WO2017182352A1

WO2017182352A1 - Frequenzverdoppler sowie verfahren zum erzeugen elektromagnetischer strahlung

Info

Publication number: WO2017182352A1
Application number: PCT/EP2017/058747
Authority: WO
Inventors: Jens Kiessling; Markus Leidinger; Frank KÜHNEMANN
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2017-10-26
Also published as: DE102016107499A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in einem Betrieb des Frequenzverdopplers aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, die in den Verdopplerkristall einstrahlbar ist, elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt, und einem Resonator für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz, wobei der Verdopplerkristall in dem Resonator angeordnet ist. Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Frequenzverdoppler bereitzustellen der eine gesteigerte Effizienz der Wandlung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in dem Resonator zusätzlich zu dem Verdopplerkristall ein Filter mit einer frequenzabhängigen Dämpfung für elektromagnetische Strahlung vorzusehen, wobei die Dämpfung bei einer Mittenfrequenz geringer ist als bei Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Mittenfrequenz und wobei das Filter derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Mittenfrequenz gleich der Fundamentalfrequenz ist.

Description

Frequenzverdoppler sowie Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System mit einem Laser und/oder einem optisch parametrischen Oszillator zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz und einem Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in einem Betrieb des Frequenz- verdopplers aus der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt, und einem Resonator für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz, wobei der Verdopplerkristall in dem Resonator angeordnet ist und wobei der Frequenzverdoppler in ei- nem Strahlpfad der in dem Betrieb von dem Laser oder dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz angeordnet ist, so dass der Frequenzverdoppler die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt und abstrahlt. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz mit den Schritten: Anordnen eines nichtlinear optischen Verdopplerkristalls in einem Resonator für elektromagnetische Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in den Resonator und Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz in dem Verdopplerkristall.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, nichtlinear optische Prozesse zur Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung zu nutzen. Anwendungen für eine solche nichtlinear optische Frequenzkonversion ergeben sich insbesondere daraus, dass sich nicht alle Spektralbereiche der elektromagnetischen Strahlung direkt in Form von Laserstrahlung mit Festkörperlasern oder Halbleiterlasern generieren lassen. Daher werden häufig Laseroszillatoren zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz eingesetzt und die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz dann mit Hilfe eines nichtlinear optischen Prozesses in einen Frequenzbereich konvertiert oder gewandelt, der eigentlich erreicht werden soll.

Weit verbreitet ist zur Frequenzkonversion die Frequenzverdopplung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz. Dieser Prozess wird auch„second harmonic generation" (SHG) genannt. Um die Konversion der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz möglichst effizient zu gestalten sind zudem aus dem Stand der Technik Frequenzverdoppler bekannt, bei denen der Verdopplerkristall inner- halb eines Resonators für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz angeordnet ist.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung sowie ein Verfahren zum Erzeugen elektromagneti- scher Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz bereitzustellen, welche eine gesteigerte Effizienz der Wandlung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein System mit einem Laser und/oder einem optisch parametrischen Oszillator zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz und einem Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung vorgeschlagen mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in einem Betrieb des Frequenzverdopplers aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Funda- mentalfrequenz, die in den Verdopplerkristall einstrahlbar ist, elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt, und einem Resonator für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz, wobei der Verdopplerkristall in dem Resonator angeordnet ist, und wobei der Frequenzverdoppler in einem Strahlpfad der in dem Betrieb von dem Laser oder dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten und abgestrahl- ten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz angeordnet ist, so dass der Frequenzverdoppler die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt und abstrahlt. Zusätzlich zu dem Verdopplerkristall ist in dem Resonator ein Filter mit einer frequenzabhängigen Dämpfung für elektromagnetische Strahlung vorgesehen , wobei die Dämpfung bei einer Mittenfrequenz geringer ist als bei Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Mittenfrequenz und wobei das Filter derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Mittenfrequenz gleich der Fundamentalfrequenz ist.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist es, eine Rückkonversion von elektromagnetischer Strahlung mit der zu erzeugenden, verdoppelten Frequenz zurück in elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz bzw. mit einer der Fundamentalfrequenz ähnlichen Frequenz zu verhindern. Zu diesem Zweck ist in dem Resonator erfindungsgemäß zusätzlich zu dem Verdopplerkristall ein frequenzselektives Filter angeordnet. Die Frequenzselektivität des Filters drückt sich darin aus, dass es eine Dämpfung für elektromagnetische Strahlung einfügt, die bei einer Mittenfrequenz, die im Wesentlichen gleich der Fundamentalfrequenz ist, geringer ist als bei Frequenzen oberhalb und/oder unterhalb der Mittenfrequenz. Für den zu erreichenden Zweck muss dieses Filter derart gewählt sein, dass es elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz mit einer möglichst geringen Abschwächung transmittiert. Demgegenüber gilt es die Frequenzen zwischen der Fundamentalfrequenz und der verdoppelten Frequenz stärker abzuschwächen, da diese mögliche Zielfrequenzen einer Rückkonversion bilden.

