DE19923005A1 - Verfahren und Anordnung zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung mittels optischer Ringresonatoren. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen bei einem kompakten Aufbau eine höhere als bisher erreichte Intensität der Laserleistung erzielt wird, wird dadurch gelöst, daß zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung mindestens zwei Ringresonatoren derart miteinander gekoppelt werden, daß eine Phasenanpassung und zugleich eine Modensynchronisation dadurch erreicht werden, daß eine Phasenmodulation mit zur Umlaufzeit innerhalb eines ersten Ringresonators passender Frequenz so vorgenommen wird, daß durch die Phasenmodulation eine Synchronisation der axialen Lasermoden erzielt und im ersten Ringresonator Züge aus kurzen intensiven Impulsen generiert und mit hoher Effizienz frequenztransformiert werden, wobei die aus dem zur Frequenzkonversion benutzten Ringresonator emittierte Reststrahlung mit der Wellenlänge der Fundamentalwelle über den zweiten Ringresonator unidirektional zurückgekoppelt und als Injektionsstrahlung wieder in den Eingang des Verstärkers zur erneuten Verstärkung eingespeist wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3.
Für Anwendungen in der Spektroskopie, analytischen Chemie, Medizin, Materialbearbeitung, Umweltsensorik, Projektionstechnik, Drucktechnik, Datenspeicherung und in zahlreichen anderen Bereichen besteht zunehmender Bedarf an kurzwellig emittierenden Laserquellen, möglichst als kompakte All-Solid-State-Varianten.
Vorteilhafterweise werden Methoden der nichtlinear­ optischen Frequenzkonversion angewandt, um Laserstrahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich, insbesondere von Halbleiterlasern oder diodengepumpten Festkörperlasern, in den kurzwelligen Bereich zu transformieren.
Nach dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen zur nichtlinear-optischen Frequenz­ konversion, bevorzugt zur Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), bekannt.
Die bekannten Anordnungen lassen sich in Grundtypen einteilen, bei denen eine Frequenzkonversion entweder im Resonator (intra cavity) oder außerhalb (extra cavity) stattfindet.
Bekannt sind externe Resonatoren vom Fabry-Perot-Typ und Ringresonatoren, die eine resonanz-überhöhte Frequenzkonversion durch konstruktive Interferenz ermöglichen. Da beispielsweise die SHG-Intensität vom Quadrat der Intensität der Fundamentalwelle abhängt, eröffnet die Resonanzüberhöhung die Möglichkeit, bei wesentlich geringeren Laserausgangsleistungen zu arbeiten. Die erforderliche Phasenanpassung erfolgt durch kontinuierliche Regelung oder periodische Phasenänderung, vorzugsweise durch Piezotranslatoren, an einem der Spiegel. Bisher werden typischerweise 4- Spiegel-Anordnungen im Zickzackdurchlauf (sogenannter Bow-Tie-Resonator) verwendet [D. Woll: B. Beier, K.-J. Boller, R. Wallenstein: Generation of 0.8 W of blue light by frequency doubling the output of a tapered InGaAs diode amplifier in critically phase-matched LBO. - CLEO '99, San Francisco (CA), May 3-8, 1999, Technical Digest, paper CThN1, pp. 380-381].
Eine verbesserte, äußerst kompakte, auch von speziellen Modulatoranordnungen her bekannte Variante bedient sich eines einzelnen externen Ringresonators mit zwei Spiegeln und einem mit trapezförmigen Flächen ausgestatteten SHG-Kristall mit zwei im Brewsterwinkel angeschliffenen Endflächen, wodurch der Lichtweg einer Dreiecksform ähnelt [E. Zanger, R. Mueller, B. Liu, M. Koetteritzsch, W. Gries: Diode-pumped high-power cw all solid-state laser at 266 nm. - Proc. SPIE Vol. 3613 (1999), paper 45, in press]).
Bei kontinuierlichem Betrieb bleiben die erzielbaren Spitzenleistungen trotzdem relativ gering, was für viele Anwendungen von Nachteil ist, bei denen es auf hohe Intensität ankommt.
