DE10109084A1 - Optisches Element - Google Patents

Abstract

Optisches Element zur Übertragung variierender Anteile eingestrahlten Lichtes mit einer Lichteintritts- und -austrittsfläche und einem optischen Medium, das einen intensitätsabhängigen Brechungsindex aufweist, wobei vorgesehen ist, dass zumindest ein Teil des Lichtes mehrfach durch das optische Medium läuft.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit optischen Elemen­ ten und Lasern. Insbesondere befasst sie sich mit solchen op­ tischen Elementen, bei denen der Anteil eingestrahlten Lich­ tes, der übertragen wird, variiert und deren Einsatz in La­ sern.

Laser bestehen in der Regel aus zwei wesentlichen Teilen: ei­ nem verstärkenden Medium und einem sogenannten Resonator. Ein verstärkendes Medium schwächt hindurchlaufendes Licht nicht ab, sondern verstärkt dieses; die Verstärkung kann jedoch nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich erfolgen. Das ver­ stärkende Medium wird in dem Resonator angeordnet, der das Licht zwischen reflektierenden Elementen, beispielsweise ei­ nem End- und einem Auskoppelspiegel, mehrfach hin und her reflektiert, so dass es wiederholt durch das verstärkende Medi­ um läuft und dabei an Intensität gewinnt.

In dem Resonator können sich nun, ähnlich wie bei der schwin­ genden Saite einer Geige, stehende Wellen aufbauen. Nur diese können effizient wiederholt durchs Medium laufen und entspre­ chend verstärkt werden. Die entsprechenden Wellen werden als "Moden" bezeichnet. In der Regel ist es möglich, dass eine Vielzahl von Moden effizient von dem Verstärkungsmedium ver­ stärkt wird, da die Resonatormoden typisch sehr eng beieinan­ der liegen und das Verstärkungsprofil des verstärkenden Medi­ ums typisch sehr breit ist.

Da jede der Moden nur entsprechend ihrer Frequenz Energie aus dem Verstärkungsmedium entzieht, ist es möglich, dass mehrere Moden gleichzeitig im Medium verstärkt werden. Dies ist wich­ tig, wenn dem Laser besonders hohe Leistungen entzogen werden sollen und/oder sehr kurze Emissionsdauern erreicht werden sollen. In beiden Fällen ist es erforderlich, die Emissionen aller Moden, die im Laser anschwingen können, aufeinander ab­ zustimmen, das heißt, dafür zu sorgen, dass zu einer bestimm­ ten Mode gehöriges Licht nur dann emittiert wird, wenn auch von anderen Moden Licht abgestrahlt wird. Dieses Vorgehen wird als Modenkopplung bezeichnet.

Es ist vorgeschlagen worden, diese Modenkopplung mit sättig­ baren Absorbern im Resonator vorzunehmen.

Hierbei gibt es prinzipiell die Möglichkeit, eine echte Ab­ sorption vorzunehmen, also die Energie in Wärme umzuwandeln. In solchen sättigbaren Absorbern wird ein Teil der auf den Absorber aus dem Resonator einfallenden Leistung absorbiert, wobei die Absorption mit wachsender Leistung abnimmt; dies bezeichnet man als Sättigung. Wird die für die Sättigung des Absorbers benötigte Leistung erreicht, beginnt der Absorber, größere Anteile Licht durchzulassen. Dies wurde im Stand der Technik zum Starten eines modengekoppelten Lasers benutzt, wenn durch dort vorhandene stochastische Leistungsschwankun­ gen, die durch das Verstärkungsmedium um ein Vielfaches über­ höht werden, bestimmte Schwellwerte überschritten werden.

Ein solches Vorgehen erlaubte zwar den Bau von für viele Zwecke ausreichenden Laserlichtquellen, hat allerdings den Nachteil, dass im Absorber sehr viel Energie absorbiert wird, weshalb insbesondere die erzielbaren Maximalleistungen absor­ bermaterialabhängig sind, was darüber hinaus weitere Nachtei­ le hat.