Es gibt aus dem Stand der Technik bekannte Laser, bei welchen innerhalb des Laserresonators, d.h. zwischen den Resonatorspiegeln des Lasers, ein Verdopplerkristall und zusätzlich ein Etalon zum Filtern der Fundamentalfrequenz vorgesehen ist. In diesen dient das Etalon als Filter einer Reduzierung der Bandbreite der von dem Laser generierten Strahlung mit der Fundamentalfrequenz und geleichzeitig einer Leistungssteigerung bei den von dem Etalon transmittierten Frequenzen. Demgegenüber ist erfindungsgemäß der Verdopplerkristall in einem zusätzlichen Resonator angeordnet und das Etalon dient der Reduzierung der Rückkonversion.

Es versteht sich, dass erfindungsgemäß die von dem Laser oder von dem optisch parametrischen Oszillator erzeugte elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz zunächst von deren Resonator abgestrahlt wird, bevor sie in den Resonator des Frequenzverdopplers eingekoppelt wird. Es gibt folglich voneinander unterscheidbare Resonatoren für den Laser oder optisch parametrischen Oszillator und für den Frequenzverdoppler.

Insbesondere ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Dämpfung, welche das frequenzselektive Filter hat, für die Fundamentalfrequenz geringer als für Frequenzen zwischen der Funda- mentalfrequenz und der verdoppelten Frequenz.

Ist in einer Ausführungsform das frequenzselektive Filter in Strahlrichtung der in den Resonator eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz hinter dem nichtlinear optischen Verdopplerkristall angeordnet, so muss das frequenzselektive Filter auch die elektro- magnetische Strahlung mit der verdoppelten Frequenz, welche in dem nichtlinearen Kristall erzeugt werden soll, mit einer möglichst geringen Abschwächung transmittieren. Mit anderen Worten muss dann auch die verdoppelte Frequenz außerhalb der Bandbreite des frequenzselektiven Filters liegen. Für die Ausgestaltung des Filters reicht es in einer Ausführungsform aus, wenn dieses elektromagnetische Strahlung, welche durch einen OPO-Rückkonversionsprozess erzeugt wird, entweder bei der Frequenz der Signal-Strahlung oder bei der Frequenz der Idler-Strahlung reduziert. Aufgrund dessen, dass der OPO-Prozess zweifach resonant ist, genügt die Störung des Prozesses bei einer der beiden Frequenzen. Daher genügt es, dass das Filter entweder für Frequenzen oberhalb der Mittenfrequenz oder unterhalb der Mittenfrequenz eine Dämpfung aufweist, die größer ist als die Dämpfung bei der Mittenfrequenz. Grundsätzlich ist es wünschenswert eine hohe Leistungsdichte der Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in dem Verdopplerkristall bereitzustellen, da die Konversionseffizienz mit der Leistungsdichte in dem Kristall skaliert. Man hat festgestellt, dass die Anordnung des nichtlinear optischen Verdopplerkristalls innerhalb eines Resonators, welcher für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz resonant ist, auf diese Weise zu einer Erhöhung der Konversi- onseffizienz und damit zur Erhöhung der Ausgangsleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz führt.

