 4 plane Oberflächen aufwiesen. In Fig. 1 sind allerdings die jeweiligen Spiegelneigungen zur optimalen Kopplung bei der Vereinfachung der schematischen Darstellung nicht angegeben. Diese sind wesentlich vom Aufbau abhängig und dem Fachmann bekannt.

Der gepulste Betrieb für die nichtlineare Kopplung und damit die gewünschte Modenkopplung wird bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 durch einen akustooptischen Modulator 14 bewirkt, der sich innerhalb des Resonators in der Nähe des Auskoppelspiegels 1 befindet. Der Modulator wurde von der Firma NEOS, Typ N12054-TE mit dem dazugehörigen Treiber N11054-1ACL, bezogen. Im Ausführungsbeispiel betrug die Modulationsfrequenz des Modulators 54 MHz. Damit wird eine Repetitionsrate für die Laserpulse des Nd: YVO₄-Lasers von der doppelten Modulationsfrequenz, also 108 MHz, erzielt. Die Länge des durch die Spiegel 1 bis 6 ausgeführten Resonators wurde mit einem X-Translationstisch, auf dem sich der Spiegel 1 befand, bei den folgenden Versuchen jeweils für die angegebenen Bedingungen angepaßt:

Bei fehlendem Verdopplungskristall im Resonator wurde der im Aufbau von Fig. 1 verwirklichte Nd: YVO₄-Laser aktiv modengekoppelt. Die Pulsdauer betrug dabei 35 ps bei einer Ausgangsleistung von 10,3 W. Die dazu nötige Pumpstrahlung der Laserdioden mit einer Pumpleistung von 2 × 12 W = 24 W wurde hier und auch in den folgenden Versuchen über eine optische Lichtleitfaser und Transferoptik zum Nd: YVO₄-Kristall geführt. Die Pulse hatten dabei einen gaußähnlichen Intensitätsverlauf, wie er für aktiv modengekoppelte Laser bekannt ist. Ein solcher Laser ist relativ empfindlich auf Änderungen in der Resonatorlänge. Für Resonatorlängenänderungen größer als 20 bis 30 µm wurde beispielsweise eine zunehmende Impulsdauer beobachtet, wobei die Ausgangsstrahlung starke Intensitätsfluktationen aufwies. Insbesondere wurde bei Verschiebungen von mehr als 30 µm ein Betriebszustand erreicht, der nicht mehr einem kontinuierlich modengekoppelten Laser entspricht.

Nach Einfügen des Verdopplungskristalls in den Resonator und einer Einstellung der Temperatur auf ein Minimum der Phasenanpassung verkürzte sich die Pulsdauer von 40 ps auf etwa 10 ps. Die Toleranz der Modenkopplung bezüglich Resonatorlängenänderungen um den Arbeitspunkt mit stabilen kurzen Pulsen wird stark vergrößert. Sie beträgt aufgrund der Versuchsergebnisse ungefähr 200 bis 250 µm. Die mittlere erzielte Leistung war dabei etwa 9 W. Die Abnahme der Leistung gegenüber dem vorherigen Zustand ist im wesentlichen auf die zusätzlichen Verluste an den nicht ideal antireflexbedampften Oberflächen des LBO-Kristalls zurückzuführen, die noch wesentlich verbessert werden können.

Die graphische Darstellung von Fig. 2 zeigt unter anderem die Wirkungsweise des frequenzverdoppelten Kristalls. In dieser Figur ist die Leistung der zweiten Harmonischen P_2ω über die Länge des Kristalls z aufgetragen.

Die in Fig. 2 dargestellte Kurve mit Δk = 0 beschreibt den Zustand der Phasenanpassung. Es ist deutlich zu sehen, daß die Leistung der zweiten Harmonischen stark mit der Länge des frequenzverdoppelten Kristalls zunimmt. Mit Verlängerung des Kristalls wird also ein Großteil der Laserenergie bei Phasenanpassung in die zweite Harmonische übergeführt und steht so für die Leistung der Grundwelle, selbst wenn sie teilweise wieder durch einen zweiten Durchgang abgeregt wird, nicht mehr zur Verfügung. Anders liegen die Fälle dagegen bei Phasenfehlanpassung, wie sie bei den dargestellten Kurven mit den Ordnungszahlen n = 1, n = 2 und n = 3 gezeigt sind.

Diese Ordnungszahl n beschreibt, wie auch aus der Fig. 2 zu ersehen ist, wie oft eine zweite Harmonische maximal angeregt wird. Diese Zahl n steht bei Phasenfehlanpassung mit der Länge L und Differenz der Wellenzahlen Δk für die frequenzverdoppelte Welle und der Grundwelle über die Gleichung

Δk . L/2 = n . π

in Beziehung. Dabei berechnet sich die Differenzwellenzahl Δk als

k(2ω) - 2k(ω),

wobei k(2ω) die Wellenzahl der frequenzverdoppelten Welle und k(ω) die Wellenzahl der Grundwelle ist, wobei die einzelnen Wellenzahlen bei der für die jeweilige Frequenz gegebene Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig vom Brechungsindex des Materials, des nichtlinearen Kristalls 10 zu berücksichtigen sind.