Eine Verbesserung kann durch das prinzipiell bekannte Verfahren der Modensynchronisation erreicht werden, wobei eine Phasen- bzw. eine Phasen- und Verlust­ modulation mit passender Frequenz erforderlich ist [W. Koechner: Solid-State Laser Engineering, Springer, Berlin 1992, 497-507].
Es ist auch bereits bekannt geworden, einen externen 4- Spiegel-Ringresonator als Subresonator eines Dioden­ lasers mit Trapezverstärker einzusetzen [Universität Kaiserslautern: R. Wallenstein: Projektbericht Bundes­ ministerium für Bildung, Forschung und Technologie, 13 N 6379/8, Leitprojekt Laser 2000, Hochleistungs­ diodenlaser und diodengepumpte Festkörperlaser, Band 1: Hochleistungsdiodenlaser, bmb+f 1998, p.166].
Hierbei dient der Ringresonator nur zur Moden­ selektion, es erfolgen keine Frequenztransformation und keine Modensynchronisation.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Ver­ fahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen bei einem kompakten Aufbau eine höhere als bisher erreichte Intensität der Laserleistung erzielt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 3 gelöst.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung mindestens zwei Ringresonatoren derart miteinander gekoppelt werden, daß eine Phasenanpassung und zugleich eine Modensyn­ chronisation dadurch erreicht werden, daß eine Phasen­ modulation mit zur Umlaufzeit innerhalb eines ersten Ringresonators passender Frequenz so vorgenommen wird, daß durch die Phasenmodulation eine Synchronisation der axialen Lasermoden erzielt und im ersten Ringresonator Züge aus kurzen intensiven Impulsen generiert und mit hoher Effizienz frequenztransformiert werden, wobei die aus dem zur Frequenzkonversion benutzten Ringresonator emittierte Reststrahlung mit der Wellenlänge der Fundamentalwelle über den zweiten Ringresonator uni­ direktional zurückgekoppelt und als Injektionsstrahlung wieder in den Eingang des Verstärkers zur erneuten Verstärkung eingespeist wird.
Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Ringresonator hoher Güte, bestehend aus zwei Spiegeln und einem zur Frequenztransformation geeigneten nichtlinear-optischen Element mit Brewsterflächen, mit mindestens einem zweiten Ring­ resonator, welcher mindestens ein verstärkendes Laser­ medium, einen optischen Isolator sowie ein optisches Element zur hochfrequenten Phasenmodulation oder Phasen- und Verlustmodulation enthält und dessen optische Länge ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge des Subresonators beträgt, derart gekoppelt ist, daß durch die mit der Umlauffrequenz im ersten Ringresonator synchronisierte Phasenmodulation sowohl eine resonante Einkopplung in den ersten Ringresonator und eine Resonanzüberhöhung in demselben als auch eine Frequenzsynchronisation der axialen Lasermoden beider Resonatoren erzielt wird und auf diese Weise Züge aus kurzen intensiven Impulsen generiert und im ersten Resonator mit einer gegenüber dem kontinuierlichen Betrieb höheren Effizienz frequenztransformiert werden.
Die Kopplung des ersten Ringresonators mit dem zweiten Ringresonator bedingt, daß beiden Resonatoren minde­ stens ein, typischerweise zwei optische Spiegel gemeinsam angehören.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine Laseranordnung zur Frequenzkonversion durch mehrere ineinander geschachtelte Ringresonatoren derart realisiert werden kann, daß sowohl ein extrem kompakter Aufbau als auch zugleich eine Modensynchronisation erreicht werden. Grundprinzip ist die Kombination eines ersten externen Ringresonators hoher Güte, der eine Resonanzerhöhung der Intensität der Fundamentalwelle bewirkt und in dem sich ein nichtlinearoptisches Element zur Frequenzkonversion befindet, mit einem zweiten Ringresonator, der das verstärkende Lasermedium und spektral bzw. räumlich filternde Elemente zur Modenselektion und -stabilisierung enthält und dessen optische Länge ein ganzzahliges Vielfaches der opti­ schen Länge des ersten Ringresonators beträgt. Durch ein und denselben, in einem der beiden Resonatoren befindlichen, bevorzugt in das nichtlinear-optische Element zur Frequenztransformation integrierten, Phasenmodulator oder Phasen- und Verlustmodulator geeigneter Frequenz, welche der Umlauffrequenz im externen Resonator entspricht, wird eine Phasenan­ passung und eine Modensynchronisation erzielt.
