DE4139859C2 - Diodengepumpter Mikrokristall-Laser für Superheterodyn-Interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft diodengepumpte Mikrokristall-Laser gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2. Solche Mikrokristall-Laser sind aus der US 4 797 893 bekannt.

Zum Aufbau von absolutmessenden Superheterodyn-Interferometern werden Laserlichtquellen benötigt, welche einerseits eine möglichst geringe Linien­ breite aufweisen, andererseits zwei unterschiedliche Laser-Wellenlängen erzeugen, welche in ihrer Frequenz um ca. 0-30 GHZ gegeneinander ver­ stimmt werden können, so daß bei deren Überlagerung eine synthetische Wellenlänge entsteht, deren Wellenlänge zwischen 1 cm und nahezu unend­ lich abgestimmt werden kann.

Demgegenüber ist die Differenzfrequenz bei den bekannten Mikrokristall- Lasern durch Temperaturänderung lediglich im Bereich von 5 MHz bis 50 MHz abstimmbar.

Aus der US 4 233 569 ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der ein doppelbrechender Kristall unter einem definierten Brewsterwinkel größer als 45° zu einer Kristallachse des doppelbrechenden Filters in einen Laserreso­ nator eingebracht wird. Eine Erzeugung einer Differenzfrequenz von Null ist mit dieser Anordnung nicht möglich.

Aus der EP 0 327 310 A2 und der US 4 953 166 sind Mikrokristall-Laser mit Resonatorlängen im Bereich von 10-100 µm und in Verbindung mit op­ tisch nichtlinearen Kristallen bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diodengepumpte Mikrokristall- Laser anzugeben,die äußerst kompakt sind und zwei senkrecht zueinander polarisierte Wellen erzeugen, welche in ihrer Frequenz um den gesamten Bereich von 0 bis 30 GHz gegeneinander verstimmt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Das hier vorgestellte System basiert auf den bekannten Mikrokristall-Lasern, welche, ausgezeichnet durch eine kurze Resonatorlänge und Vermeidung von spatial-hole-burning-Effekten inhärent kleine Linienbreiten aufweisen (vergl. die DE 40 41 130 A1 sowie die DE 41 01 521 A1, ebenso Kintz und Baer, IEEE J. QE, Vol. 26, No. 9, Sept. 1990, PP. 1457-1459). Ebenso sind bereits monolithische durchstimmbare Festkörperlaser bekannt, welche unter Ausnutzung elektrostriktiver Materialien die Abstimmung einer einzelnen longitudinalen Mode gewährleisten (DE 41 25 720 A1).

Die genannten Offenlegungsschriften gelten gemäß §3 Abs. 2 Pat.G. als Stand der Technik.

Laserkristallmaterial, -Dicke und Resonatorlänge des Festkörper-Laserre­ sonators müssen hierbei sorgfältig so gewählt werden, daß unter Vermei­ dung von spatial hole-burning die Ausbreitung nur einer einzelnen longitudi­ nalen Mode bzw. zweier kollinearer Moden unterschiedlicher Polarisation möglich ist. Weiterhin muß der Modenabstand und die Fluoreszenzbreite des Laserüberganges hinreichend groß sein, so daß zusätzlich ein hin­ reichend großer Frequenzhub ohne Auftreten von Modensprüngen erzielt wird.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele er­ läutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Lasers mit halbmonolithischem linearem Resonatoraufbau nach,

Fig. 2a/2b schematisch Brechungsindexdarstellungen der verwendeten Ma­ terialien,

Fig. 2c/2d Phasenmodulatoren mit longitudinalem/transversalem Feld,

Fig. 3 schematisch den Aufbau eines Laser mit einem Phasenmodulator in einem Zweig eines verzweigten Resonators,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dielektrischer Schicht als Auskoppelspiegel,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dotiertem elektrooptischem Kristall.

Um die Resonatormode, welche räumlich in zwei zueinander senkrecht po­ larisierte Moden gleicher Frequenz aufspaltet (unter der Voraussetzung, daß die Resonatorzweige exakt gleich lang sind), gegeneinander in ihrer Frequenz verschieben zu können, ist es notwendig, die optische Weglänge der beiden Resonatormoden gegeneinander zu verändern. Dies kann zum einen dadurch geschehen, daß die Spiegel beweglich aufgehängt werden und durch piezokeramische Aktoren bzw. elektrostriktive Materialien mecha­ nisch ausgelenkt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung liegt jedoch dann vor, wenn die op­ tische Resonatorlänge nicht mechanisch, sondern rein optisch verändert werden kann. Hierzu werden sogenannte optische Phasenmodulatoren ein­ gesetzt, bestehend zum Beispiel aus Ferroelektrika, welche es gestatten, durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes an einen geeignet geschnit­ tenen Kristall den Brechungsindex des Kristalles in Abhängigkeit von Aus­ breitungsrichtung und Polarisation zu variieren, woraus folgend die optische Resonatorlänge im jeweiligen Resonatorzweig verändert wird. Die optische Phasenverschiebung ist gleichbedeutend mit einer Änderung der optischen Weglänge, in dieser Anordnung also der Resonatorlänge, folglich ändert sich entsprechend auch die Frequenz der Laserstrahlung im jeweiligen Resona­ torzweig.