Wie aus Fig. 2 weiter zu entnehmen ist, nehmen die Amplituden für die Leistung der zweiten Harmonischen bei der Ausbreitung innerhalb des frequenzverdoppelten Kristalls mit der Ordnungszahl n stark ab. Es steht also weniger Leistung in der zweiten Harmonischen zur Verfügung, so daß die Verluste durch die Konversion gegenüber dem Fall der Phasenanpassung stark verringert sind. Insbesondere ist aus Fig. 2 auch zu erkennen, daß die Leistung der zweiten Harmonischen an den Enden des Kristalls, also am Punkt z = 0 und z = L unabhängig von der Größe n vollständig verschwindet.

Zur Auswahl der optimalen Zahl n wird auf die Fig. 3 verwiesen. In Fig. 3 ist die Pulsdauer t der Grundwelle und die Leistung der zweiten Harmonischen P_2ω als Funktion der Temperatur des LBO-Kristalls 10 dargestellt. Der LBO-Kristall 10 war für diese Versuchsreihe 20 mm lang und der Auskopplungsgrad des Resonators betrug T = 18%. Für die Versuche wurde die Temperatur, die auf der Abszisse aufgetragen ist, in einem Bereich von 140° bis 169°C variiert. Der Bereich für die Phasenanpassungstemperatur lag bei den gewählten Bedingungen bei etwa T = 157°C. Dieser Bereich wurde in der Fig. 3 ausgespart, da die Pulse in diesem Bereich der Phasenanpassung eine wesentliche größer Pulsdauer τ als 20 ps aufwiesen und in dem gezeigten Diagramm nicht darstellbar waren. Wie schon anhand von Fig. 2 ausgeführt wurde, liegt das daran, daß die Konversionseffizienz bei Phasenanpassung groß ist. Im Versuch betrug die Leistung der zweiten Harmonischen dabei wesentlich mehr als 1 W.

Die Fig. 3 zeigt die wellenförmige Abhängigkeit der Leistung der zweiten Harmonischen von der Kristalltemperatur. Weiter ist aus Fig. 3 zu erkennen, daß in den mit Ordnungszahlen -4 bis +4 bezeichneten Bereichen der Phasenfehlanpassung auch die Pulsdauer minimal ist, wobei sie ebenfalls einen oszillierenden Verlauf zeigt. Insbesondere war die Pulsdauer im gesamten Temperaturbereich kleiner als 20 ps, was weniger als die Hälfte der Pulsdauer im Betrieb mit ungeheiztem Kristall war. Die kürzeste Pulsdauer wurde im Versuchsaufbau bei T = 149,8°C, genau in einem Minimum der Phasenanpassungsfunktion bei n = -3, erreicht. Allgemein wird man, wie vorherstehend schon ausgeführt wurde, die Ordnungszahl n optimal so wählen, daß minimale Pulsdauer erreicht wird.

Um den Einfluß der Länge L auf die Pulsdauer zu studieren, wurden versuchsweise verschiedene LBO-Kristalle unterschiedlicher Länge von 14,5 mm, 20 mm und 25 mm eingesetzt. Für jeden dieser Kristalle wurde die Temperatur, wie in Fig. 3 gezeigt, variiert und derjenigen Arbeitspunkt bestimmt, für den sich ein stabiler Modenkoppelbetrieb mit minimaler Pulsdauer ergab. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt, wobei für die Bestimmung der Pulsdauer ein sech²-förmiger Verlauf angenommen wurde und die angegebene Ordnungszahl n dem Pulsdauerminimum entspricht.

Bei den Versuchen ergaben sich so die kürzesten Impulse für eine Kristallänge von 25 mm mit einer höheren Ordnungszahl n = -4, was darauf hindeutet, daß höhere Ordnungszahlen |n| ≧ 2 für den Laserbetrieb mit Fehlanpassung optimal sind. Die Leistung des Laser betrug dabei 8,6 W. Insbesondere zeigte sich in den Versuchen, daß ein kontinuierlicher modengekoppelter Betrieb des Lasers mit ultrakurzen Impulsen nur dann möglich wird, wenn die Temperatur des Kristalls nicht der Phasenanpassungstemperatur entspricht, dagegen aber eine Phasenfehlanpassung über die Temperatur eingestellt ist.