Erzeugt werden infolgedessen Impulszüge höherer Inten­ sität als ohne Modensynchronisation, was eine Erhöhung der Konversionseffizienz und damit höhere Ausgangs­ leistungen im Vergleich zu einem kontinuierlichen Betrieb erbringt.
In einer speziellen Ausführungsform wird durch zwei deltaförmige Ringresonatoren mit jeweils zwei Spiegeln und jeweils einem Element mit Brewsterflächen eine minimale Zahl an reflektierenden Komponenten erreicht. Es sind auch weitere Ausführungsformen möglich.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Kombination einer verbesserten Technik der Frequenzkonversion mit einem verbesserten Aufbau zur Modensynchronisation und einem extrem kompakten Aufbau mit der Besonderheit, daß Teile der in den bekannten Anordnungen prinzipiell bedingten Verluste durch die Auskopplung der Laserstrahlung in der vorliegenden Anordnung dem Laser wieder zugeführt werden (Recycling).
Kennzeichnend für die Anordnung nach der Erfindung ist es, daß nicht nur wie in den bekannten Anordnungen eine Resonanzüberhöhung in einem passiven SHG-Resonator er­ folgt, sondern daß darüber hinaus die periodische Pha­ senmodulation bei Wahl einer geeigneten Modulations­ frequenz für eine Modensynchronisation und damit eine Vergrößerung der Bandbreite und Erhöhung der Spitzen­ intensität sorgt.
Durch Zusammenführung der extra- und intra-cavity-Sche­ men in einer kombinierten Anordung wird somit mit einem einzigen Aufbau gleichzeitig eine Modenstabilisierung und eine Resonanzüberhöhung erzielt. Die aus dem zur Frequenzkonversion benutzten Ringresonator emittierte Reststrahlung mit der Wellenlänge der Fundamentalwelle wird über den zweiten Ringresonator unidirektional zu­ rückgekoppelt und als Injektionsstrahlung wieder in den Eingang des Verstärkers eingespeist, wo sie erneut verstärkt wird.
Das verstärkende Lasermedium kann ein elektrisch oder optisch gepumpter Halbleiter-Diodenlaser oder ein diodengepumpter Festkörperlaser sein oder einem anderen Lasertyp angehören. Die Phasenmodulation bzw. Phasen- und Verlustmodulation erfolgt in einem der beiden Resonatoren mit einem elektrooptischen oder akusto­ optischen Modulator.
Die Modulationsfrequenz fM muß dabei auf den Frequenz­ abstand Δf1 der Axialmoden des zur Frequenztrans­ formation verwendeten Resonators abgestimmt sein
Δf1 = c/2 L1.
(c = Lichtgeschwindigkeit, L1 = optische Länge des ersten Resonators)
Ein besonders kompakter Aufbau läßt sich erreichen, wenn der zweite Ringresonator aus 2 Spiegeln und einem Element mit Brewsterflächen besteht. Dieses Element kann so ausgebildet sein, daß es gleichzeitig als elektrooptischer oder akustooptischer Modulator dient, was wiederum zu verringerten Verlusten und noch höherer Kompaktheit des Aufbaus führt. Die Modulation kann auch über hochfrequentes optisches oder elektrisches Pumpen des verstärkenden Lasermediums erreicht werden. Eine zusätzliche Verbesserung hinsichtlich der Moden­ stabilität wird durch den Einbau spektral selektiver Elemente, vorzugsweise Gitter oder Fabry-Perot-Etalons, sowie räumlich selektive Elemente, vorzugsweise Raum­ frequenzfilter mit Diaphragmen oder Mikrolinsensysteme, im Ringresonator mit dem verstärkenden Lasermedium erreicht. Wenn die Frequenztransformation mittels SHG in einem nichtlinear-optischen Kristall erfolgt, müssen für die Anordnung (Systemdesign) bestimmte, aus der spektralen Bandbreite der SHG abgeleitete Forderungen hinsichtlich Kristall- Länge, Fokusgeometrie und Impulslänge beachtet werden, um optimale Effizienz zu erzielen. Dies ist besonders für kurze Impulse (< 50 ps) relevant.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in Ausführungsbeispielen einer Anordnung zur Frequenz­ konversion näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste mögliche Ausführungs­ form der Laseranordnung, bei der ein Halbleiter-Trapezverstärker als Lasermedium eingesetzt ist,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Laseranordnung mit einem nichtlinear-optischen Element zur Modensynchronisation im Ringresonator mit einem verstärkenden Lasermedium und
Fig. 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Laseranordnung mit einem nichtlinear-optischen Element zur Frequenztransformation.
Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der kompakten Laseranordnung zur Frequenzkonversion mit Modensynchronisation. Ein erster Ringresonator hoher Güte für die Fundamentalwelle bei einer Wellenlänge von 670 nm (optische Länge L1 = 70 cm) wird aus den dielektrisch hochreflektierend beschichteten, konkaven Spiegeln 1 und 2 gebildet, wobei das bei Spiegel 2 verwendete Schichtsystem eine hohe Transmission für die zweite Harmonische bei 335 nm aufweist und sich die Foki beider Spiegel 1, 2 in der Mitte eines SHG-Kri­ stalls 3 (LBO) treffen, der zur Frequenztransformation dient (schraffiert). Dieser erste Ringresonator ist in einen zweiten Resonator der Länge L2 = 3L1 eingebettet, der durch die Spiegel 4 und 5 und durch ein passives Element 6 hoher Transmission bei der Fundamentalwelle mit Brewsterflächen gebildet wird und welcher mit dem ersten Ringresonator eine gemeinsame Teilstrecke auf­ weist, die durch den optischen Weg zwischen den Spiegeln 1 und 2 gegeben ist. In diesem Ringresonator befinden sich als verstärkendes Lasermedium ein Halb­ leiter-Trapezvertärker 7, ein oder mehrere gestaffelte Faraday-Isolatoren 8, Elemente zur spektralen Selektion 10 (ein oder mehrere Gitter, Prismen und/oder Fabry- Perot-Etalons), Elemente zur räumlichen Selektion 11 (ein oder mehrere Raumfrequenzfilter und/oder Mikro­ linsen-Anordnungen) sowie ein elektrooptischer Modula­ tor 9 mit angepaßter Modulationsfrequenz (214 MHz).
Der Lichtweg in dem mit dem verstärkenden Lasermedium 7 ausgestatteten Resonator ist mit 12 bezeichnet, die ausgekoppelte UV-Strahlung, die aus Impulszügen mit Wiederholraten entsprechend der Umlauffrequenz im ersten, zur Frequenzkonversion verwendeten Ringresona­ tor besteht, ist mit 13 bezeichnet.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der kompakten Laseranordnung zur Frequenzkonversion mit Modensynchronisation dargestellt, ähnlich der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Ausführungsform. Zur Phasenmodulation dient hier ein nichtlinear- optisches Element 14 in dem Ringresonator, welcher das verstärkende Lasermedium enthält. Das nichtlinear- optische Element 14 ist anstelle des im Ausführungsbeispiel 1 (Fig. 1) verwendeten Modulators 9 eingesetzt. Das im Ausführungsbeispiel 1 zur Richtungs­ umlenkung dienende passive Element 6 ist hier im elektrooptischen Phasenmodulator 14 ausgebildet, wodurch wiederum eine Komponente eingespart und der Aufbau noch kompakter wird.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der kom­ pakten Laseranordnung zur Frequenzkonversion mit Modensynchronisation ähnlich den in den beiden vorangegangenen Beispielen beschriebenen Anordnungen, wobei hier das zur Frequenztransformation eingesetzte nichtlinear-optische Element 15 (SHG-Kristall) zugleich als elektrooptischer Phasenmodulator ausgebildet ist, während das Element 6 wiederum nur passiv zur Umlenkung benutzt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1
Spiegel
2
Spiegel
3
Nichtlinear-optisches Element (SHG-Kristall)
4
Spiegel
5
Spiegel
6
Passives Element
7
Trapezverstärker
8
Faraday-Isolator
9
Modulator
10
Element zur spektralen Selektion
11
Element zur räumlichen Selektion
12
Lichtweg
13
Ausgekoppelte UV-Strahlung
14
Nichtlinear-optisches Element
15
Nichtlinear-optisches Element
L1
, L2
optische Länge

Claims (10)