Jedoch zeigt sich, dass bei Erfüllung bestimmter Randbedingungen der nichtlinear optische Kristall nicht nur als Verdopplerkristall für die Strahlung mit der Fundamentalfrequenz wirkt, sondern gleichzeitig von dem Verdopplerkristall und dem Resonator ein optisch parametrischer Oszillator (OPO) gebildet wird. Ein solcher, von Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz gepumpter OPO wird auch als subharmonisch gepumpter OPO bezeichnet. Der OPO wird von der erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz als Pumpstrahlung getrieben und erzeugt Signal- und Idler-Strahlung mit Frequenzen in der Um- gebung der Fundamentalfrequenz. Dabei ist aufgrund der einzuhaltenden Phasenanpassungsbedingungen eine Rückkonversion zur exakten Fundamentalfrequenz physikalisch ausgeschlossen, sodass die Frequenzen der Signal- und Idler-Strahlung des Rückkonversionsprozesses neben der Linie der Fundamentalfrequenz liegen. Werden durch den beschriebenen Rückkonversionsprozess Signal- und Idler-Strahlung mit einer nicht vernachlässigbaren Leistung generiert, so reduziert dies die Ausgangsleistung des Frequenz- verdopplers bei der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erheblich. Da der Rückkonversionsprozess zudem zweifachresonant ist, d.h. sowohl für die Signal-Strahlung als auch für die Idler-Strahlung müssen Resonanzbedingungen des Resonators erfüllt sein, ist dieser Prozess empfindlich gegenüber thermischen und mechanischen Einflüssen auf den Resonator. Der Rückkonversionsprozess ist somit instabil, was wiederum zu einem erhöhten Intensitätsrauschen der erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz führt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher die Dämpfung des Filters bei der durch den sub- harmonischen OPO-Prozess generierten Signal- oder Idler-Frequenzen gerade so groß, dass die Leistungsschwelle des subharmonischen OPO-Prozesses unterschritten wird. Die Rückkonversion zu Frequenzen in der Umgebung der Fundamentalfrequenz tritt in Ausführungsformen dann auf, wenn die Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz im Verdopplerkristall einen Schwellenwert übersteigt, bei welchem der OPO- Rückkonversionsprozess einsetzt.

Die erforderlichen Leistungsdichten werden in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere dann erreicht, wenn die Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in den Verdopplerkristall zu einer sehr kleinen Strahltaille innerhalb des Verdopplerkristalls führt. Ein Absenken der Leistungsdichte in dem Verdopplerkristall unter die für den Rückkonversionsprozess kritische Schwelle könnte durch eine Aufweitung der Strahltaille in dem Kristall erreicht werden. Einer solchen Vergrößerung der Strahltaille sind allerdings dann Grenzen gesetzt, wenn in einer Ausführungsform der Verdopplerkristall in einer Richtung senkrecht zu einer Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung in dem Resonator eine Abmessung aufweist, die sehr klein ist. Dies unter der Voraussetzung, dass eine Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung bei der Fundamentalfrequenz innerhalb des Resonators in den Verdopplerkristall so gewählt ist, dass über die gesamte Länge des Kristalls hinweg der Strahldurchmesser der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz geringer ist als die Breite und die Höhe des Kristalls. Dabei bedeutet in einer Ausführungsform der Erfindung sehr klein im Sinne der vorliegenden Anmeldung, dass eine Abmessung des Verdopplerkristalls in einer Richtung senkrecht zu ei- ner Strahlrichtung 2 mm oder weniger und vorzugsweise 1 mm oder weniger beträgt. Diese Abmessung des Verdopplerkistalls ist dann über die gesamte Länge des Kristall hinweg größer als der Durchmesser der fokussierten Strahlung mit der Fundamentalfrequenz oder in einer Ausführungsform mindestens etwa dreimal größer als der Strahldurchmesser. Dabei wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Strahldurchmesser der Durchmesser eines Kreises bezeichnet, bei dem die Intensität der elektromagnetischen Strahlung auf 1/e² abgefallen ist. Bei einer derartigen Fokussierung wird typischerweise im Kristall die Leistungsschwelle für den OPO-Prozess überschritten.

