DE4101521C2 - Verfahren zur Wellenlängenselektion bei Einfrequenz-Mikrokristall-Lasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wellenlängenselektion bei einem auf mehreren Frequenzen jeweils auf einer Mode emittierenden Mikrokristall-Festkörperlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Mikrokristall-Laser zählen in verschiedenen Ausführungsformen bereits zum Stand der Technik, wie beispielsweise aus der Druckschrift "Optic Letters", Vol. 14, No. 1, 1989 durch den Artikel von Zayhowski and Mooradian oder aus der US-PS 4 578 793 von Kane u. a. bekanntgeworden ist. Alle diese Ausführungsformen nach dem Stand der Technik sind dadurch gekennzeichnet, daß ein aktives Medium wie z. B. Neodym : YAG, Nd : GGG o.a. als Kristall sehr geringer Dicke - typischerweise < 1 mm - derart bedampft sind, daß die beiden Kristallendflächen als Laserresonator- Spiegel wirken. Aufgrund der ausgesprochen geringen Resonatorlänge ist der Abstand für verschiedene axiale Moden soweit gespreizt, daß die sogenannten höheren Moden nicht mehr innerhalb des Laserverstärkungsprofils zur Laseremission beitragen können.

Ein solcher Laser arbeitet daher naturgemäß auf einer axialen Mode. Allerdings hat es sich in der Praxis gezeigt, daß aufgrund der geringen Resonatorverluste mehrere Laserübergänge des aktiven Mediums stattfinden bzw. stattfinden können. Die Fig. 1a der Zeichnung veranschaulicht in einem Diagramm ein typisches Beispiel eines Emissionsspektrums von einem Nd : YAG-Kristall und die Fig. 1b ein solches von einem Nd : GGG-Kristall. Da der Modenabstand für unterschiedliche axiale Moden aufgrund der Resonatorlänge von < 1 mm etwa 0.4 nm beträgt, lassen sich die drei unterschiedlichen Peaks als drei separate Laserübergänge identifizieren.

Aus "Optic Letters", Vol. 12, No. 12, Dez. 1987, Seiten 999-1001, ist eine Lasereinrichtung bekannt, bei der zwar ein λ/2-Plättchen zur Polarisationseinstellung des Pumplichtes verwendet wird, jedoch ist der Einfluß auf mehrere Frequenzkomponenten verschiedener Laserübergänge der Ausgangsstrahlung nicht erkannt worden.

Diese bekannten Mikrokristall-Laser arbeiten somit im Einmoden-, aber Mehrfrequenzbetrieb. Bei interferometrischen Messungen ist jedoch unbedingt erforderlich, daß der Laser nicht nur im Einmodenbetrieb sondern auch im Eigenfrequenzbetrieb arbeitet. Dies erfordert die Ausfilterung der unerwünschten Übergänge. Diese Ausfilterung zeigt sich jedoch als fast nicht durchführbar, denn es ist sehr schwer, hocheffiziente Bandpaßfilter mit einer Flankensteilheit zu erzeugen, welche nur einen dieser vorgenannten Übergänge transmittieren läßt und die anderen ausfiltert. Ist es nach großer Ausschußerzeugung gelungen so einen Filter zu erhalten, zeigt es sich, daß die Laserleistung der ausgefilterten Übergänge fast völlig verlorengegangen ist.

Aus der DE-Zeitschrift "Laser und Optoelektronik", 20 (3), 1988, Seiten 56-60 ist ein herkömmlicher diodengepumpter Laser bekannt, welcher im transversalen Nullmode (TEM₀₀) bei üblicherweise longitudinalen Moden arbeitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das es ermöglicht, in relativ einfacher Weise einen Mikrokristall-Laser der eingangs genannten Art sowohl im Einmodenbetrieb auf nur einem Laserübergang zu betreiben und eine statische und auch eine dynamische Auswahl des Laserübergangs gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert, wobei diese Erläuterungen durch die Figuren der Zeichnung ergänzt werden. Es zeigen:

Fig. 1a ein Diagramm eines Emissionsspektrums von einem Nd : YAG- Kristall-Laser nach dem Stand der Technik,