Eine weitere, im Stand der Technik praktizierte Alternative besteht darin, künstliche sättigbare Verluste zu erzeugen, etwa durch ein Element, bei welchem sich durch intensitätsab­ hängige Brechzahländerungen Linseneffekte ausbilden (sog. Kerr-Linsen), durch welche ein Teil des Lichtes abgelenkt wird. Hier sind aber die Effekte im Regelfall schwach, die Designmöglichkeiten beschränkt und überdies ist der techni­ sche Aufwand zur Realsisierung derartiger künstlicher Verlu­ ste oftmals sehr hoch.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereit zu stellen.

Das Ziel wird erreicht mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Ein erster wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit darin zu sehen, dass bei einem optischen Element, das zur Übertragung variierender Anteile des eingestrahlten Lich­ tes dient, und bei welchem ein optisches Medium zwischen Lichteintritts- und -austrittsfläche angeordnet ist, bei dem auch oder nur der reale Brechungsindexanteil mit der Lichtin­ tensität in die Lichtübertragung signifikant verändernder Weise variiert, vorgesehen ist, dass das optische Element so ausgestaltet ist, dass zumindest ein Teil des Lichtes mehr­ fach zwischen Lichteintritts- und -austrittsfläche durch das optische Medium läuft.

Die Brechungsindexänderung kann dann in die Lichtübertragung variierender Weise ausgenutzt werden, wozu geeignete Mittel vorgesehen sein können. Die leistungsabhängige Variation des realen Anteils des Brechungsindex hat den unmittelbaren Vor­ teil, dass im optischen Element keine Energie deponiert wird, sondern eine allgemein verlustarme, insbesondere verlustfreie Leistungsbeeinflussung möglich wird. Dies macht hohe Leistun­ gen möglich, ohne dass eine Zerstörung von Elementen befürch­ tet werden muß. Hinzu kommt dabei, dass durch das wiederholte Durchlaufen des optischen Elementes die Lichtintensität im Medium im Regelfall entsprechend groß ausfällt und somit die Änderung des Realteils des Brechungsindex erhöht wird.

Das optische Medium ist dazu bevorzugt in einem Resonator vorgesehen und/oder bildet einen Teil desselben. Dabei ist in einer besonders bevorzugten Variante der Resonator durch die Lichteintritts- und -austrittsflächen gebildet; diese können z. B. verspiegelt sein, um den Resonator zu bilden und/oder sie können selbst das Medium mit lichtintensitätsabhängigem realen Brechungsindexanteil darstellen.

Insbesondere ist es möglich, das optische Element als Fabry- Perot-Interferometer zu realisieren, wobei die intensitätsab­ hängige Brechungsindexänderung des Mediums dann so groß ist, dass eine gewünschte Transmissions- bzw. Reflexionsänderung des Fabry-Perot-Interferometers auftritt.

Die Realisierung des optischen Elementes als Fabry-Perot- Interferometer erlaubt den Einsatz als sehr kompaktes Element in einem Laser, und zwar unabhängig davon, ob es sich um ei­ nen modengekoppelten, insbesondere kontinuierlich modengekop­ pelten Laser und/oder einen güte-geschalteten Laser handelt; dies ist mit praktisch zur Verfügung stehenden Materialien sogar dann möglich, wenn sehr hohe Leistungen im Laserresona­ tor vorliegen.

Schutz wird nicht nur beansprucht für das optische Element selbst, sondern auch für einen Laser mit einem Resonator, in dem ein optisches Element gemäß der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist. In einem solchen Fall ist es besonders bevor­ zugt, wenn das optische Element einen Auskoppel- und/oder ei­ nen Endspiegel des Laserresonators realisiert.