Zwar ist es ggf. möglich, Kristalle zu wählen, welche einen Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungs- richtung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz aufweisen, welcher groß genug ist, so dass eine geringere Fokussierung möglich ist, um die Leistungsdichte unter den Schwellenwert für den OPO-Prozess zu reduzieren. Allerdings ist in einer Ausführungsform der Erfindung der nichtlinear optische Verdopplerkristall ein periodisch gepolter Kristall, bspw. ein periodisch gepolter Lithiumniobatkristall. Mit derartigen periodischen Polungen eines nichtlinear opti- sehen Kristalls lassen sich Kristalle maßschneidern, welche für die Verdopplung einer ausgewählten Fundamentalfrequenz oder eines ausgewählten Bereichs von Fundamentalfrequenzen geeignet sind. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Verdopplerkristall ein periodisch gepolter nichtlinear optischer Kristall. Dieser hat in einer Ausführungsform eine als klein geltenden Polungsperiode, nämlich eine Polungsperiode von 30 μιη oder weniger, vorzugsweise eine Polungsperiode in einem Bereich von 4 μιτι bis 20 μιη.

Derartige periodisch gepolte nichtlinear optische Kristalle lassen sich aber derzeit nur mit einer Abmessung in einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung herstellen, die typischerweise etwa das Hundertfache der Polungsperiode beträgt. Eine Abstimmbarkeit des Frequenzverdopplers wird in einer Ausführungsform der Erfindung derart realisiert, dass die verdoppelte Frequenz durch Abstimmen der in dem Betrieb des Frequenzverdopplers in den Verdopplerkristall eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz abgestimmt wird. Eine Einstellung der Phasenanpassung des Verdopplerkristalls für eine gewünschte Fundamentalfrequenz kann dabei durch Einstellen einer Temperatur des Kris- talls oder auch der Polungsperiode des Kristalls erfolgen.

Soll der Frequenzverdoppler abstimmbar ausgestaltet sein, sodass die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz einstellbar ist, so muss zusätzlich zur Ausgestaltung des nichtlinear optischen Verdopplerkristalls die Resonatorbedingung auch für eine ganze Bandbreite von Fundamentalfrequenzen erfüllt sein. Diese Notwendigkeit für die Abstimmbarkeit des Frequenzverdopplers führt aber auch dazu, dass für Signal- und Idler-Strahlung aus dem Rück- konversionsprozess um die Fundamentalfrequenz herum ebenfalls die Resonanzbedingung des Resonators erfüllt ist. Dies wiederum begünstigt den Rückkonversionsprozess. In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher eine Bandbreite des Filters, über welche dieses eine Dämpfung einfügt, die größer ist als die Dämpfung bei der Mittenfrequenz, kleiner als ein Frequenzbereich, in welchem Spiegel des Resonators für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz reflektierend sind. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spiegel des Resonators für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz über eine Bandbreite von mindestens 100 nm, vorzugsweise von mindestens 200 nm und besonders bevorzugt von mindestens 400 nm hoch reflektierend. Dabei treten parasitäre Rückkonversionsprozesse aber bereits bei Spiegeln auf, die über eine Bandbreite von mindestens 1 nm oder von mindestens 5 nm oder von mindestens 10 nm um die Wellenlänge der Fundamentalfrequenz herum hoch reflektierend sind. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spiegel für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in einem Wellenlängenbereich von 1.000 nm bis 1.200 nm, vorzugsweise von 900 nm bis 1.300 nm reflektierend. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die von dem Laser oder von dem optisch parametrischen Oszillator erzeugte elektromagnetische Strahlung einmodig.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator ein linearer Resonator mit mindestens zwei Spiegeln. Allerdings ist das Konzept der vorliegenden Erfindung unabhängig von der konkre- ten Form des Resonators. Daher sind auch andere Formen von Resonatoren, insbesondere ein Ringresonator oder ein Bow-Tie Resonator, zur Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet.

Soll der Frequenzverdoppler, d.h. die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Ausgang des Frequenzverdopplers mit der verdoppelten Frequenz, abstimmbar sein, so ist es in einer Aus- führungsform der Erfindung zweckmäßig, wenn das Filter derart ausgestaltet ist, dass die Mittenfrequenz des Filters ebenfalls abstimmbar ist.