Als Phasenmodulator können herkömmliche elektrooptische Kristalle verwendet werden, wie zum Bsp. KDP, KD_*P, ADP, AD_*P, LiNbO3, LiTaO3, vergl. Unger, H.G.: "Optische Nachrichtentechnik", Teil II, Heidelberg 1985, Abschnitt 10.3. Die genannten Kristalle werden eingeteilt in zwei Gruppen, zum einen die optisch einachsigen, doppelbrechenden trigonalen Kristalle LiTaO3 und LiNbO3 (Punktgruppe 3m), zum anderen die optisch einachsigen tetragonalen Kristalle KDP, ADP, KD_*P, AD_*P, BaTiO3 (Punktgruppe 42m). Kristalle der ersten Gruppierung weisen ein Brechungsindexellipsoid gemäß Fig. 2a auf, welches insbesondere dadurch charakterisiert ist, daß die dem elektrischen Feld folgenden Brechungsindexänderungen Δno und Δne beide gleichen Vorzeichens sind, mit Δne < Δno, wohingegen in der zweiten Gruppe die Brechungsindexänderungen für den ordentlichen Strahl Δno für Polarisatio­ nen parallel zu den x resp. y-Achsen von gleichem Betrage, jedoch entge­ gengesetzten Vorzeichens sind.

Bei dem Aufbau nach Fig. 3 wird in einem Zweig des Laserresonators ein Phasenmodulator 9 der oben beschriebenen Art eingebracht, durch welchen es möglich ist, die optische Resonatorlänge in diesem Zweig durch ein äußeres elektrisches Feld zu modulieren. Dabei kann es sich zum einen um einen Kristall der ersten (trigonalen) Kristallgruppe im z-cut handeln, wobei das elektrische Feld sowohl longitudinal (Fig. 2c) an den Kristall angelegt werden kann (die Brechungsindexänderung ist in diesem Falle unabhängig von der Polarisation 1/2_*n_o³_*r₁₃_*E), als auch um einen solchen Kristall in y-cut mit transversalem Feld (Fig. 2d). Die Brechungsindexänderung ist hierfür wie oben, jedoch nur für die zur x-Achse parallelen Polarisation, hingegen =0 für die hierzu senkrechte Polarisation. Bei Verwendung eines Kristalles der tetragonalen Kristallgruppe ist die Brechungsindexänderung für Polarisation parallel zur x- bzw. y-Achse ± n_o³r₆₃_*E/2.

Insbesondere im Hinblick auf die Anwendung als Laserquelle für absolutmessende Interferometer, ist es notwendig, einen Nulldurchgang der Differenzfrequenz zu erlauben. Hierbei ist zu beachten, daß die Resonatorlängen der beiden Zweige sorgfältig insofern aufeinander abgestimmt werden, als bei nichtanliegendem Feld bzw. nur geringen Feldstärken eine Differenzfrequenz von Null zwischen den beiden Laserstrahlen auftritt. Ebenfalls zu beachten ist, daß das Laserkristallmate­ rial isotrop ist und die Ausbreitung von senkrecht zueinander polarisierten Moden ermöglicht.

Um den Resonatoraufbau nun noch weiter zu vereinfachten und insbesondere eine kürzere Resonatorlänge zu gewährleisten, ist ein linearer Resonatorauf­ bau einem verzweigten Resonatoraufbau vorzuziehen. Ein solcher Resonator mit senkrecht zueinander polarisierten, gegeneinander durchstimmbaren Re­ sonatormoden ist in Fig. 1 dargestellt. Hierbei ist ein Phasenmodulator 11 in einen linearen Laserresonator (bestehend aus halbmonolitischem Laser­ kristall 12 und Auskoppelspiegel 13) eingesetzt, welcher die Eigenschaft besitzt, für senkrecht zueinander polarisierte Strahlung unterschiedliche feldinduzierte Brechungsindexänderungen aufzuweisen.

Bei Verwendung eines Kristalles der trigonalen Gruppe, welcher in diesem Falle in y-cut auszuführen ist, ist dies nur bedingt möglich. Zwar ist der die Brechungsindexänderung entscheidende Koeffizient größer als bei Kristallen der tetragonalen Gruppe, jedoch haben die Brechungsindexänderungen das­ selbe Vorzeichen bei unterschiedlichen Beträgen. Die auf die Resonator­ mode wirkende effektive Brechungsindexänderung ist proportional lediglich der Differenz-Brechungsindexänderung für die beiden Polarisations­ richtungen.