Fig. 1b ein Diagramm eines Emissionsspektrums von einem Nd : GGG- Kristall-Laser nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Schemaskizze eines Ausführungsbeispiels eines Mikrokristall-Laseraufbaus zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens in schematischer Darstellung,

Fig. 3a ein Diagramm des Emissionsspektrums eines Nd : YAG- Mikrokristall-Lasers, bei welchem nach dem vorgeschlagenen Verfahren zwei Übergänge selektiert worden sind,

Fig. 3b ein Diagramm des Emissionsspektrums eine Nd : GGG-Mikrokristall- Lasers, bei welchem nach dem vorgeschlagenen Verfahren zwei Übergänge selektiert worden sind,

Fig. 4a ein Diagramm des Emissionsspektrums eines Nd : YAG-Mikrokristall Lasers, bei welchem nach dem vorgeschlagenen Verfahren ein Übergang selektiert wurde,

Fig. 4b ein Diagramm des Emissionsspektrums eines Nd : GGG-Mikrokristall- Lasers, bei welchem nach dem vorgeschlagenen Verfahren ein Über­ gang selektiert wurde.

Mikrokristall-Festkörperlaser stellen als komplementäres Element zu ei­ nem intelligenten Sensor ein überaus wichtiges Bauteil für äußerst kom­ pakte Regelsysteme dar, welche neben einem Sensorsystem auch über ein intelligentes Sendesystem verfügen müssen. Bisher weitgehend unbekannt sind die gerade für interferometrische Regelzwecke ungewollten Eigen­ schaften solcher Mikrokristall-Laser, die darauf beruhen, daß solche Festkörperlaser auf mehreren Laserübergängen simultan emittieren. Das Auftreten mehrerer Laserlinien stört jedoch nahezu in allen Fällen der kohärenten Meßtechnik, wie beispielsweise Heterodynmessungen, Interfero­ metrie, Doppler-Verschiebungsmessungen usw. Eine Trennung dieser Laser­ linien durch Absorptionsfilter ist - wie bereits ausgeführt - nahezu un­ möglich und selbst dielektrische Filter sind mit derart hoher Flanken­ steilheit nicht herzustellen.

Nun ist es der Anmelderin gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, nach welchem die Laseremissionslinien selektiert werden können, denn es hat sich gezeigt, daß beim optischen Pumpen solcher Mikrokristall-Festkör­ perlaser mit Halbleiter-Laserdioden die relative Orientierung der Pump­ strahlungs-Polarisationseinrichtung zur Achse der inhomogenen räumlichen Pumpstrahlung eine wesentliche Rolle spielt. Solche Halbleiter-Laserdio­ den, wie sie in herkömmlicher Weise bei nahezu allen Mikrokristall-Fest­ körperlaser Verwendung finden, emittieren in einem räumlich sehr inhomo­ genen Abstrahlwinkel. Die Divergenz senkrecht zum p-n-Übergang des Halb­ leiters beträgt typischerweise 30° bis 40°, senkrecht hierzu jedoch nur typischerweise 10° bis 15°. Die Laserdioden-Ausgangsstrahlung solcher Pumpdioden ist typischerweise in einem Verhältnis von 100 : 1 polari­ siert.

Pumpt man nun einen solchen in Fig. 2 skizzierten Mikrokristall-Laser mit einer solchen Laserdiode 10 über eine Pumpoptik 11, so verformt sich der durch die Pumpstrahlung erhitzte Laserkristall 12 derart, daß eine konvexe Wölbung des Mikrokristalls zur Formung eines stabilen Resonators führt. Diese Verformung ist typischerweise inhomogen, da das Pumplicht ebenfalls inhomogen ist und dementsprechend inhomogen auf den Mikrokri­ stall 12 trifft. Ein solcher inhomogen gepumpter Mikrokristall emittiert typischerweise auf mehreren Laserübergängen.