Als Filter eignet sich in einer Ausführungsform der Erfindung entweder ein Fabry-Perot-Etalon oder ein Lyot-Filter. Diese sind in Ausführungsformen ebenfalls abstimmbar, sodass sich die Mittenfre- quenz des Filters in dem Resonator einstellen lässt. Ist das Filter ein Fabry-Perot-Etalon, so kann die Frequenzabstimmung bspw. durch Verkippen des Etalons im Strahlpfad innerhalb des Resonators erfolgen. Ist das e Filter ein Lyot-Filter, so kann eine Abstimmung der Mittenfrequenz des Filters insbesondere durch Verdrehen bzw. Verschwenken des Lyot-Filters erfolgen. Ist das Filter ein Fabry-Perot-Etalon, so weist dieses in einer Ausführungsform der Erfindung einen freien Spektralbereich („free spectral ränge"; FSR) mit einem Wert in einem Bereich von 100 GHz bis 3 THz auf.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Filter ein Fabry-Perot-Etalon und weist eine Finesse in einem Bereich von 0,5 bis 10 auf.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Filter eine Halterung auf, wobei die Halterung derart ausgestaltet ist, dass das Filter in einen Strahlpfad der elektromagnetischen Strahlung in dem Resonator oder aus diesem heraus bewegbar ist. In einer Ausführungsform kann diese Bewegung motorisch angetrieben sein. Eine solche Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass sie eine Anpassung des Frequenzver- dopplers im Betrieb an die Pumpleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz ermöglicht. Da nennenswerte Rückkonversion aufgrund des ihr zugrundeliegenden OPO-Prozesses erst ab einem gewissen Schwellenwert der Leistungsdichte in dem Verdoppler- kristall einsetzt, kann auf das Filter in dem Resonator so lange verzichtet werden, so lange die Pumpleistung bei der Fundamentalfrequenz unterhalb des Schwellenwertes bleibt. Erst darüber muss zur Stabilisierung des Frequenzverdopplungsprozesses das Filter in den Strahlpfad bewegt werden. Zudem ermöglicht es ein in den Strahlpfad einbringbares und wieder aus diesem entfernbares Filter eine einfachere Justierung des Frequenzverdopplers im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz. Das Filter kann in einer solchen Ausführungsform nach dem Einjustieren, d.h. dem Optimieren der Ausgangsleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz, in den Strahlengang eingebracht werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Filter in dem Strahlengang in dem Resonator hinein und aus diesem hinaus verschwenkbar.

Die zuvor genannte Aufgabe wird von einem System gelöst mit einem Laser und/oder einem op- tisch parametrischen Oszillator zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz und einem Frequenzverdoppler, so wie er in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zuvor beschrieben wurde, wobei der Frequenzverdoppler in einem Strahlpfad der in dem Betrieb von dem Laser oder optisch parametrischen Oszillator erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz angeordnet ist, sodass der Frequenzver- doppler elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt und abstrahlt. Währen in einer Ausführungsform der Erfindung das System aus einem Laser oder einem optisch parametrischen Oszillator und dem Frequenzverdoppler besteht, gibt es Ausführungsformen, in denen das System einen Laser, einen optisch parametrischen Oszillator sowie den Frequenzverdoppler umfasst, wobei in diesem Fall der Laser den optisch pa- rametrischen Oszillator pumpt und der optisch parametrische Oszillator den Frequenzverdoppler.

Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anordnen eines nichtlinear optischen Verdoppler- kristalls in einem Resonator für elektromagnetische Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in den Resonator, Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz in dem Verdopplerkristall und Einfügen einer Dämpfung für elektromagnetische Strahlung in dem Resonator, wobei die Dämpfung für elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz kleiner ist als für Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Fundamentalfrequenz, sodass eine Rückkonversion der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz in elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz zwischen der Fundamentalfrequenz und der verdoppelten Frequenz reduziert wird.

Dabei wird zweckmäßigerweise die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz von einer Quelle, vorzugsweise einem Laser oder einem optisch parametrischen Oszillator, außerhalb des Resonators des Frequenzverdopplers erzeugt und in den Resonator des Frequenzver- doplers eingestrahlt.

Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf den Frequenzverdoppler beschrieben wurden, so gelten diese auch für das Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz. Dabei umfasst das Verfahren die- jenigen Schritte, die anhand der entsprechenden Einrichtungen des Frequenzverdopplers zuvor beschrieben wurden. Insbesondere sind aber auch Ausführungsformen des Frequenzverdopplers zum Ausführen des verschiedenen Verfahrens geeignet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figur deutlich.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Frequenzverdopplers. Zum einfacheren Verständnis sind in der Figur 1 die Strahlengänge der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz 1 in und außerhalb des Resonators und der elektromagnetischen Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz 2 parallel zueinander versetzt dargestellt und nicht wie sachlich richtig kollinear. Dabei ist die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz 1 als durchgezogene Linie gezeigt, während die elektromagnetische Strahlung mit der verdoppelten Frequenz 2 mit einer Strichpunktlinie dargestellt ist.