Hingegen bieten hier Kristalle der tetragonalen Gruppe den Vorteil, daß sie auch im y-cut eingesetzt werden können, wobei hier nur eine Polarisa­ tionsrichtung geändert wird, die andere bei gleicher Frequenz verbleibt, oder aber insbesondere im z-cut, wobei hier die beiden senkrechten Polarisa­ tionsrichtungen Brechungsindexänderungen von gleichem Betrag aber mit entgegengesetzten Vorzeichen haben, somit eine Frequenzänderung der Differenzfrequenz um den doppelten Betrag bzw. gleichen Betrag bei halber Spannung ermöglichen. Das Feld hat hierbei im Falle des y-cut transversal und im Falle des z-cut longitudinal zur Strahlrichtung am elektrooptischen Kristall anzuliegen.

Eine weitere Vereinfachung des Aufbaues kann dadurch erreicht werden, daß der Auskoppelspiegel als dielektrische Schicht 13 auf den Phasenmodu­ lator 11 aufgebracht wird, weiterhin der Phasenmodulator mit dem Laserkristall 12 optisch kontaktiert wird, wie es als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig. 4 dargestellt ist.

Wird nun ein tetragonaler einachsiger Kristall mit Ionen der seltenen Erden derart dotiert, daß diese einen kontinuierlichen Laserübergang ermöglichen, so ist ein rein monolitischer Laserkristall 17 mit senkrecht zueinander po­ larisierten gegeneinander durchstimmbaren Wellenlängen realisiert. Hierbei wird die Gesamt-Resonatorlänge so gewählt, daß sich bei fehlendem elektri­ schen Feld nur eine einzige longitudinale Mode innerhalb des Verstär­ kungsprofiles ausbreitet und andererseits eine hinreichende Durchstimmung zweier der senkrecht zueinander polarisierter Resonatormoden ohne Auftre­ ten von Modensprüngen möglich ist. An einen solchen Kristall im z-cut kann ein longitudinales elektrisches Feld angelegt werden, dessen Elektroden 15, 16 so beschaffen sind, daß sie eine ungehinderte Ausbreitung der Resonatormode im Zentrum ermöglichen, wie es als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig. 5 dargestellt ist, oder aber, bei Halbierung des Durchstimmbereiches bzw. Verdoppelung der Feldstärke ein transversales Feld an einen Kristall im y-cut.

Claims (2)

1. Diodengepumpter Mikrokristall-Laser mit abstimmbarer simultaner Laseremission bei zwei Frequenzen und Polarisationen, mit einem linearen unverzweigten Laserresonator (11, 12, 13), der einen Laserkristall (12) und einen mit dem Laserkristall (12) kontaktierten Phasenmodulator (11) enthält, welcher mit einer dielektrischen Schicht (13) als Auskoppelspiegel für die Laserstrahlung beschichtet ist, wobei der Phasenmodulator (11) ein elektrooptischer Kristall ist, der polarisationsabhängig eines relative Verschiebung der Laserfrequenzen erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Phasenmodulation zur Verschiebung der Laserfrequenzen durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes an den elektrooptischen Kristall bewirkt wird, wobei den senkrecht zueinander polarisierten Wellen unterschiedliche feldinduzierte Brechungsindexänderungen zugeordnet sind, und
daß der elektrooptische Kristall der tetragonalen Kristallgruppe angehört, im y-Schnitt oder im z-Schnitt geschnitten ist und senkrecht zum elektrischen Feld bzw. parallel dazu durchstrahlt wird.

2. Diodengepumpter Mikrokristall-Laser mit abstimmbarer simultaner Laseremission bei zwei Frequenzen und Polarisationen, mit einem linearen unverzweigten Laserresonator, der einen Phasenmodulator (17) enthält, wobei der Phasenmodulator (17) ein elektrooptischer Kristall ist, der polarisationsabhängig eine relative Verschiebung der Laserfrequenz erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrooptische Kristall mit Ionen der Gruppe der Lanthanoide dotiert ist und sowohl zur Laserstrahlerzeugung als auch zur Phasenmodulation dient,
daß die Phasenmodultaion zur Verschiebung der Laserfrequenzen durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes an den elektrooptischen Kristall bewirkt wird, wobei den senkrecht zueinander polarisierten Wellen unterschiedliche feldinduzierte Brechungsindexänderungen zugeordnet sind, und
daß der elektrooptische Kristall der tetragonalen Kristallgruppe angehört, im y-Schnitt oder im z-Schnitt geschnitten ist und senkrecht zum elektrischen Feld bzw. parallel dazu durchstrahlt wird.