In der Tabelle I sind die für Phasenanpassung einzustellenden Temperaturen in der Spalte mit Δk = 0 aufgeführt. Die Abweichung der Temperatur der Phasenanpassung und der Temperatur, für die der Laser die angegebenen Pulsdauern liefert, ist von der Kristallänge abhängig. Der Grund ist die Änderung der Temperaturakzeptanzbreite, die mit 1/L abnimmt.

Um die Abhängigkeit der Impulsdauer und der Ausgangsleistung von der Leistung der Gtundwelle bei 1064 nm zu untersuchen, wurde die resonatorinterne Leistung durch Verringerung des Auskoppelgrades verändert. In der Tabelle II und der Fig. 4 sind die Ergebnisse für die Pulse mit minimaler Pulsdauer τ für eine Kristallänge von 20 mm dargestellt. Der Auskoppelgrad wurde von dabei 9% bis 22% variiert. Bei geringer Auskopplung sinkt die extern zur Verfügung stehende Leistung und die Pulsdauer c nimmt ab. Weiter mußte, wenn geringere Auskopplungsgrade gewählt werden, ein anderes Minimum für die Phasenanpassung gewählt werden. Die Ordnungszahl steigt demgemäß von n = -3 bei T = 22% bis auf n = -9 für T = 9%. Dementsprechend konnte die Temperatur des LBO-Kristalls von 149,8°C bis auf 134,8°C reduziert werden.

Die Leistung eines Pulses im Resonator steigt ferner mit abnehmender Auskopplung von 33,9 kW auf 87,8 kW. Insbesondere ist hier bemerkenswert, daß bei gleicher Ordnungszahl und nahezu gleicher externer Leistung eine Verringerung der Impulsdauer von 11,4 ps auf 10,4 ps, allein durch Änderung der Transmission möglich war.

Dieser Laser emittiert sowohl Pulse hoher mittlerer Leistung als auch kurzer Dauer. Die Pulsdauer wird durch den nichtlinearen Kristall im Resonator von 40 ps auf unter 10 ps reduziert, ohne daß die mittlere Leistung abnimmt. Mit dem hier eingesetzten Modenkopplungsverfahren sind die Ausgangsgrößen des Lasersystems unabhängig voneinander optimierbar. Wie aus den Daten der Tabelle II und den Fig. 3 und 4 entnommen werden kann, ist die Ausgangsleistung sehr stabil gegenüber großen Änderungen der Resonatorparameter, wobei die Pulsdauer allein über die Wahl der Ordnungszahl n minimiert werden kann. Deshalb ist ein derartiger Laser für die kommerzielle Anwendung bei geringem Aufwand außerordentlich geeignet.

Dieses Verfahren bietet auch die Möglichkeit, die Pulsdauer über einen großen Bereich ohne Leistungseinbuße zu variieren. Dazu kann die Phasenfehlanpassung des nichtlinearen Kristalls durch eine Winkel- oder Temperaturänderung eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anwendung einer Drehung der Polarisationsrichtung des Laserlichts zur Änderung der Phasenfehlanpassung. Durch eine Drehung der Polarisationsrichtung wird der Leistungsanteil des Lichtes verändert, der im Kristall die zur Phasenanpassung notwendige Polarisationsrichtung aufweist. Eine derartige Drehung der Polarisationsrichtung kann mit geeigneten optischen Komponenten, wie beispielsweise einer λ/2-Platte durchgeführt werden. Weiter besteht die Möglichkeit, den nichtlinearen Kristall um eine Achse zu drehen, die zur Resonatorachse des Lasers parallel ist.

In Fig. 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel, das auf dem dargestellten Modenkopplungsverfahren beruht, schematisch ein optisch-parametrischer Oszillator dargestellt. Prinzipiell werden dieselben Elemente verwendet, wie sie auch in Fig. 1 gezeigt sind. Eine wesentliche Abweichung besteht darin, daß statt des Nd: YVO₄-Kristalls ein geeigneter OPO-Kristall 7' eingesetzt wird und kein Pumplicht zum Anregen eines Laserprozesse eingekoppelt wird. Statt dessen wird, wie mit dem Bezugszeichen 8' bezeichnet, eine für die Funktion des OPOs geeignete Welle in den OPO-Kristall eingeleitet. Aufgrund der Nichtlinearität des OPO-Kristalls läßt sich eine geeignete Welle 8' in zwei Teile aufspalten, die sogenannten Signal- bzw. Idlerwellen. Die Frequenzen von Signal- und Idlerwelle sind durch die physikalische Bedingung bestimmt, daß die Energie eines einzelnen Photons in der anregenden Welle 8' gleich der Summe der Energien der Photonen der Signal- und Idlerwelle ist.