Die Pumpstrahlung 1 wird außerhalb des Resonators, d.h. außerhalb des Strahlpfads zwischen den Spiegeln 4, 5, des Frequenzverdopplers 3 generiert und abgestrahlt. Das Einstrahlen in den Resonator des Frequenzverdopplers 3 erfolgt durch den Spiegel 4 des Resonators.

Der Frequenzverdoppler 3 besteht in der gezeigten Ausführungsform aus vier Komponenten, nämlich zwei Spiegeln 4, 5, einem Verdopplerkristall 6 und einem Fabry-Perot-Etalon 7. Die beiden Spiegel 4, 5 bilden zusammen den Resonator des Frequenzverdopplers 3. Dieser Resonator 4, 5 ist resonant für die Fundamentalfrequenz der Pumpstrahlung 1. Um die Resonanzbedingung für ein effizientes Betreiben des Frequenzverdopplerkristalls 6 über eine breite Abstimmbandbreite zu erfüllen sind die beiden Spiegel 4, 5 des Resonators über einen Wellenlängenbereich der Funda- mentalen von 900 nm bis 1.300 nm, d.h. über eine Bandbreite von etwa 400 nm, hoch reflektierend.

Um eine effiziente Frequenzverdopplung des gewählten Fundametalwellenlängenbereichs zu erzielen, handelt es sich bei dem Verdopplerkristall 6 um einen periodisch gepolten Lithiumniobat- kristall mit einer kleinen Polungsperiode. Derartige gepolte Kristalle mit kleiner Polungsperiode las- sen sich jedoch derzeit nur als sehr dünne Kristalle realisieren. Daher weist der Kristall 6 in einer Richtung senkrecht zu dem Strahlpfad 1 der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz nur eine Abmessung von weniger als 1 mm auf.

Folglich sind in der gezeigten Ausführungsform (in der Figur nicht zu erkennen) die Spiegel 4, 5 fokussierend ausgestaltet, wobei die Strahltaille innerhalb des Verdopplerkristalls 6 liegt und der Strahldurchmesser über die gesamte Länge des Kristalls hinweg geringer ist als die Abmessungen des Kristalls in Richtungen senkrecht zu dem Strahlpfad 1 der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz. So werden innerhalb des Kristalls 6 hohe Leistungsdichten der Pumpstrahlung 1 erreicht. Dies wiederum bewirkt im Zusammenspiel mit den breitbandig reflektierenden Spiegeln 4, 5 eine vergleichsweise effiziente Rückkonversion durch einen optisch parametrischen Oszillatorprozess, welcher durch die von dem Frequenzverdopplungsprozess erzeugte Strahlung mit der verdoppelten Frequenz gepumpt wird. Um diese Rückkonversion zu unterdrücken, ist in dem Resonator, d.h. im Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln 4, 5 ein Fabry-Perot-Etalon 7 angeordnet. Dieses Etalon weist in der dargestellten Ausführungsform eine freie spektrale Länge von etwa 820 GHz auf. Das Etalon selbst ist aus einem YAG-Kristall mit einer Dicke von 100 μιη unter Nutzung der Fresnel-Reflexe an den Oberflächen 8, 9 des Kristalls 7 gebildet. Das Etalon hat eine vergleichsweise geringe Finesse.

Das Etalon 7 ist im Strahlengang verkippbar, d.h. der Winkel, welchen die Flächen 8, 9 mit dem Strahl 1 einschließen, ist einstellbar. Auf diese Weise kann die Mittenfrequenz des Filters durchgestimmt werden.

Zudem ist in der dargestellten Ausführungsform das Etalon 7 in einer Richtung senkrecht zum Strahlengang 1 in den Strahlengang und aus diesem heraus verfahrbar. Auf diese Weise kann das Etalon aus dem Strahlengang entfernt werden, wenn die Pumpleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz 1 derart gering ist, dass eine effektive Rückkonversion ohnehin nicht zu befürchten ist. In diesem Fall lässt sich die Ausgangsleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz 2 erhöhen, wenn das Etalon 7 nicht im Strahlengang ist. Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesebarkeit der Beschreibung wegen verzichtet. Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort„aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel„eine" oder „ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.