Weiter wird ein Verfahren zur Güteschaltung und/oder passiven Modenkopplung in Lasern beansprucht, bei welchem die Güte­ schaltung und/oder passive Modenkopplung mit einem erfin­ dungsgemäßen optischen Element erfolgt. Hier führt der Ein­ satz des erfindungsgemäßen optischen Elementes dazu, dass be­ sonders hohe laserresonatorinterne Leistungen ermöglicht wer­ den.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschema eines Fabry-Perot-Interferometer als erfindungsgemäßes optisches Element;

Fig. 2 den Detailaufbau eines erfindungsgemäßen optischen Elementes;

Fig. 3 die Reflexionscharakteristik eines Fabry-Perot- Interferometer als erfindungsgemäßem optischen Ele­ ment;

Fig. 4 den Verlauf der Reflektivität einer erfindungsgemäßen Anordnung als Funktion der Wellenlänge bei unter­ schiedlichen Intensitäten.

Nach Fig. 1 umfaßt ein allgemein mit 1 bezeichnetes optisches Element 1 zur Übertragung variierender Anteile eingestrahlten Lichtes 2 ein optisches Medium 3 mit intensitätsabhängigen Brechungsindex zwischen einer Lichteintrittsfläche 4 und ei­ ner Lichtaustrittsfläche 5, die so zueinander angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des Lichtes 2 mehrfach zwischen Lichteintritts- und -austrittsflächen 4, 5 durch das optische Medium läuft, und zwar derart, dass das optische Element 1 ein Fabry-Perot-Interferometer 1 realisiert.

Das Licht 2 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wellenlänge um 1064 nm, wie es z. B. von einem modengekoppel­ ten Nd:YVO₄-Laser hoher Leistung emittiert wird.

Nach Fig. 2 sind optisches Medium 3, Lichteintrittsfläche 4 und einer Lichtaustrittsfläche 5 mit Halbleitermaterialien ausgebildet. Die ganze Anordnung befindet sich auf einem un­ polierten GaAs-Substrat 6.

Die Lichteintrittsfläche 4 ist vermittels vier Paaren von λ/4-Schichten (bezogen auf λ = 1064 nm) aus SiO₂/TiO₂ sowie einer weiteren λ/4-Schicht (bezogen auf λ = 1064 nm) SiO₂ und einer TiO₂-Schicht mit einer Schichtdicke von 69,91 nm ge­ bildet. Diese besitzt eine Reflektivität von 98,5%.

Das optische Medium 3 besteht aus einer 5 µm dicken Schicht In_xGa_1-xAs, wobei x = 0,09, so dass das Material eine bei 1,29 eV liegende Bandlücke besitzt, entsprechend 960 nm, was von den 1064 nm entsprechend 1,16 eV des Lichtes 2 so weit ent­ fernt ist, dass typisch zumindest keine wesentlichen Absorp­ tionsprozesse im Halbleiter auftreten.

Die Lichtaustrittsfläche 5 ist durch einen Bragg-Spiegel aus 15 λ/4-Schichten GaAs/AlAs gebildet, wobei λ/4 wieder bezo­ gen ist auf λ = 1064 nm. Der so realisierte Spiegel besitzt eine Reflektivität von 97,5%.

Mit diesem Aufbau wird für eine Wellenlänge von 1064 nm ein Reflexionsverhalten der Gesamtanordung erhalten wie in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Reflexionscharakteristik des dargestellten optischen Elementes als Funktion der einfallenden Lichtinten­ sität bei konstanter Wellenlänge von λ = 1064 nm. Es ist klar erkennbar, dass die Reflektivität mit steigender Intensität zunimmt. Mit der Zunahme der Reflektivität des Fabry-Perot- Interferometer steigt zugleich die im Fabry-Perot- Interferometer vorhandene Leistung.

Wird das Fabry-Perot-Interferometer nun mit Licht bestrahlt, so wird entsprechend der in Fig. 3 gezeigten Reflexionscha­ rakteristik die Reflektivität des Fabry-Perot-Interferometer und damit zugleich auch dessen Transmissionsverhalten sowohl von der Wellenlänge als auch von der Intensität abhängen. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. So ergibt sich für sehr ge­ ringe Leistungen nahe 0 MW/cm² eine etwa um das Reflexionsmi­ nimum symmetrische Reflexionskurve a. Wird dagegen eine höhe­ re Leistung eingestrahlt, so verschiebt sich wie für den Fall von 150 MW/cm² aufgrund des leistungsabhängigen Brechungsin­ dex des Mediums 3 einerseits das Reflexionsminimum zu einer geringfügig anderen Wellenlänge, und andererseits ist bei diesem Reflexionsminimum die Reflexion noch stärker als im Fall einer Leistung von 0 MW/cm², was für die Erfindung von besonderer Bedeutung ist.