Zur größtmöglichen Anregung der Signal- bzw. Idlerwelle wird ein Resonator eingesetzt, der hier wieder durch Spiegel 1 bis 6 aufgebaut ist und in gleicher Weise wie der Resonator in Fig. 1 wirkt, jedoch hier auf die Signal- bzw. Idlerwelle abgestimmt ist. Eines akustooptischen Modulators 14 bedarf es bei den OPO ebenfalls nicht. Allerdings ist zum Einkoppeln ein optisches System 16 vorgesehen. Weiter sind die Spiegelkrümmungen hier für den optimierten OPO-Betrieb dimensioniert.

Die vorangehenden beiden Beispiele von Fig. 1 und Fig. 5 zeigen neben dem Vorteil für die Modenkopplung bei dem dargestellten Verfahren auch, daß die Erfindung sehr vielfältig einsetzbar ist. Nicht nur Laser und OPO-Anwendungen erlauben eine Modenkopplung mit einem nichtlinearen Kristall 10, sondern jeder Prozeß mit geeigneter Grundwelle, auf die ein Resonator abgestimmt ist, indem in einem nichtlinearen Kristall eine höhere Frequenz erzeugt und aufgrund Phasenfehlanpassung wieder abgeregt wird.

Tabelle I

Tabelle II

Claims

1. Einrichtung zum Erzeugen kohärenter Strahlung mit:

1. einem Resonator mit Resonatorspiegeln (1 bis 6), der auf eine Grundwelle mit der Frequenz ω abgestimmt ist, wobei einer der Resonatorspiegel (1 bis 6) den Auskoppelspiegel (1) für die Grundwelle bildet,
2. einem aktiven Material (7, 7'), das in dem Resonator angeordnet ist und zur Erzeugung der Grundwelle ω mit einer Pumpwelle gepumpt wird,
3. einem frequenzvervielfachenden Material (10), das in dem Resonator angeordnet ist und zur Modenkopplung dient, wobei die erzeugte frequenzvervielfachte Welle durch Phasenfehlanpassung im frequenzvervielfachenden Material (10) in die Grundwelle zurückkonvertiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator so aufgebaut ist, daß die frequenzvervielfachte Welle das frequenzvervielfachende Material (10) nur einmal durchläuft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzvervielfachende Material (10) ein nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdopplung ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L des nichtlinearen Kristalls durch eine ganze Zahl n ≠ 0 über die Beziehung
Δk . L/2 = n . π ± π/4,
mit Δk = k(2ω) - 2 . k(ω),
bestimmt ist, wobei k(2ω) die Wellenzahl der frequenzverdoppelten Welle und k(ω) die Wellenzahl der Grundwelle unter Berücksichtigung der bei der jeweiligen Frequenz gegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit im nichtlinearen Kristall sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L gemäß einer Zahl n gewählt ist, bei der die Pulslänge der ausgekoppelten Grundwelle minimal ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die mindestens einen derjenigen physikalischen Parameter, welche die Phasenfehlanpassung bestimmen, regelt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Parameter die Länge des frequenzvervielfachenden Materials (10) ist, die von der Grundwelle und der frequenzvervielfachten Welle durchlaufen wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Phasenfehlanpassung bestimmende Parameter die Temperatur des frequenzvervielfachenden Materials (10) ist und daß ein das frequenzvervielfachende Material (10) heizender, temperaturgeregelter Ofen (12) zur Regelung der Phasenfehlanpassung vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auskoppeln ein Auskoppelspiegel (1) vorgesehen ist, der auf einem Substrat gebildet ist, welches für die Wellenlänge der Grundwelle auf der dem Resonator abgewandten Seite antireflexbedampft ist, wobei das Substrat einen Keilwinkel aufweist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen dem Auskoppelspiegel (1) gegenüberliegend angeordneten zweiten Resonatorspiegel (6) und zwei innerhalb des Resonators angeordnete, die Grundwelle reflektierende Spiegel (3, 4) an beiden Seiten des aktiven Materials (7, 7'), wobei der Auskoppelspiegel (1), der zweite Spiegel (6) sowie die das aktive Material (7, 7') begrenzenden Spiegel (3, 4) für die frequenzvervielfachende Welle durchlässig sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzvervielfachende Material (10) zwischen einem gegenüber dem Auskoppelspiegel (1) liegenden, den Resonator begrenzenden Spiegel (6) und einem die Grundwelle reflektierenden Spiegel (4) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem Spiegel (3, 4) ein gefalteter Strahlengang für den auf die Grundwelle abgestimmten Resonator erzeugt wird, wobei der mindestens eine Spiegel (3, 4) für die Pumpwelle durchlässig ist, die über dessen Rückseite eingekoppelt wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der Pumpwelle Diodenlaser vorgesehen sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle im Infrarotbereich liegt und insbesondere eine größere Wellenlänge als 800 nm aufweist.