Bezugszeichen elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz elektromagnetische Strahlung mit der verdoppelten Frequenz Frequenzverdoppler

Spiegel

Verdopplerkristall

Fabry-Perot-Etalon

Oberfläche des Etalons 7

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

System mit

einem Laser und/oder einem optisch parametrischen Oszillator zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz (1 ) und

einem Frequenzverdoppler (3) für elektromagnetische Strahlung mit

einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall (6) , der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in einem Betrieb des Frequenzverdopplers (3) aus der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ) elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz (2) erzeugt, und

einem Resonator für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ), wobei der Verdopplerkristall (6) in dem Resonator angeordnet ist,

wobei der Frequenzverdoppler (3) in einem Strahlpfad der in dem Betrieb von dem Laser oder dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ) angeordnet ist, so dass der Frequenzverdoppler (3) die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz (2) erzeugt und abstrahlt, dadurch gekennzeichnet, dass

in dem Resonator zusätzlich zu dem Verdopplerkristall (6) ein Filter mit einer frequenzabhängigen Dämpfung für elektromagnetische Strahlung, wobei die Dämpfung bei einer Mittenfrequenz geringer ist als bei Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Mittenfrequenz, vorgesehen ist, wobei das Filter derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Mittenfrequenz gleich der Fundamentalfrequenz ist.

System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzverdoppler (3) derart ausgestaltet ist, dass die verdoppelte Frequenz (2) durch Abstimmen der in dem Betrieb des Frequenzverdopplers (3) in den Verdopplerkristall (6) eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ) abstimmbar ist.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator Spiegel (4, 5) aufweist, die für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ) in einem Frequenzbereich, der größer ist als eine Bandbreite, über die das Filter eine Dämpfung für elektromagnetische Strahlung bewirkt, die größer ist als die Dämpfung bei der Mittenfrequenz, reflektierend sind. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator Spiegel (4, 5) aufweist, die für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ) über eine Bandbreite von mindestens 1 nm, vorzugsweise von mindestens 5 nm und besonders bevorzugt von mindestens 100 nm reflektierend sind.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator Spiegel (4, 5) aufweist, die für die elektromagnetische Strahlung mit der Funda- mentalfrequenz (1 ) in einem Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1200 nm, vorzugsweise von 900 nm bis 1300 nm reflektierend sind.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter derart ausgestaltet ist, dass die Mittenfrequenz des Filters abstimmbar ist.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Fabry-Perot-Etalon (7) oder ein Lyot-Filter ist.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Fabry-Perot-Etalon (7) mit einem freie Spektralbereich mit einem Wert in einem Bereich von 100 GHz bis 3 THz ist.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter ein Fabry-Perot-Etalon (7) mit einer Finesse in einem Bereich von 0,5 bis 10 und vorzugsweise von 2 bis 8 ist.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdopplerkristall (6) in einer Richtung senkrecht zu einer Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung in dem Resonator eine Abmessung aufweist, die 2 mm oder weniger und vorzugsweise 1 mm oder weniger beträgt.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdopplerkristall (6) ein periodisch gepolter nichtlinear optischer Kristall mit einer Polungsperiode von 30 μιη oder weniger, vorzugsweise 20 μιη oder weniger und besonders bevorzugt 10 μιη oder weniger, ist.

System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter eine Halterung aufweist, wobei die Halterung derart ausgestaltet ist, dass das Filter in einen Strahlpfad der elektromagnetischen Strahlung oder aus diesem heraus bewegbar ist.

13. Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz (2) mit den Schritten

Anordnen eines nichtlinear optischen Verdopplerkristalls (6) in einem Resonator für elektromagnetische Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz (1 ),

Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ) in den Resonator und

Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz (2) in dem Verdopplerkristall (6),

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich den Schritt aufweist

Einfügen einer Dämpfung für elektromagnetische Strahlung in dem Resonator, wobei eine Dämpfung für elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz oberhalb oder unterhalb der Fundamentalfrequenz größer ist als eine Dämpfung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz (1 ), so dass eine Rückkonversion der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz (2) in elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz zwischen der Fundamentalfrequenz und der verdoppelten Frequenz (2) reduziert wird.