1. Verfahren zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung mittels Ringresonatoren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung mindestens zwei Ringresonatoren derart miteinander gekoppelt werden, daß eine Phasenanpassung und zugleich eine Modensynchronisation dadurch erreicht werden, daß eine Phasenmodulation mit zur Umlaufzeit innerhalb eines ersten Ringresonators passender Frequenz so vorgenommen wird, daß durch die Phasenmodulation eine Synchronisation der axialen Lasermoden erzielt und im ersten Ringresonator Züge aus kurzen intensiven Impulsen generiert und mit hoher Effizienz frequenz­ transformiert werden, wobei die aus dem zur Frequenzkonversion benutzten Ringresonator emittierte Reststrahlung mit der Wellenlänge der Fundamentalwelle über den zweiten Ringresonator unidirektional zurückgekoppelt und als Injektions­ strahlung wieder in den Eingang des Verstärkers zur erneuten Verstärkung eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenmodulation oder Phasen- und Verlustmodulation durch die elektrische oder optische Modulation des verstärkenden Lasermediums im zweiten Ringresonator hervorgerufen wird.
3. Anordnung zur Frequenzkonversion von Laserstrah­ lung mittels Ringresonatoren, die aus zwei Spiegeln und einem nichtlinear-optischen Element gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Ringreso­ nator hoher Güte, bestehend aus zwei Spiegeln (1, 2) und einem zur Frequenztransformation geeigneten nichtlinear-optischen Element (3, 15) mit Brewsterflächen, mit mindestens einem zweiten Ringresonator, welcher mindestens ein verstärkendes Lasermedium (7), einen optischen Isolator (8) sowie ein optisches Element (9, 14) zur hochfrequenten Phasenmodulation oder Phasen- und Verlustmodulation enthält und dessen optische Länge (L1) ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge (L2) des Subresonators beträgt, derart gekoppelt ist, daß durch die mit der Umlauffrequenz im ersten Ringresonator synchronisierte Phasenmodulation sowohl eine resonante Einkopplung in den ersten Ringresonator und eine Resonanzüberhöhung in demselben als auch eine Frequenzsynchronisation der axialen Lasermoden beider Resonatoren erzielt wird und auf diese Weise Züge aus kurzen, intensiven Impulsen generiert und im ersten Resonator mit einer gegenüber dem kontinuierlichen Betrieb höheren Effizienz frequenztransformiert werden.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ringresonator aus zwei Spiegeln (4, 5) und einem Element (6) mit Brewsterflächen besteht, welches als vorzugsweise elektrooptischer Modulator dient.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Ringresonator befindliche nichtlinear-optische Element (14) zugleich als vorzugsweise elektrooptischer Modulator dient.
6. Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkende Lasermedium (7) durch einen elektrisch oder optisch gepumpten Halbleiter mit Trapezgeometrie gebildet wird.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkende Lasermedium (7) durch einen diodengepumpten Festkörperlaser gebildet wird.
8. Anordnung nach einem der Vorangehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Ringresonator spektral selektive Elemente (10) wie Gitter oder Fabry-Perot-Etalons eingebracht sind.
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Ringresonator räumlich selektive Elemente (11) wie Raumfrequenzfilter oder Mikrolinsensysteme eingebracht sind.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Ringresonatoren miteinander gekoppelt sind und/oder mehr als eine Laserwellenlänge in ihrer Frequenz konvertiert wird.
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