Der Reflexionshub des beschriebenen Elementes ist ausrei­ chend, um eine Modenkopplung in einem Nd:YVO₄-Laser vorzuneh­ men. Dazu kann einer der Spiegel des Lasers durch das Fabry- Perot-Interferometer der vorliegenden Erfindung realisiert werden. Dabei ergibt sich ein positiver Reflexionshub, d. h. ein Ansteigen der Reflektivität mit der Leistung in einem Be­ reich, der zur Erzeugung von Laserpulsen im Picosekundenbe­ reich ausreichend ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass, während aus Gründen der Ver­ anschaulichung die Lichteintrittsfläche als von der Licht­ austrittsfläche getrennt dargestellt wurde, dies nicht zwin­ gend ist. Vielmehr kann zumindest ein Teil des Lichtes an ei­ ner der Lichteintrittsfläche optisch gegenüber liegenden Flä­ che reflektiert und/oder rückgestreut werden und dann letzt­ lich aus der Lichteintrittsfläche austreten. In einem solchen Fall wird das optische Element der Erfindung in Reflexion verwendet statt in Transmission. Dies ist für die Ausbildung als Auskoppel- oder Endspiegel in Lasern von Bedeutung. Mischformen sind möglich.

Es sei weiter darauf hingewiesen, dass an Stelle eines rein leistungsabhängigen Elementes die optischen Eigenschaften zur externen Steuerung und/oder Modulation auch ausschließlich oder zusätzlich zur leistungsabhängigen Eigenschaftsverände­ rung durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, eines mechanischen Drucks und/oder Zugs sowie durch Einstrahlung steuernden Lichtes verändert werden können.

Claims (10)

1. Optisches Element zur Übertragung variierender Anteile eingestrahlten Lichtes mit einer Lichteintritts- und -austrittsfläche und einem optischen Medium, das einen in­ tensitätsabhängigen Brechungsindex aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Lichtes mehrfach durch das optische Medium läuft.

2. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium in einem Resonator und/oder als Teil eines solchen gebildet ist.

3. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator durch die Lichteintritts- und -austrittsflächen gebildet ist.

4. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Fabry-Perot- Interferometer bildet, wobei die intensitätsabhängige Bre­ chungsindexänderung des Mediums so groß ist, dass eine ge­ wünschte Transmissionsänderung auftritt.

5. Optisches Element nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Parameter des Fabry-Perot-Interferometers FSR (freier Spektralbe­ reich), Finesse, Größe des nichtlinearen Brechungsindexes und/oder Änderung des Brechungsindexes mit der Intensität so gewählt sind, dass es zur Verwendung als Güteschalter und/oder zur Passiven Modenkopplung in einem vorgegebenen Laser geeignet ist.

6. Optisches Element nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, dass es dazu ausgebildet ist, vari­ ierende Anteile eingestrahlten Lichtes zu reflektieren.

7. Laser mit einem Resonator, in dem ein optisches Element gemäß der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.

8. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennnzeichnet, dass das optische Element ein Auskoppel- und/oder Endspiegel ist.

9. Verfahren zur Güteschaltung und/oder passiven Modenkopp­ lung in Lasern, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element mit einem optischen Medium zwischen einer Licht­ eintritts- und Austrittsfläche zur Übertragung variieren­ der Anteile eingestrahlten Lichtes nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7 im Resonator vorgesehen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften des optischen Elementes durch Steuerung und/oder Modula­ tion insbesondere eines an das Element angelegten elek­ trischen und/oder magnetischen Feldes eines mechanischen Druckes und/oder Zugs und/oder durch Einstrahlung weite­ ren Lichtes beeinflusst wird.