Insbesonders spielt hier die Orientierung der Pumplichtpolarisation re­ lativ zur inhomogenen räumlichen Abstrahlung der Laserdiode eine ent­ scheidende Rolle. Das hier vorgeschlagene Verfahren beruht nun darauf, daß ein λ/2-Plättchen 13 zwischen Laserdiode 10 und dem Mikrokristall- Laser 12 angeordnet wird, welches es ermöglicht, die Pumplicht-Polarisa­ tionseinrichtung unabhängig vom Pumplichtstrahlungsprofil einzustellen. Es ist somit ermöglicht worden, kristallfeld-aufgesplittete Stark-Ni­ veaus gezielt zu selektieren. Dies führt zu einer ersten Selektion der möglichen Laseremissions-Wellenlängen, eine letzte Selektion erfolgt durch ein hinter dem Festkörperlaser befindlichen Polarisationsanalysa­ tor 14. Durch geeignete Positionierung von Polarisation der Pumplicht­ strahlung, also Drehung des λ/2-Plättchens 13, und des Polarisations­ analysators 14 kann so eine Laserwellenlänge selektiert werden.

Die Fig. 3a und 3b zeigen - wie bereits ausgeführt - ein Emissionsspek­ trum eines Nd : YAG bzw. Nd : GGG-Mikrokristall-Festkörperlasers, bei dem das obere Laserniveau mit Hilfe eines zwischen Pumplichtdiode 10 und Mi­ krokristall 12 eingebrachten λ/2-Plättchens 13 selektiert wird.

Die Fig. 4a und 4b zeigen ein Emissionsspektrum eines Nd : YAG- bzw. Nd : GGG-Mikrokristall-Festkörperlasers unter zusätzlicher Einfügung eines Polarisationsanalysators hinter dem Festkörperlaser.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht es also nicht nur auf relativ einfache Weise einen oder mehrere Übergänge zu unterdrücken, sondern führt zu dem aus der Laserphysik bekannten Phänomen, daß ein La­ serübergang auf Kosten der anderen Laserübergänge mit höherer Intensität emittiert. Somit wird ein Großteil der unterdrückten Emissionsintensität in zusätzliche Intensität der gewünschten Ausgangslinie transformiert. Weiterhin ermöglicht das vorbeschriebene Verfahren eine statische Aus­ wahl des Laserübergangs, beispielsweise durch entsprechende Justage und zum anderen ist auch eine dynamische Auswahl gegeben durch aktive Posi­ tionierung des Auswahlelements.

In bestimmten Ausführungsformen des Verfahrens kann das aktive Laserma­ terial aus einem Tm-, Ho- oder TM : Ho-dotiertem Festkörperkristall gebil­ det werden oder auch aus ein Er-dotierter Kristall sein. Das aktive La­ sermaterial läßt sich aber auch mit laseraktiven Ionen der chemischen Gruppe der seltenen Erden dotieren oder stöchiometrisch bilden. Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ist die Dicke des Festkörper­ kristalls 12 so gewählt, daß nur eine einzige Resonatormode anschwingt, wobei die Kristall-Endflächen bedampft sind.

Claims (8)

1. Verfahren zur Wellenlängenselektion bei einem auf mehreren Frequenzen jeweils auf einer Mode emittierenden Mikrokristall-Laser, dessen aktives Medium ein Festkörper-Mikrokristall geringer Dicke ist, dessen Kristallendflächen als Laserresonatorspiegel wirken und bei dem die Pumplichtstrahlung durch Halbleiter-Laserdioden abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines zwischen der Halbleiter-Laserdiode (10) und dem Mikrokristallkörper (12) angeordneten λ/2-Plättchens (13) eine erste Selektion der möglichen Laseremissions-Wellenlängen durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen hinter dem Mikrokristallkörper (12) angeordneten Polarisationsanalysator (14) eine letzte Selektion erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermaterial aus einem Nd-dotierten Festkörperkristall (12) wie GGG, YAG, LNP o. ä. gebildet wird und der Festkörperlaser auf einer einzelnen oder mehreren Laserwellenlängen des aktiven Festkörpermaterials Laserstrahlung emittiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermaterial aus einem Tm-, Ho- oder Tm : Ho-dotiertem Festkörperkristall gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermaterial aus einem Er-dotierten Festkörperkristall gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermaterial mit laseraktiven Ionen der chemischen Gruppe der seltenen Erden dotiert oder stöchiometrisch gebildet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Festkörperkristalls (12) so gewählt wird, daß nur eine einzige Resonatormode pro Laserübergang anschwingt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristall-Endflächen bedampft werden.